机载雷达天线罩机械损伤对电性能影响仿真

李宝鹏 李进杰 高伟亮 赵智品

摘  要： 机载雷达罩使用过程中容易造成机械损伤，可能会对其电性能发挥产生影响。文中分析了雷达罩常见的机械损伤类型及成因，介绍了雷达罩常见电性能参数，建立了雷达罩蒙皮脱落与线性劃伤模型，利用电磁仿真法对不同蒙皮脱落半径和线性划伤长度雷达罩的透波率、天线增益、天线方向图等参数变化进行仿真分析。结果表明，相对于雷达罩实地测试法，所提方法经济实用，天线罩损伤模型有效可行，仿真结论对雷达罩机械损伤对电性能影响评估具有重要的理论指导意义。

关键词： 雷达天线罩; 电性能; 机械损伤; 透波率; 蒙皮脱落; 线性划伤仿真

中图分类号： TN95?34; TB332                     文献标识码： A                     文章编号： 1004?373X（2019）11?0125?05

Abstract： The mechanical damage generated in the use process of airborne radome may affect the electrical characteristic of radome. The common types and causes of the mechanical damage of the radome are analyzed. The common electrical performance parameters of the radome are introduced. The radome skin shedding model and linear scratching model are established. The electromagnetic simulation method is used to simulate and analyze the parameters such as wave penetration rate， antenna gain and antenna pattern of radome with different skin shedding radius and linear scratched length. The results show that， relative to the field of radome test method， this method is economical and practical， the radome damage model is effective and feasible， and the simulation conclusions have important theoretical guiding significance for the impact assessment of the radome′s mechanical damage to the electrical performance.

Keywords： radome; electrical characteristic; mechanical damage; wave penetration rate; skin shedding; linear scatched simulation

0  引  言

机载雷达天线罩（又称机载雷达罩）是一种重要的飞机功能结构部件，它与机身合为一体承受气动载荷与惯性载荷，使飞机保持良好的空气动力性能，一方面，作为雷达天线的物理防护罩保护雷达天线免受不利环境因素的损坏，另一方面它又是雷达波束的“电磁明窗”，使雷达天线系统发挥理想的电性能。机载雷达罩由于特殊的使用环境，难免会受到冲击、侵蚀，产生开裂、分层、穿孔等机械损伤，雷达罩的机械损伤不仅会影响罩体的机械强度，影响载体的飞行安全，还可能会造成雷达探测能力的下降，从而影响雷达作战效能的发挥。

目前，雷达罩机械损伤后对电性能影响评估缺少技术指导，没有相关规程、规定和相应措施、手段。针对上述现状，本文开展雷达机械损伤对电性能影响进行仿真评估研究，分析常见机械损伤对雷达罩电性能影响的程度，实现雷达罩全寿命期内的状态跟踪检查和维修指导，这对保持雷达战术性能发挥、延长雷达系统使用寿命，提高工作可靠性，降低其使用期间维修费用以及保证飞行安全等具有十分重要的意义。

1  雷达罩常见机械损伤

机载雷达罩常采用蜂窝式A夹层结构，如图1所示。第一层和第三层一般为树脂基碳纤维复合材料，第二层为泡沫类或蜂窝结构的复合材料，各层胶合在一起[1]。飞机在高低空飞行和地面停放过程中，常会受到自然环境因素和人为因素带来的不利侵害，如雨蚀、冲击损伤、静电烧蚀、人为撞击等，这些侵害会造成雷达罩机械结构损伤。

1.1  雨水侵蚀

飞机在高空飞行时通常伴随着冰、雨的袭击，高速的雨滴冲刷将严重侵蚀防雨蚀系统，日积月累水分便进入天线罩的内部结构，引起雷达波的畸变;同时，水分在天线罩内部因结冰而膨胀，致使天线罩内部的复合材料积水面积增大，结构脱层、脱胶，严重降低天线罩的透波率，从而影响内部天线的正常工作[2?3]。

图1  蜂窝夹层结构示意图

1.2  冲击侵害

由于冰雹、鸟击等因素以及日常维护中的车辆、梯子等地面雷达设备与天线罩发生碰撞，导致天线罩的硬性损伤，有时即使很轻微的碰撞也有可能导致肉眼看不清的内部结构损伤，使天线罩出现分层、脱胶等现象。

1.3  雷击侵害

在恶劣的气象条件下，当雷达罩遭受了更大的雷电冲击，电流来不及传导出去，就会在雷达罩的内部迅速膨胀，造成雷达罩脱层、脱胶，甚至起泡，雷电也会偶尔击中没有安装防雷击条的部位。

