蛋卵形天線罩損傷性能測試方法研究

(海軍航空大學(xué) 青島校區(qū)，山東 青島 266041)

0 引言

為了保持良好的氣動外形和電磁波透波特性[1]，戰(zhàn)斗機(jī)火控雷達(dá)一般在飛機(jī)頭部采用蛋卵形天線罩[2]。戰(zhàn)斗機(jī)在起飛、降落過程中天線罩可能受到沙粒、顆石的擊打，在飛行過程中也可能受到雨滴、冰雹甚至鳥類的撞擊。這些都會對雷達(dá)罩造成物理損傷，從而影響天線罩的電磁透波特性，進(jìn)而影響火控雷達(dá)天線空間輻射特性，影響雷達(dá)的探測距離和目標(biāo)測量精度[3-4]。

為了掌握物理損傷對雷達(dá)天線罩電磁特性的影響，需要對損傷后天線罩的透波特性進(jìn)行測量，測量內(nèi)容包括天線罩不同方向透波一致性測試、損傷部位透波特性測試等內(nèi)容。由于機(jī)載火控雷達(dá)一般工作在X波段，典型工作頻率范圍為9～10 GHz，測試頻率范圍應(yīng)該覆蓋機(jī)載火控雷達(dá)的典型工作頻率范圍。

1 透波性能測試方法

天線罩的透波特性可以通過透波率和插入相位移來描述[5-6]。

透波率也稱為功率傳輸系數(shù)[7]，定義為：電磁波通過天線罩后在遠(yuǎn)場固定距離上的功率值Ps與天線罩不存在時同樣位置處功率值P0的比值，如式(1)所示。

(1)

插入相位移的定義為：電磁波通過天線罩后到達(dá)遠(yuǎn)場固定距離上的相位變化量φs與天線罩不存在時電磁波到達(dá)同樣位置處相位變化量φ0之間的差值，如(2)所示。

IPD=φs-φ0

(2)

直接對天線罩透波率和插入相位移進(jìn)行測量系統(tǒng)復(fù)雜[8]，測量步驟繁瑣[9]。為了提高天線罩透波特性測試效率，可以把發(fā)射天線和接收天線當(dāng)作一個雙端口網(wǎng)絡(luò)，通過測量兩端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)中s21分量間接獲得透波率和插入相位移的值。

對于一個雙端口微波網(wǎng)絡(luò)來說，設(shè)a1和a2為兩個端口的入射信號，b1為1端口反射信號，b2為2端口反射信號。那么b1和b2可通過下面式子進(jìn)行計算。

b1=s11·a1+s12·a2

(3)

b2=s22·a2+s21·a1

(4)

其中S參數(shù)4個分量的定義如下所示。

(5)

(6)

(7)

(8)

下面先來推導(dǎo)透波率與插入相位移與s21的關(guān)系表達(dá)式。在2端口無輸入即a2=0的情況下s21分量的值為：

(9)

根據(jù)透波率、插入相位移和S參數(shù)s21分量的定義，透波率、插入相位移的值可通過測量s21(或s12)得到。設(shè)天線罩不存在時S參數(shù)s21分量的值為(s21)0，存在天線罩時s21分量的值為(s21)s。那么透波率、插入相位移的值可以分別由下面兩式得到：

(10)

(11)

其中:ψ[·]為取相位運(yùn)算。

根據(jù)式(10)和(11)天線罩的透波率和插入相位移可以通過兩次測量S參數(shù)的s21分量得到。而微波網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)4個分量的測量可通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀完成，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以對s21分量的幅度和相位進(jìn)行計算并單獨(dú)顯示。并且由于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀具有記憶功能，它可以將當(dāng)前測量值記錄在內(nèi)存中，并與后續(xù)測量值進(jìn)行加、減、乘、除等操作。因此在兩次測量S參s21分量的過程中，將無天線罩的s21分量(s21)0的值記錄在內(nèi)存中，在測量存在天線罩s21分量(s21)s時，通過與內(nèi)存值的加、減、乘、除等操作可以得到天線罩的透波率和插入相位移。通過比較天線罩存在條件下和無天線罩條件下s21分量幅度比值可以獲得天線罩引起的透波率，根據(jù)s21分量相位差值獲得插入相位移。

2 測試電路及測試設(shè)備

測量電路連接關(guān)系如圖1所示，測試電路由發(fā)射和接收兩個喇叭口天線、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和連接射頻電纜組成。2個喇叭口天線通過射頻電纜分別與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口1和端口2相連。喇叭口1連接網(wǎng)絡(luò)分析儀端口1為發(fā)射天線，喇叭口2連接網(wǎng)絡(luò)分析儀端口2為接收天線。

