張其剛，王一笑，李 濤，徐 冉

(中國航天科工集團(tuán)8511研究所, 江蘇 南京 210007)

一種彈載雷達(dá)干擾天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張其剛，王一笑，李 濤，徐 冉

(中國航天科工集團(tuán)8511研究所, 江蘇 南京 210007)

彈載雷達(dá)干擾機(jī)的天線要求體積小、寬頻帶、高增益，且耐受功率大，對天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。對一種彈載大功率雷達(dá)干擾天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，從天線組成原理、饋電結(jié)構(gòu)形式、材料選擇、電磁場仿真分析等方面進(jìn)行了詳細(xì)描述。采用小型化、一體化的綜合設(shè)計(jì)以適應(yīng)彈載平臺需要，并通過大功率輻射試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。

彈載；干擾天線；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引言

隨著導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的不斷發(fā)展，各類導(dǎo)彈正面臨著越來越大的被攔截的威脅。彈載雷達(dá)干擾機(jī)也正朝著大功率、寬頻帶、高增益的方向發(fā)展，且體積要求苛刻。因此，彈載雷達(dá)干擾天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要綜合考慮結(jié)構(gòu)形式與布局、材料選擇、電磁場、質(zhì)量質(zhì)心及力學(xué)強(qiáng)度等因素，進(jìn)行小型化、一體化的綜合設(shè)計(jì)。

1 天線組成及原理

某彈載干擾天線由腔體、輻射器、反射板、天線罩及支撐柱、螺母等組成，如圖1所示。

其中，腔體主要的作用是使天線具有較強(qiáng)的定向性；輻射器主要是發(fā)射或接收電磁波的載體；反射板使天線具有較寬的波束；天線罩的主要作用是通過手工調(diào)節(jié)其高度，改善天線的匹配特性，即改善天線的電壓駐波比。

信號由饋電端輸入后，經(jīng)由輻射器輻射、反射板展寬波束后在空間形成干擾信號。支撐柱、螺母及固定板要求為非金屬材料，用于固定反射板并將其支撐于輻射器之上，同時(shí)與輻射器絕緣。腔體為金屬，用于保證輻射口面，確保輻射方向圖。天線罩為非金屬，要求透電磁波，用于保護(hù)密封天線及調(diào)節(jié)駐波。

2 饋電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該天線應(yīng)用于彈載平臺，體積空間有限，且輻射功率大，饋電要求高。為減少大功率微波信號的傳輸損耗，同軸電纜需采用直徑3.5mm的半剛電纜。對天線的饋電形式有兩種方案可選，方案一采用SMA射頻連接器饋電，考慮電纜彎曲半徑，插頭與插座旋合后，需要至少30mm的安裝空間，在現(xiàn)有空間下無法實(shí)現(xiàn)。方案二在結(jié)構(gòu)上通過對饋電端口優(yōu)化設(shè)計(jì)，去除射頻連接器，將同軸電纜與輻射器進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，使安裝空間縮短14mm，既滿足安裝空間要求，同時(shí)又改善了天線駐波性能，減少了連接損耗及相位誤差。天線兩種饋電方案比較如圖2所示。

3 電磁場仿真分析

天線的電磁場仿真主要用于分析天線駐波、方向圖等性能指標(biāo)。本天線的電磁場仿真結(jié)果如圖3所示，由于電磁場處于動態(tài)變化的過程, 該結(jié)果為天線電磁場瞬態(tài)的相對強(qiáng)度定性分布。

結(jié)果表明，天線電磁場最強(qiáng)的部分位于輻射器振子以及上方的反射板，場強(qiáng)最高與最低區(qū)域差10倍以上。此外，位于反射板附近的固定板以及支撐柱的中間部位等區(qū)域場強(qiáng)也較高。

當(dāng)非金屬作為介質(zhì)材料用于高頻電磁場時(shí)，介質(zhì)在交變電場作用下會轉(zhuǎn)換為熱能量，在高電磁場強(qiáng)度下尤為明顯。因此在強(qiáng)電磁場的工作條件下，該天線內(nèi)的各類非金屬材料會在電磁場作用下發(fā)熱，熱量聚集后從而引起溫度升高,因此分析天線各區(qū)域的電磁場分布對非金屬結(jié)構(gòu)材料的選擇有著重要意義。

4 材料選擇

4．1 電磁場與非金屬介質(zhì)作用機(jī)理

電磁場在介質(zhì)中的傳輸損耗包括兩部分，一是介質(zhì)非理想絕緣引起的漏電損耗，通常介質(zhì)的絕緣電阻超過10000 MΩ/km，當(dāng)線不太長的時(shí)候，這部分損耗可以不考慮；二是介質(zhì)在高頻場中分子極化滯后引起的損耗，該值由介質(zhì)材料的損耗角正切tanδ決定。介質(zhì)損耗的衰減常數(shù)α的計(jì)算公式為：

(1)

