天線戰(zhàn)損國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

董盛藍(lán)，張宏偉

(軍械工程學(xué)院 電子與光學(xué)工程系，河北 石家莊 050003)

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天線戰(zhàn)損國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

董盛藍(lán)，張宏偉

(軍械工程學(xué)院 電子與光學(xué)工程系，河北 石家莊 050003)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有天線戰(zhàn)損方面的文獻(xiàn)的分析，把天線戰(zhàn)損分為對(duì)反射面天線和對(duì)陣列天線兩部分進(jìn)行研究，其中對(duì)陣列天線的研究主要是對(duì)相控陣天線的研究。指出了現(xiàn)有研究的局限性并給出了解決方法。天線戰(zhàn)損研究現(xiàn)狀及其得出的結(jié)論對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下天線的損傷等級(jí)評(píng)估以及搶修具有重要的意義。

雷達(dá)天線；戰(zhàn)損；國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

0　引言

在海上、陸地、天空以及衛(wèi)星上都能看到雷達(dá)的身影。它是現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上的“千里眼”和“順風(fēng)耳”，是現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中至關(guān)重要的裝備，當(dāng)然在戰(zhàn)場(chǎng)上也是敵方重要打擊的對(duì)象。天線系統(tǒng)作為電子對(duì)抗裝備中收發(fā)能量的載體，因其本身的輻射特性，難以進(jìn)行有效的電磁隱蔽，極易被識(shí)別和定位，以至遭受到敵方反輻射武器的打擊[1]。因此研究雷達(dá)天線的戰(zhàn)損情況具有十分重要的意義。

1　天線戰(zhàn)損

戰(zhàn)損[2]是裝備戰(zhàn)斗損傷的簡(jiǎn)稱(chēng)，是指裝備在作戰(zhàn)使用過(guò)程中，由于受到敵方武器的襲擊使其機(jī)件遭到破壞或是功能?chē)?yán)重下降而影響使用效能的一種狀態(tài)。過(guò)去主要是槍彈、炮彈、炸彈造成的損傷，現(xiàn)有在還有導(dǎo)彈造成的損傷。除了這些硬損傷外，戰(zhàn)損還包括電磁、激光等造成的損傷。現(xiàn)有研究的天線戰(zhàn)損主要包括破片損傷和沖擊波損傷。有單獨(dú)研究破片損傷的，如參考文獻(xiàn)[3-9]，有單獨(dú)研究沖擊波損傷的，如參考文獻(xiàn)[10-11]，還有研究破片與沖擊波復(fù)合損傷的，如參考文獻(xiàn)[12-14]。根據(jù)天線類(lèi)型的不同又大體可分為反射面天線戰(zhàn)損和陣列天線戰(zhàn)損。其中陣列天線戰(zhàn)損研究的主要內(nèi)容為相控陣天線的損傷。

2　反射面天線的戰(zhàn)損研究

反射面天線的損傷主要包括三種損傷類(lèi)型[15]：饋源損傷、反射面變形和反射面穿孔。

2.1饋源損傷

在大多數(shù)研究天線戰(zhàn)損的文獻(xiàn)中，饋源都被假定是完好的，極少有單獨(dú)研究饋源損傷的。而參考文獻(xiàn)[16]則提出了對(duì)饋源損傷的研究，這是國(guó)內(nèi)第一篇對(duì)饋源損傷進(jìn)行研究的文獻(xiàn)。它研究了饋源穿孔毀傷后的輻射特性, 分析了饋源毀傷后對(duì)反射面次級(jí)輻射的影響，利用FDTD方法計(jì)算出饋源完好時(shí)以及損傷時(shí)的口徑場(chǎng)，并進(jìn)行了對(duì)比；利用PO和PTD混合算法計(jì)算了反射面天線的次級(jí)輻射特性，比較了饋源完好時(shí)和損傷時(shí)天線的次級(jí)輻射特性，并明確得出饋源損傷會(huì)直接影響反射面天線的次級(jí)輻射特性。參考文獻(xiàn)[15]對(duì)單孔以及雙孔饋源損傷進(jìn)行了仿真，給出了饋源破孔損傷時(shí)與饋源完好時(shí)天線性能對(duì)比的具體參數(shù)，并得出單孔損傷時(shí)天線方向圖不對(duì)稱(chēng)、主瓣寬度變寬方向性變差、增益變小副瓣抬高等結(jié)論。

