一種便攜式機載雷達罩外場電性能測試系統

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(海軍航空大學青島校區，山東 青島 266041)

0 引言

機載雷達天線罩(雷達罩)是一種重要的飛機功能結構部件，一方面它使飛機保持良好的空氣動力性能，另一方面它又是雷達波束的“電磁明窗”，使雷達天線系統發揮理想的電性能。但是，機載雷達罩由于其特殊的使用環境(如高空、高速、室外、復雜氣象等)，難免會受到雨水侵蝕、雷擊、靜電燒灼、機械沖擊等因素影響，可能會造成雷達罩開裂、分層、穿孔、浸水等損害，這些損害不僅會影響雷達罩罩體的機械強度，帶來飛機載體的飛行安全附加隱患，還會影響著雷達罩電性能，造成雷達探測能力的下降[1-3]。

為了確保雷達罩電性能的有效發揮，必須定期開展對雷達罩的電性能測試。目前，人們對雷達罩的電性能測試常采用的測試方法有搜零法、電子定標法、動態電軸跟蹤法[4-6]，它們需要在微波暗室環境中進行，在有效控制收發天線與雷達罩的相對位置前提下，通過搭建信號發射模塊、天線控制模塊、控制處理部分組成的測試系統進行參數測試，此類方法投入設備復雜、成本高，而且存在定標曲線擬合誤差、接收天線尋零控制困難、測試范圍角度受限等問題，同時需要專業人員進行調試操作。此類測試場景和技術要求，不適合外場維護人員進行操作。

所以，有必要研究外場條件對天線罩電性能快速測試的便攜系統，在實際工程應用中，不需要將雷達罩搬運到微波暗室由專業人員進行測試，而直接由維修保障人員在工程現場測試，可節約寶貴的人力資源與測試時間。

1 系統設計

天線罩屬于超大電尺寸對象，其等效曲率半徑比雷達天線口徑的線度大，天線罩壁和天線間距通常在λ/2π～2D2/λ之間[7](λ為電磁波波長，D為天線口徑寬度)，既天線罩壁處于天線的輻射近區場內，在雷達罩外場維修保障過程中，主要關注發生局部損傷部位的電性能改變情況，所以可以對將天線罩局部損傷部位等效成平板天線罩。通過測試損傷部位的透波率、插入相位移相、介電常數、損耗角等電性能參數，然后與正常區域電性能參數相比較來確定損傷對電性能的影響[8-9]。所以，可以直接在工程現場采用等效平板測試技術，利用透射法來測量損傷部位的電性能指標[10]，然后與在同樣工程條件下測得的完好狀態的雷達罩電性能參數進行比較，即可判斷該部位的性能狀態、損傷情況。

1.1 功能需求

1)適合測試不同尺寸、形狀、結構的常規機載雷達罩。

2)測試系統可拼裝組合，在內場外場轉運移動便攜，拆裝方便。

3)可以對雷達罩電性能參數透波率、插入相移、介電常數、損耗角進行測量及數據處理。

4)可實現雷達信號發射天線、接收天線對準操作，操作過程便捷。

1.2 模塊組成

根據系統功能需求分析，系統模組成如圖1所示，主要分為輔助系統和測試系統兩部分。輔助系統主要包含天線罩支撐系統、天線旋轉和對準系統、天線支撐系統，輔助系統主要用來完成對雷達信號發射、接收天線、待測天線罩支撐固定與位置調整。測試系統主要包含雷達信號發生器、發射與接收天線、矢量網絡分析儀、數據處理計算機，測試系統主要用來產生、發射、接收雷達模擬信號，測量雷達信號透過雷達罩前后的相關電磁波參數變化情況，以此來推導出雷達罩電性能參數。圖2為測試系統總體外形架構，整個系統以可移動小車為安裝平臺，以實現測試系統在內外場的轉運，小車上架設一對可移動滑軌，方便調整收發天線位置，系統各構成模塊采用特殊機械連接結構，可以方便進行拆卸及拼接。

圖1 雷達罩外場電性能測試系統組成

圖2 雷達罩外場電性能測試系統架構

1.2.1 天線罩支撐系統

天線罩支撐系統主要用來支撐天線罩，并對天線罩的空間位置進行調節，以滿足對天線罩不同部位的測試需求。如圖3所示，天線罩支撐系統采用雙支架支撐，系統的高度、距離均可進行調節，并且系統可以在導軌上進行移動，支撐的高度的調節范圍為1～1.5 m。因此，可以固定和調節常見尺寸和形狀天線罩，且天線罩的位置可以在一定范圍內進行調節。