式中，α為衰減常數(shù)，單位為(Np/m)；εr為相對介電常數(shù)；λ為工作波長，單位為m；tanδ為損耗角正切。

由于存在損耗，所以電磁波在傳播過程中是逐漸衰減的，這種衰減是由于能量損耗引起的，因此衰減常數(shù)又可以表示為：

a=PL/2P

(2)

式中，PL為介質(zhì)損耗功率，單位為W；P為總傳輸功率，單位為W。

綜合式(1)～(2)，可以得到式(3)：

(3)

又，PLt=cmΔT

(4)

式中，t為工作時(shí)間，單位為s；c為介質(zhì)的比熱容，單位為J/(kg·K)；m為介質(zhì)的質(zhì)量，單位為kg；ΔT為介質(zhì)的溫度變化量，單位為K。

式(3)和式(4)表明，電磁場與介質(zhì)作用的發(fā)熱功率與εr、tanδ成正比。材料的介電常數(shù)越大、介電損耗越大，其在相同頻率的電磁場作用下的發(fā)熱量越大。同時(shí)，材料在不同溫度下，其介電損耗不同，隨著溫度升高，介電損耗會迅速增大。極端情況下，會進(jìn)一步導(dǎo)致?lián)p耗急劇加大，從而導(dǎo)致溫度急劇升高。

因此，在電磁場場強(qiáng)集中的區(qū)域，為避免非金屬材料局部發(fā)熱量大，溫度過高，應(yīng)當(dāng)選擇介電常數(shù)、損耗角正切相對較小的材料。

4．2 非金屬材料選擇

1) 幾種典型非金屬材料性能對比

天線內(nèi)采用非金屬材料的零部件主要包括支撐固定類的結(jié)構(gòu)件和透波用的天線罩，幾種典型非金屬材料的性能對比見表1。

尼龍、聚砜、聚甲醛等材料是常用的工程塑料。由表1可以看出，三者的拉伸強(qiáng)度接近，作為結(jié)構(gòu)支撐材料，均能滿足使用要求。在電氣性能上，聚砜的介電常數(shù)及損耗角正切較小，與性能最差的尼龍相差近40倍，可以說明，在電磁場作用下，聚砜與尼龍的發(fā)熱量相差也是將近40倍。

聚四氟乙烯電氣性能、耐受高低溫性能優(yōu)越，介電常數(shù)及損耗角正切是幾種材料中最小的，但其抗拉強(qiáng)度低、機(jī)械強(qiáng)度差，常用于微波同軸電纜的傳輸介質(zhì)，不適合做結(jié)構(gòu)支撐材料。

表1 幾種典型非金屬材料性能對比

聚酰亞胺抗拉強(qiáng)度、耐受高低溫性能均是最優(yōu)，電氣性能略差于聚砜，損耗角正切是聚砜的近十倍。

復(fù)合材料的主要成分是玻璃纖維或石英纖維配以不同的樹脂膠。由表1可以看出，復(fù)合材料的力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高分子材料，適合模具粗成型再輔以機(jī)械精加工。但復(fù)合材料的電氣性能指標(biāo)普遍差于高分子材料，主要用于天線罩及一些承力結(jié)構(gòu)件的加工。表中的三種復(fù)合材料中，氰酸酯石英纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能最優(yōu)，介電常數(shù)及損耗角正切均為最小。

2) 材料選擇

支撐柱與螺母用于緊固、支撐固定板及反射板，要求具有一定強(qiáng)度及剛度，便于機(jī)械加工小尺寸螺紋，同時(shí)由圖2可以看出，支撐柱中間部位場強(qiáng)較高，因此為避免大功率輻射情況下溫度過高，要求所選用的材料介電損耗及介電常數(shù)較小。綜合上述分析，作為結(jié)構(gòu)支撐材料同時(shí)要求介電損耗小，聚砜的綜合性能最優(yōu)，適合作為支撐柱與螺母的材料。

固定板厚度薄且要求具有較好的強(qiáng)度以便于將反射板夾緊固定，因此應(yīng)當(dāng)選擇相對強(qiáng)度較好的復(fù)合類材料。同時(shí)，由于固定板附近的電磁場強(qiáng)度相對也較高，因此選用氰酸酯石英纖維。

天線罩附近的電磁場強(qiáng)度相對較低，綜合考慮透波及力學(xué)強(qiáng)度，環(huán)氧樹脂E玻璃纖維與氰酸酯石英纖維均可以滿足使用要求。氰酸酯石英纖維透波性能更好，但價(jià)格相對較高，實(shí)際選用時(shí)可以綜合考慮性能及價(jià)格因素。天線罩與天線腔體之間采用螺紋方式連接，便于調(diào)整天線罩與輻射器之間的相對位置，從而調(diào)節(jié)天線駐波性能指標(biāo)。

4．3 金屬材料選擇

天線的結(jié)構(gòu)件常用金屬材料包括鋁合金及銅合金，具體材料選用需考慮質(zhì)量、強(qiáng)度、表面處理等因素，鋁合金使用更為廣泛。本天線位于整機(jī)產(chǎn)品的前端，由于整機(jī)產(chǎn)品質(zhì)心要求靠前，天線需要加重用以調(diào)配質(zhì)心,因此本天線腔體及輻射器均采用密度較大的黃銅，腔體表面鍍鎳處理，輻射器由于焊接半剛同軸電纜的需要，表面采用鍍金處理。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