2.2反射面變形

反射面變形主要考慮由沖擊波引起。參考文獻(xiàn)[9]通過(guò)對(duì)反射面天線的建模與仿真，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)對(duì)比分析了沖擊波在分別作用于天線的正面、側(cè)面以及反面時(shí)天線的方向圖。得出在相同距離下沖擊波在正面作用于天線時(shí)引起的毀傷最大。由參考文獻(xiàn)[17]可知，反射面變形時(shí)，變形位置和面積對(duì)電氣性能影響最大，且位置越靠近中心，變形面積越大，對(duì)天線性能影響越大。在參考文獻(xiàn)[13]中，由真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推出中心形變部分的反射面方程，推算出形變部分的輻射場(chǎng)，進(jìn)而得出整個(gè)變形天線的輻射場(chǎng)。改變位置和大小以觀察其形變后輻射場(chǎng)的改變，與完好時(shí)的輻射場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比得出副瓣抬高嚴(yán)重的結(jié)論，并給出邊緣變形會(huì)使方向圖不對(duì)稱(chēng)的結(jié)論。總之，天線變形對(duì)天線的性能影響較大，且暫時(shí)沒(méi)有好的修復(fù)措施。

2.3反射面穿孔

反射面穿孔一般由具有一定初速度的破片的侵入造成。國(guó)內(nèi)大部分關(guān)于雷達(dá)天線戰(zhàn)損的研究都是針對(duì)破片對(duì)天線造成影響的研究。破片的形狀和大小都是任意的，而在現(xiàn)有的研究中大都把破片的形狀理想化為圓形或者方形等規(guī)則圖形，具有一定的誤差，也為理論計(jì)算以及仿真研究提供了便利。

常用的反射面天線破孔的模型[6]，已知反射面天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射電場(chǎng)為：

(1)

由此可求出反射面上激勵(lì)的面電流密度分布,就可得出拋物面的輻射特性。根據(jù)物理光學(xué)近似,可得反射面天線表面的等效電流。由于損傷穿孔處沒(méi)有電流,電流只在其他完好表面區(qū)域存在, 因此只要式(1)中被積函數(shù)的電流部分改變?yōu)槭?2):

(2)

這樣即可通過(guò)改變破孔的位置和大小以及數(shù)量來(lái)改變損傷模型。圖1為典型破孔形狀[6]。

圖1　反射面天線典型破孔

肖疆[2-3]分別對(duì)反射面的損傷進(jìn)行了單孔以及多孔的研究。在孔徑以及孔的位置、孔的數(shù)量這些可變因素下具體分析了損傷天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性;并得出孔徑越大或者孔越靠近中心位置,增益下降越多, 副瓣電平提高越多，孔數(shù)越多,副瓣抬高越大, 但總體影響不明顯的結(jié)論。付世奇[4]在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了單孔損傷的修補(bǔ)方法研究，提出了三種有效的修補(bǔ)方法，并對(duì)三種方法進(jìn)行了比較，得出了在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下最簡(jiǎn)便實(shí)用的方法即在天線內(nèi)側(cè)面補(bǔ)上半徑略大于破孔的補(bǔ)片，這樣會(huì)引起一定的誤差且此誤差由補(bǔ)片的厚度決定。袁俊明[5]在前面的基礎(chǔ)上又著重研究了天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性隨著不同的破損密度的變化情況，結(jié)果表明只有在破損密度很大的情況下對(duì)增益的影響才比較顯著，說(shuō)明只單純依靠破片很難對(duì)天線造成嚴(yán)重的損傷。破片孔的尺寸、位置、密度是影響天線電氣性能的主要因素。對(duì)性能的影響主要表現(xiàn)在增益的降低、副瓣的抬高以及方向性變差這三個(gè)方面。它是戰(zhàn)場(chǎng)上主要的破壞因素。