1.4  静电烧蚀

飞机在高速运动中与干燥的空气相摩擦，会产生大量的电荷，当电荷累积到一定程度时，就会发生静电放电烧蚀雷达罩的表面。静电烧蚀经常表现在雷达罩周围有黑色的斑点。静电烧蚀不会造成雷达罩的立刻损伤，但长时间以后会侵蚀雷达罩的内部结构。

以上侵害对雷达罩造成的机械结构损伤主要有蒙皮脱落、罩体穿透、表面线性划伤（伤及芯层）、蒙皮与芯层的分层四种。这些机械损伤改变了雷达罩体的结构，因此会增加电磁波传输损耗，改变雷达罩介电常数和原来电磁波的指向偏移路径，进而会影响雷达罩的电性能[4?5]。

2  雷达罩电性能分析方法

2.1  雷达罩电性能参数

2.1.1  瞄准误差

电磁波透过雷达罩时天线主波束偏移天线瞄准轴线方向一定的角度，这个方向偏移称为瞄准误差[6]，如图2所示为瞄准误差的产生示意图。天线辐射的电磁波透过雷达罩时，经历了空气?介质?空气二种介质构成的传播路径。由于电磁波在多层介质中传播，则在介质分界面处必然发生反射和折射，尤其是当雷达罩出现机械损伤时会使得不同部位引起的电磁波的相位延迟不同，从而改变电磁波的等相位面，使得带罩天线的主向（电轴方向）发生偏移，波瓣发生畸变，即天线波束产生瞄准误差。

图2  瞄准误差产生示意图

2.1.2  透波率

透波率是指电磁波透过天线罩在电场远区产生的最大场强值[E1]的平方与透过没有天线罩时在电场远区产生的最大场强值[E2]的平方之比：

可见，损耗和反射是降低雷达罩透波率的主要原因。介电常数[ε]越大，则电磁波在空气与介质罩壁分界面上的反射（即[R2]）就越大，这将增加镜像波瓣电平并降低传输效率;损耗角正切[tan δ]越大，电磁波能量在透过雷达罩过程中转化为热量而损耗掉的能量就越多。

2.1.3  天线方向图失真情况

天线方向图是表征天线辐射特性的重要参考，常用的有三维方向图和平面方向图。天线罩系统对罩内天线方向图的影响反映了其整体性能，通过加罩前后方向图的失真情况可以得到天线罩对罩内天线各项性能指标的影响程度。在实际测量中，天线方向图可以细化为主瓣和主瓣宽度、副瓣电平、零深电平等指标变化[7]，如图3所示。

图3  天线方向图及参数

2.2  雷达罩电性能分析方法

雷达罩电性能测试方法通常有两种：一种是旋转天线测试法;另一种是电磁全波软件仿真法。旋转天线测试法主要包括搜零法、电子定标法、动态电轴跟踪法。该类方法在有效控制收发天线与雷达罩的相对位置前提下，通过搭建由信号发射模块、天线控制模块、控制处理部分组成的测试系统进行实际参数测试。旋转天线测試法投入设备复杂、成本高，同时存在定标曲线拟合有误差、接收天线寻零控制困难、测试范围角度受限等缺点[8?9]。

电磁全波软件仿真法市场上已具有应用较为成熟的商业软件，如FEKO、HFSS、CST等，软件内部电磁仿真参数设置样式丰富，并融合了时域有限差分法（FDTD）、矩量法（MOM）、有限积分法（FIT）等电磁仿真算法，具备仿真结果精确，应用范围广、成本投入低的特点[10]。CST Microwave Studio（CST MWS）是基于有限积分方法编成的经典软件[7]，考虑到CST成本低、技术成熟，本文采用CST中的时域算法对天线罩进行计算仿真，它对天线罩进行全波仿真时，在一些曲率比较小的地方可以进行自适应的网格剖分，并对电小尺寸的地方进行网格的自适应加密。同时，CST集成了时域求解器，只需要一次计算就能得到整个宽带特性。

3  仿真结果与分析

3.1  天线及天线罩建模

天线罩损伤仿真研究需要对大量的不同模型进行仿真，如果对实际的天线罩进行建模并仿真，不仅需要非常高的计算资源条件，而且需要花费大量的仿真时间。天线罩属于超大电尺寸物体，曲率半径比天线口径的线度大，罩壁和天线间距通常在[λ2π～2D2λ]之间[9，11]（[λ]为电磁波波长，[D]为天线口径宽度），既罩壁处于天线的辐射近区场内，所以可以将天线罩等效成平板天线罩，通过对平板天线罩进行仿真来研究损伤对天线罩电性能的影响。