由于受大功率電磁波作用的影響，本天線中非金屬材料的選擇尤為重要。為驗(yàn)證以上材料選擇的正確性，通過選擇不同的非金屬材料確定兩種天線方案。方案一選擇電氣性能較好的聚砜作為支撐柱和螺母的材料，選擇氰酸酯石英纖維作為反射板材料。方案二選擇電氣性能較差的尼龍和3240環(huán)氧層壓玻璃布板材料組合。兩種天線方案的材料對比見表2。

表2 兩種天線方案的材料對比

根據(jù)前文分析，由于介電常數(shù)及損耗角正切較大，理論分析得出尼龍的發(fā)熱量約為聚砜的40倍，3240環(huán)氧層壓玻璃布板的發(fā)熱量約為氰酸酯石英纖維的6倍。因此，可以預(yù)見，采用方案二的支撐柱、螺母及固定板在大功率輻射下，其溫度會遠(yuǎn)高于方案一。

對兩種方案的天線進(jìn)行60℃高溫下的大功率電磁波輻射試驗(yàn)，在腔體內(nèi)支撐柱與固定板相連的附近加以溫度傳感器，監(jiān)測其溫度變化情況。工作時(shí)間為240 s，試驗(yàn)結(jié)果如下：

方案一的天線工作240 s后，傳感器溫度緩慢上升至80℃，溫升20℃，遠(yuǎn)低于聚砜材料的最高工作溫度。檢查天線各零部件無異常，天線指標(biāo)測試正常。

方案二的天線在工作120 s時(shí)間內(nèi)，溫度較快上升至100℃，隨后在100 s時(shí)間內(nèi)迅速升高至220℃，在最后40 s時(shí)間內(nèi)急劇上升至400℃。工作結(jié)束后，檢查天線，發(fā)現(xiàn)支撐柱、螺母已經(jīng)融化，固定板部分區(qū)域被高溫?zé)??？梢钥闯觯瑴囟壬仙?20℃時(shí)，支撐柱已經(jīng)開始融化。

傳感器的溫升主要來自兩個(gè)方面，一是與天線相連的功放發(fā)熱并傳到至天線腔體，引起腔體內(nèi)的溫升；二是非金屬的支撐柱、螺母及固定板與強(qiáng)電磁場作用發(fā)熱引起的溫升。由于工作240 s后，功放殼體最高溫度大約在75℃～80℃，因此功放的傳熱不足以使支撐柱熔化，導(dǎo)致支撐柱熔化的熱量主要還是由材料自身與強(qiáng)電磁場作用產(chǎn)生。方案二的尼龍支撐柱在溫度上升至100℃后，由于尼龍材料在高溫情況下，電氣性能發(fā)生惡化，損耗角正切明顯加大，從而導(dǎo)致溫升速度明顯加快，僅再用了100 s就升高至220℃，最終導(dǎo)致支撐柱熔化。

以上試驗(yàn)及分析說明，方案一的天線采用聚砜及氰酸酯石英纖維材料，其損耗角正切較小，可以滿足大功率輻射要求。方案二的天線采用尼龍及3240環(huán)氧層壓玻璃布板，其損耗角正切較高，與電磁波作用發(fā)熱量大而導(dǎo)致支撐柱熔化，不能滿足大功率輻射要求。

6 結(jié)束語

本文針對彈載大功率雷達(dá)干擾天線的特點(diǎn)，綜合考慮結(jié)構(gòu)、材料、微波電磁場、熱學(xué)以及性能、價(jià)格、加工工藝等多種因素，通過對材料的優(yōu)選及饋電結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)及電氣性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了大功率、小型化的要求，并通過仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的合理性。■

[1] 趙克玉,許福永.微波原理與技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2] 曾正明.機(jī)械工程材料手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[3] 徐稅敏，唐璞，薛正輝，等．微波技術(shù)基礎(chǔ)[M]．北京：科學(xué)出版社，2009.

The structural design of a missile-borne radar jammer antenna

Zhang Qigang, Wang Yixiao, Li Tao, Xu Ran

(No.8511 Research Institute of CASIC, Nanjing 210007,Jiangsu,China)

The antenna of missile-borne radar jammer is supposed to be small in size, wide in band, along with a high gain and a high power tolerance. These requirements significantly raise the standard of antenna structural design. The structural design features of a certain type of missile-borne high-power radar jammer antenna is analyzed, and detailed descriptions about the composition theories of the antenna, feed structure layouts, material selection and electromagnetic field simulation analysis are given. A comprehensive design for missile-borne platform is orchestrated considering miniaturization and integration. The validity of this design is effectively verified by high-power radiation experiments subsequently.

missile-borne; jamming antenna; structural design

2016-11-30；2017-02-25修回。

張其剛(1972-),男，高工，主要研究方向?yàn)閺椵d電子對抗設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

TN957.2

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