3　陣列天線的研究

陣列天線不同于反射面天線的最主要的特點(diǎn)是：更好的方向性以及更強(qiáng)的輻射場(chǎng)強(qiáng)。陣列天線相當(dāng)于多個(gè)電磁波的疊加。其中最為特殊的是相控陣天線。下面主要分析相控陣天線的戰(zhàn)損。

3.1破片損傷

國(guó)內(nèi)最早研究相控陣破片損傷的是參考文獻(xiàn)[18]，建立了相控陣?yán)走_(dá)易損部件——天線和箱體的等效模型，得出了鎢球破片直徑越大, 擊穿雷達(dá)天線所需的殺傷動(dòng)能越大的結(jié)論，進(jìn)而推論出雷達(dá)易損部件對(duì)鎢球破片的抗毀傷能力隨著鎢球破片直徑的增大而顯著提高。參考文獻(xiàn)[7]從微觀的角度建立了靶板毀傷三維模型，具體分析了鎢球模型以及靶板模型的各項(xiàng)參數(shù)，認(rèn)為初速度對(duì)侵徹的影響中破片初速度越大所需殺傷動(dòng)能越大，與靶板的作用時(shí)間減少，鎢球和靶板的消蝕現(xiàn)象加劇。參考文獻(xiàn)[19]建立了破片式戰(zhàn)斗部對(duì)相控陣?yán)走_(dá)的毀傷評(píng)估模型，計(jì)算了破片式戰(zhàn)斗部作用下雷達(dá)各方向的易損性，結(jié)果表明天線陣面一側(cè)的毀傷效果最佳，并計(jì)算了某終點(diǎn)條件下脫靶面上的毀傷概率分布,得出相應(yīng)結(jié)論。

3.2沖擊波損傷

[20]采用理論分析方法研究爆炸沖擊波作用下天線罩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，采用實(shí)驗(yàn)方法研究爆炸沖擊波作用下天線罩及天線結(jié)構(gòu)的毀傷情況，獲得在不同強(qiáng)度沖擊波作用下天線罩和輻射單元的毀傷破壞規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值仿真的方法，利用有限元分析軟件 ANSYS，根據(jù)沖擊波載荷的毀傷特點(diǎn)，對(duì)天線的結(jié)構(gòu)等效模型在不同的沖擊波作用強(qiáng)度下進(jìn)行數(shù)值模擬。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象吻合較好。參考文獻(xiàn)[10]研究了炸藥安放不同位置下對(duì)靶板的破壞程度，根據(jù)炸點(diǎn)的位置給出一個(gè)概略的損傷程度。

3.3破片和沖擊波的復(fù)合損傷

[11] 研究相控陣?yán)走_(dá)天線罩在破片與沖擊波聯(lián)合作用下的復(fù)合毀傷效應(yīng)規(guī)律。參考文獻(xiàn)[12]研究了在不同時(shí)序下破片和沖擊波對(duì)靶板的復(fù)合影響，分別對(duì)破片先到?jīng)_擊波后到、沖擊波先到破片后到進(jìn)行了研究。經(jīng)過(guò)仿真分析得出破片與沖擊波作用的時(shí)序的不同對(duì)復(fù)合毀傷結(jié)果有很大影響的結(jié)論。

3.4輻射單元失效

[21]中，把失效的陣元幅度置“0”，對(duì)剩下的陣元進(jìn)行疊加得出天線方向圖；建立了相控陣天線的模型，并分別對(duì)均勻陣元失效、局部陣元失效以及完好時(shí)的天線進(jìn)行了仿真。得出以下結(jié)論：陣元失效越多，天線方向性系數(shù)下降越明顯，副瓣抬高；失效陣元數(shù)相同時(shí)，均勻失效比局部失效方向性系數(shù)下降得多，副瓣抬高得少；失效陣元數(shù)相同時(shí)，中心局部失效比邊緣局部失效的方向性系數(shù)下降得少, 最高副瓣抬高明顯。這些結(jié)論對(duì)相控陣戰(zhàn)損的研究有重要意義。