圖3 天線罩支撐系統設計圖

1.2.2 天線支撐系統

天線支撐系統主要用來支撐雷達信號發射天線和接收天線，以及調節發射和接收天線的相對位置。在測試過程中，雷達信號發射天線在雷達罩的內部，可通過調節手柄進行水平旋轉和豎直旋轉，接收天線在雷達罩的外部，可以通過水平支撐桿進行水平旋轉，兩者配合可實現對測試收發天線進行空間位置對齊調節，從而減小實際測試誤差。天線支撐系統主要用來固定天線支架，初步調節雷達天線空間位置。通過給天線加載支架，可以對天線進行上下、左右、俯仰調節。圖4為天線對支撐系統結構。

圖4 天線支撐系統示意圖

1.2.3 天線旋轉和對準系統

天線旋轉和對準系統主要完成對雷達發射和接收天線的精準位置調節。系統采用平面轉臺式設計，天線可以在轉臺上安裝拆卸并且可以進行180度旋轉，旋轉精度為2°，以實現天線對準的粗調節。在測試過程中，一個天線在雷達罩的內部，一個天線在雷達罩的外部，所以需要對測試天線進行對齊，從而減小測試誤差，通過給天線加載支架，可以對天線進行上下、左右、俯仰進行調節。天線對準位置的精準調節，采用博世公司的激光對準筆進行輔助調節。

1.2.4 矢量網絡分析儀

測量雷達天線罩電性能參數儀器使用矢量網絡分析儀，它是使用反射法或透射法檢測反射系數相位變化的關鍵設備。矢量網絡分析儀是一種能在寬頻帶內、高精度、快速地實現微波器件多參數測量的精密儀器，被廣泛應用于微波測試領域?？紤]到本系統主要用于外場現地條件下的測試，所以矢量網絡分析儀選用便攜式的產品，適合于現場使用的便攜式矢量網絡分析儀市場廠已有成熟產品，系統采用安立公司生產的MS2038C型便攜式網絡分析儀，該設備具有雷達罩以及介電材料現場試驗能力，因此可以作為現場電性能檢測的測量設備之一。

2 測試方案設計

2.1 測試環境及儀器

2.1.1 測試環境

測試系統使用環境為外場，不需要在微波暗室中進行。為了減小測試誤差，應該選擇場地較為開闊的區域進行測試，周圍應該減小金屬等的反射和其他雷達頻段電磁信號干擾。

2.1.2 測試儀器

矢量網絡分析儀1臺，喇叭天線1對，纜線1對，網絡分析儀校準件1套，計算軟件1臺，雷達信號發生器1臺，數據處理計算機1臺以及相應的系統搭建所需的工具。

2.2 電參數測試方案

測試前需要對雷達發射、接收天線進行對準操作，并校準矢量網絡分析儀。信號測量方式選用透射法，將被測雷達罩可視為二端口網絡，通過矢量網絡分析測量二端口網絡的散射參數S11和S21(幅值與相角)，經過數據處理得到透波率和插入相移等電性能參數。測試方案如圖5所示。

圖5 天線罩測試方案圖

2.2.1 透波率測試方法

透波率也稱功率傳輸系數，是雷達罩透波性能設計的主要參數，它直接影響雷達天線波束的副瓣高度、波束寬度等，因此制約著雷達的工作距離。透波率與折射率、入射角、介電常數等因數有關。透波率等于電磁波透過天線罩在電場遠區產生的最大場強值E1與無天線罩時在電場遠區產生的最大場強值E2之比的平方，透波率表達式如下：

(1)

透波率通過以下方法測量：首先測量雷達天線信號透過雷達罩時和只有雷達天線時的S21參數(dB)，然后將前后兩次測量S21參數相減，將dB形式換算為實數形式，并取平方，即可得到所需頻段的透波率，如式(2)所示。

(2)

式中，Pr是接收天線接收到的電磁波透過雷達罩后的信號功率，它的變化是由于天線罩所引起的電磁波的反射、衍射、吸收、折射等原因造成的[9]，P0是沒有雷達罩時接收天線接收到的信號功率。

2.2.2 插入相位移測試方法

插入相位移又稱插入相位延遲(IPD-Insertion Phase Displacement)，代表電磁波穿過天線罩任意一點的相位與天線罩摘下后電磁波穿過該點時的相位之差，IPD的產生會導致天線增益下降、波束偏轉等后果，因此也是天線罩電性能的基本參數之一。如式(3)所示，它主要與天線罩的物理厚度d和介電常數ε、波長λ、入射角θ有關，有時還需考慮天線罩多次反射的影響。