激励采用工作在X波段的喇叭天线，平板天线罩剖分的网格大小为[110]波长，仿真的精度为-30 dB。平板天线罩采用传统的A夹层结构，边长大小为500 mm×500 mm，总厚度为7.6 mm。天线罩结构参数见表1，蒙皮采用石英氰酸酯材料，芯层采用蜂窝结构材料。图4为天线罩仿真模型。雷达电磁波仿真频段设置为8～12 GHz。

表1  天线罩结构参数

图4  天线罩仿真模型

通过仿真可以得到喇叭天线的增益为15.18 dBi， -3 dB波束宽度为29.1°，副瓣电平为-20.5 dB。下面分别对不同的机械损伤对天线罩电性能的影响进行仿真，提取出中心频率在[f0=]9.6 GHz处的电性能参数进行比较并总结。

3.2  蒙皮脱落损伤仿真

天线罩在工作过程中，随着外界环境的侵蚀以及使用年限的增加，会造成罩体表面蒙皮的脱落。构建蒙皮脱落的模型如图5所示，蒙皮脱落为外蒙皮脱落，脱落形状为圆形，脱落区域在平板天线罩的中心区域。在CST软件中仿真不同面积蒙皮区域脱落时，天线透过罩体后透波率、天线方向图等参数的变化。

图5  蒙皮脱落模型

图6，图7为天线罩无损伤和蒙皮脱落半径为40 mm时的三维方向图，图8为天线罩无损伤与蒙皮脱落半径为40 mm时二维方向图比较，图9为在中心频率[f0]=9.6 GHz处天线罩透波率随蒙皮脱落面积大小的变化曲线。

综合分析图6～图9，将相关参数变化记录在表2，可以得出以下结论：

1） 随着蒙皮脱落半径的增大，天线罩透波率会先出现一定的减小，然后再增大，并且从仿真结果可以计算出透波率最多减小大约20%。

图6  天线罩无损伤天线方向图

图7  蒙皮脱落半径为40 mm时方向图

图8  无损伤天线罩与蒙皮脱落半径为40 mm时天线方向图的比较

图9  透波率随蒙皮脱落面积大小变化关系

2） 透波率的减小和天线的口径大小相关，当蒙皮脱落的面积和天线的口径面积相比拟时，对透波率的影响最大。

3） 透波率的减小是因为这时天线的-3 dB波束展宽了，当蒙皮的脱落半径为40 mm时，透波率大约减小20%，但是这时的-3 dB波束宽度大约增加11%，从图7和图8也可以看到这时的波束宽度有一定增加。

4） 从实际的情况考虑，当天线罩出现较大的蒙皮脱落肯定会抛弃使用，因为这时的力学性能会达不到使用要求，所以当只出现很小面积的蒙皮脱落时，对透波率的变化影响不大。

表2  天线电参数随损伤大小变化

3.3  线性划伤损伤仿真

天線罩在维护过程中会出现人为的划伤（伤及芯层）。为了研究这种损伤（伤及芯层）对天线罩电性能的影响，通过在CST软件中仿真天线罩在不同划伤长度下的电性能。划伤的宽度设置为4 mm，芯层的总厚度为5.6 mm，划伤芯层的厚度为5 mm。图10为天线罩线性划伤仿真模型俯视图，图11为天线罩线性划伤仿真模型侧视图，图12为不同划伤长度时的天线二维方向图，表3为天线电性能参数随划伤长度的变化，图13为在中心频率[f0=]9.6 GHz处天线罩透波率随损伤大小的变化曲线。

图10  线性划伤仿真俯视图

可见，线性划伤（伤及芯层）对天线罩透波率基本没有影响，从图12也可以看出，在不同的划伤长度下，天线的方向图基本重合在一起，即天线的-3 dB波束宽度、副瓣电平以及天线的增益等电性能基本不变，所以这种类型的损伤对天线罩电性能基本没有影响。