4　現(xiàn)存研究中的局限以及解決方法

在破片損傷的研究中，破片形狀規(guī)則且在同一次仿真中破片大小相同。然而在實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，破片形狀不規(guī)則，不能用規(guī)則的形狀相同的大小來(lái)代替。目前對(duì)于仿真的研究較成熟與普遍，而且有對(duì)于爆炸后彈體多方面的研究。可以根據(jù)爆炸后實(shí)際中破片的形狀與大小進(jìn)行建模與仿真，創(chuàng)建不同形狀、不同大小的破片數(shù)據(jù)庫(kù)，在同一次的仿真中仿真不同形狀、不同大小的破片損傷。在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的拓展，得出更貼近實(shí)戰(zhàn)環(huán)境的仿真結(jié)果，進(jìn)一步研究戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下如何簡(jiǎn)單高效地修復(fù)破孔。目前唯一對(duì)破孔損傷的修復(fù)方法僅僅是對(duì)圓形破孔的修補(bǔ)，可在此基礎(chǔ)上提出更多針對(duì)實(shí)際情況的修復(fù)方法。

變形對(duì)反射面天線造成的影響極大，而目前尚無(wú)很好的補(bǔ)償辦法。或可借鑒破片損傷的修復(fù)方法，根據(jù)天線的曲率制造從小到大各種尺寸的補(bǔ)片，在變形的位置上帖上相應(yīng)的補(bǔ)片，進(jìn)而對(duì)貼上補(bǔ)片的天線進(jìn)行仿真研究，得出修復(fù)效果以及存在的誤差等。

現(xiàn)有的對(duì)于相控陣天線的戰(zhàn)損研究較少，而隨著各項(xiàng)工藝技術(shù)的純熟，T/R組件的成本也將下降。由于相控陣的無(wú)慣性掃描、波束指向靈活、多波束同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同功能、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，它的戰(zhàn)損研究也將有重要的意義。在本文中將相控陣損傷的研究分為4種，而實(shí)際情況是復(fù)雜的，天線罩的損傷對(duì)輻射特性也存在影響。實(shí)戰(zhàn)情況下不排除破片沖擊波等對(duì)饋線造成的損傷。在后續(xù)的研究中，可全方位地考慮戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下對(duì)天線各個(gè)部位造成的損傷。由于相控陣天線各個(gè)振元幅度與相位可調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，在以后的研究中可利用此特點(diǎn)來(lái)調(diào)節(jié)相控陣天線的輻射特性。

5　結(jié)論

總的來(lái)說(shuō)，沖擊波對(duì)天線引起的損傷較大且較難修復(fù)。若沖擊波對(duì)天線的作用距離較遠(yuǎn)則不會(huì)造成太大的損傷。破片是戰(zhàn)場(chǎng)上對(duì)天線造成損傷的主要因素，是戰(zhàn)損研究的重要方面，但少數(shù)的破片不會(huì)造成太大的損傷。現(xiàn)存的破片與沖擊波對(duì)天線造成的復(fù)合損傷的研究具有重要價(jià)值，貼近戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境。總之，關(guān)于天線戰(zhàn)損的研究對(duì)實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)的天線損傷評(píng)估以及搶修具有一定的指導(dǎo)意義。

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Aerial battle damage status of domestic research

Dong Shenglan, Zhang Hongwei

(Department of Electronic & Optical Engineering, Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China)

Through analysis and study of aerial battle damage existing domestic literature, The antenna of battle damage is divided into reflector antenna and array antenna. The research on the array antenna is mainly for phased array antenna. In this paper, the limitations of the current research are presented and the solutions are given. Aerial battle damage research status and conclusions has an important significance for the battlefield environment antenna damage rating and repair.

radar antenna; battle damage; domestic situation

TP39

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.15.003

2016-03-04)

董盛藍(lán)(1992-)，女，碩士研究生，主要研究方向：天線損傷及修復(fù)。

張宏偉(1969-)，男，碩士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向：雷達(dá)信號(hào)處理、雷達(dá)性能測(cè)試與故障診斷。

引用格式：董盛藍(lán)，張宏偉. 天線戰(zhàn)損國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(15)：11-13,17.