IPD=φ1-φ2=(2πd/λ)·(ε-sin2θ)1/2

(3)

插入相移通過以下方法測量：使雷達發射天線信號分別透過雷達罩讀取和不透過雷達罩，直接從矢量網絡分析儀上提取出有雷達罩和無雷達罩時每個頻率對應的相位φ1、φ2，將兩者相位直接相減，即可算出所對應頻段的插入相位移IPD。

2.2.3 介電常數與損耗角測試方法

雷達罩一般由多層材料組合而成，包括芯層、蒙皮以及膠膜等。每一種材料都對應不同的電磁參數，所以有必要研究雷達罩整體的等效電磁參數特性，而介電常數和損耗角正切能反映材料的電磁特性。

測試構成雷達罩的微波介質材料本文選用自由空間法。將電磁波等效為在自由空間傳播的平面波，且線極化均勻，入射方向與被測材料板面視為垂直。被測材料可等效為二端口網絡，電磁波對該網絡將產生反射和透射。測得二端口網絡的散射參數S11和S21，然后根據麥克斯韋電磁波方程[11]，結合由式(3)換算出介電常數和損耗角。

3 系統測試

機載雷達罩常采用蜂窩式A夾層結構，第一層和第三層一般為樹脂基碳纖維復合材料，第二層為泡沫類或蜂窩結構的復合材料，各層膠合在一起。制作A夾層結構的機載雷達罩實驗樣品，樣品由芯層、蒙皮以及膠膜等多層材料組合而成，測試其正常情況下與受到損傷時的電性能參數變化情況，以驗證測試系統測試的準確性。天線罩損壞類型采用穿孔損傷，對天線罩做穿透破壞，天線罩穿透孔徑半徑設置為18 mm，通過矢量網絡分析儀提取天線罩的S11參數和S21參數，分別計算不同頻率下的透波率、插入相位移、介電常數與損耗角，并將測試數據送至數據處理計算機進行處理顯示。

圖6為完好天線罩與天線罩罩壁穿透半徑為18 mm是透波率對比測試情況，圖7為完好天線罩與天線罩罩壁穿透半徑為18 mm插入相位移對比測試情況。從測試結果可以看出，當穿透半徑為18 mm時，透波率相比于完好天線罩的透波率下降了大約10%，相位移大約有5°的偏差，這與實際情況相吻合，透波率的下降是因為當穿透的孔徑比較大時，天線的-3 dB波束寬度會展寬，從而造成透波率的下降。

圖6 完好天線罩與天線罩罩壁穿透半徑為18 mm透波率

圖7 完好天線罩與天線罩罩壁穿透半徑為18 mm插入相位移

綜合以上測試結果，可見當天線罩出現穿孔時，當孔很小時，天線罩的電性能幾乎不變，當孔的大小相比擬于天線的口徑時，透波率會下降，這是因為天線的-3 db波束寬度會展寬，從而導致天線的增益降低，這也與理論分析結果相對應。

將石英氰酸酯材料制成介質板，將其作為測試樣品，首先在微波暗室中測試介質板在不同頻率下的介電常數和損耗角，如表1所示。然后，利用便攜式電性能測試系統測試介質板介電常數和損耗角，并將測試數據送至處理計算機進行顯示，如圖8～9所示。

表1 微波暗室測試介質板電性能數據

圖8 介電常數測試值

圖9 損耗角測試值

從測試結果可以看到，測得的介電常數值在2.9左右，損耗角正切值在0.015左右，通過與標準值進行比較，介電常數的測量誤差大約在19%左右，損耗角的值誤差很小。這主要是由于喇叭天線輻射的不是平面波、天線輻射的電磁波從平板天線罩的邊緣繞射以及矢量網絡分析儀本身的誤差造成的。

4 結束語

本文研究了外場條件下機載雷達罩現場測試方法與技術實現手段，設計構建了一種適用于多種尺寸機載雷達罩電性能測試系統，系統可靈活轉運、輕易拆卸以及天線對準操作方便，雷達罩測試位置可隨意調節。基于采用自由空間法研究了測試雷達罩電性能參數(透波率、插入相位移、介電常數)的測試方案，并推導了相應的公式通過對試驗天線罩的測試，驗證了系統可以方便的在工程現場條件實現雷達罩透波率和插入相移性的快速測量，測量結果準確。該系統若能夠實現工程應用，可為節省人力物力成本，為機載雷達罩的維修保障提供新的思路和措施，提升機載雷達罩的維修保障能力。