图11  线性划伤仿真侧视图

表3  天线电性能参数随天线罩划伤长度的变化

图12  天线罩不同划伤长度下的天线方向图

图13  透波率随天线罩划伤长度的变化关系

4  结  语

雷达罩机械损伤除了会影响飞机机体结构强度和动力性能外，还会造成电性能的下降。当雷达罩蒙皮脱层半径超过40 mm时，会带来透波率明显下降，而线性划伤（伤及芯层）相对其他损伤对雷达罩电性能影响较小。在雷达罩日常维护中应当及时处理蒙皮脱落、穿孔、划伤等损伤，以免造成水汽进入罩体带来更大程度的侵害。基于电场仿真方法对天线罩进行电性能仿真，相对于天线测试法经济成本低，实用范围广，对雷达罩的使用维护具有一定的指导意义，当雷达罩电性能下降时，可以从机械损伤的角度排查故障原因。

参考文献

[1] 刘晓春，孙世宁，王茜.机载宽频带雷达罩双向变厚度设计方法[J].雷达科学与技术，2014（1）：101?102.

LIU Xiaochun， SUN Shining， WANG Qian. A method of bi?directionally changing?thickness design for airborne broadband radome [J]. Radar science and technology， 2014（1）： 101?102.

[2] 杨宗邦，王宇.雷达罩防雨蚀抗静电涂层修复工艺研究[J].航空维修与工程，2015（8）：87?89.

YANG Zongbang， WANG Yu. Research on the repairing technology of rainerosion resistant and anti?static coating for radome [J]. Aviation maintenance & engineering， 2015（8）： 87?89.

[3] 王正刚，夏卫卫，赵兵，等.新舟飞机雷达罩蜂窝夹层进水和电性能研究[J].玻璃钢/复合材料，2017（5）：93?98.

WANG Zhenggang， XIA Weiwei， ZHAO Bing， et al. Investigation on the honey comb core sandwich water intake and electrical performance of ma60 aircraft radome [J]. Fiber reinforced plastics/composites， 2017（5）： 93?98.

[4] 刘炜丽，田永锋，郑永梅，等.浅析机载雷达罩电性能指标的影响要素[J].测控技术，2016，35（z）：188?199.

LIU Weili， TIAN Yongfeng， ZHENG Yongmei， et al. Analysis of main factors affecting airborne radome electrical performan?ces indicators [J]. Measurement & control technology， 2016，35（S）： 188?199.

[5] 蔡承文，赵永鹏，李伟林.一种C型夹层雷达天线罩损伤后修补区域电性能计算方法[J].长沙航空职业技术学院学报，2015（3）：49?50.

CAI Chengwen， ZHAO Yongpeng， LI Weilin. The computing method of regional electrical properties for a certain C?sandwich radome after repairing damage [J]. Journal of Changsha Aeronautical Vocational and Technical College， 2015（3）： 49?50.

[6] 吴秉横，唐懿文，刘元云.一种天线罩瞄准线误差测试的动态寻零方法[J].弹箭与制导学报，2016（2）：53?54.

WU Bingheng， TANG Yiwen， LIU Yuanyun. A dynamic null?seeking method in radome boresight error measurement [J]. Journal of projectiles， rockets， missiles and guidance， 2016（2）： 53?54.

[7] 张杨，李勇，张培珍.机载火控雷达天线方向图的设计与仿真[J].现代电子技术，2009，32（23）：11?12.

ZHANG Yang， LI Yong， ZHANG Peizhen. Design and simulation about antenna direction chart of airborne fire?control radar [J]. Modern electronics technique， 2009， 32（23）： 11?12.

[8] 许群，王云香，徐京样.机载雷达罩动态电轴跟踪系统的设计和实现[J].测控技术，2013（1）：117?118.

XU Qun， WANG Yunxiang， XU Jingyang. Design and implementation of dynamic boresight tracing system for airborne radome [J]. Measurement & control technology， 2013（1）： 117?118.

[9] 许群，王云香，刘少斌.搜零法在相控阵雷达罩电性能测试中的应用[J].现代雷达，2013（4）：62?63.

XU Qun， WANG Yunxiang， LIU Shaobin. Application of null seeking method in electrical performance test for phased array radome [J]. Modern radar， 2013（4）： 62?63.

[10] CSTChina.CST微波工作室适用算例汇编[M].上海：上海软波工程软件有限公司，2009：30?50.

CSTChina. A compilation of practical examples for CST Microwave Studios [M]. Shanghai： Shanghai Soft Engineering Software Co.， Ltd.， 2009： 30?50.

[11] 王云香，许群，刘尚吉，等.试验天线对雷达罩传输效率的影响及分析[J].现代雷达，2015（12）：65?66.

WANG Yunxiang， XU Qun， LIU Shangji， et al. Influence and analysis of test antenna on radome transmission efficiency [J]. Modern radar， 2015（12）： 65?66.