圖1 測量系統(tǒng)電路連接圖

在測試電路中矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是最重要的測試儀器，系統(tǒng)選用的型號為中電41所的矢網(wǎng)AV3672B(10 MHz～26.5 GHz)。AV3672B為Windows 7中文操作系統(tǒng)，兼?zhèn)溆⑽牟藛芜x項(xiàng)，具有頻響、單端口、響應(yīng)隔離、全雙端口、TRL、電校準(zhǔn)等多種校準(zhǔn)方式。具有32個顯示窗口，每個窗口同時顯示8條軌跡。提供多達(dá)64個獨(dú)立測量通道，快速執(zhí)行復(fù)雜測試方案。具有對數(shù)幅度、線性幅度、駐波比、相位、群時延、Smith圓圖、極坐標(biāo)等多種顯示格式。具有時域分析、頻率偏移測量、一體化脈沖測量、增益壓縮二維掃描測量、混頻器/變頻器測量、有源互調(diào)失真測量、毫米波擴(kuò)頻等功能。重要的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 矢網(wǎng)AV3672B性能指標(biāo)

需要注意的時，為了減小矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量誤差，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量之前需要對其進(jìn)行校準(zhǔn)，矢網(wǎng)AV3672B的校正方式如表2所示，在本系統(tǒng)中需要選擇全二端口校準(zhǔn)方式，具體方法按照設(shè)備的提示步驟進(jìn)行。

為了實(shí)現(xiàn)對天線罩不同部位透波特性進(jìn)行測量，設(shè)計了天線罩傳動裝置，其結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖如圖2所示。通過傳動裝置天線罩可以實(shí)現(xiàn)前后平移、左右平移、上下升降和繞軸向的滾動。其中，前后平移和左右平移通過地面固定導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)，上下升降通過升降系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，繞軸向滾動通過橡皮輪實(shí)現(xiàn)。通過天線罩傳動裝置移動、升降和旋轉(zhuǎn)天線罩可以對空氣條件下和天線罩不同部位s21參數(shù)進(jìn)行測量。

表2 算法運(yùn)行時間比較

圖2 天線罩傳動裝置

在按照校準(zhǔn)操作提示對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)后，對天線罩某一固定部位透波率和相位移測量的具體方法如下所述：

1)根據(jù)需要測量天線罩部位的位置特點(diǎn)，通過操作天線天線罩傳動裝置調(diào)整天線罩的高度和位置、固定好天線罩的擺放位置，再根據(jù)天線罩的位置和姿態(tài)固定好喇叭口的位置；

2)按照圖1測量電路連接關(guān)系將兩個喇叭口天線和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個端口連接正確，設(shè)置好矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試頻段范圍；

3)首先測量沒有天線罩時的s21分量，通過天線傳動裝置在天線軸向上的前后移動使天線罩不遮擋兩個喇叭口天線，即兩喇叭口天線只透過空氣直接相對；

4)由于s21分量幅度和相位不能顯示在同一坐標(biāo)系中，透波率和相位移分開單獨(dú)測量，以測量透波率為例，測量對象選擇s21參數(shù)，顯示內(nèi)容選擇幅度，等畫面曲線顯示穩(wěn)定后將結(jié)果保存到內(nèi)存中；

5)通過天線罩傳動裝置前后移動和繞軸向轉(zhuǎn)動將天線罩測試部位恰好處于兩喇叭口天線中心連線上，再次測量s21參數(shù)，測量對象選擇s21參數(shù)，顯示內(nèi)容選擇幅度，并將顯示結(jié)果設(shè)置為“實(shí)時數(shù)值/內(nèi)存”(注意：如果測量插入相位移，顯示結(jié)果應(yīng)該設(shè)置為“實(shí)時數(shù)值-內(nèi)存”)，顯示結(jié)果如圖3所示。

圖3 9～10 GHz范圍內(nèi)某型天線罩透波率測試值

此時，得到的結(jié)果就是設(shè)置頻率范圍內(nèi)選定天線罩部位引起的透波率(或相位移)偏差。由圖3可以看出，由于天線罩的存在透波率隨頻率振蕩變化，趨勢為隨頻率增加而降低。

3 透波性能測試

3.1 天線罩損傷部位測試

雷達(dá)天線罩罩體收到外力撞擊引起形變甚至破損時，受損部位及周邊臨近區(qū)域的電磁波透波特性可能受到影響。為了獲取損傷對天線罩透波特性的影響，分別選取了天線罩完好區(qū)域、輕度受損和嚴(yán)重受損區(qū)域，如圖4所示。

圖4 不同損壞區(qū)域選擇位置

對3個區(qū)域不同點(diǎn)位的透波率和插入相位移分別進(jìn)行了測量，3個不同損壞程度區(qū)域的測量結(jié)果如圖5所示。由測試結(jié)果可以看出損傷區(qū)域中心對透波率影響不大，微損和破損區(qū)域中心的透波率與良好區(qū)域的透波率相比沒有明顯變化，而損傷與良好區(qū)域的結(jié)合部分透波率有明顯下降，最大點(diǎn)下降了8 dB。另外，無論是在良好區(qū)域還是損傷區(qū)域，匯流條區(qū)域透波率明顯下降(圖5中“良好”曲線的8點(diǎn)和“破損”曲線的9點(diǎn))。由圖5(b)可以看出，破損引起的插入相位移隨破損程度下降明顯，并且匯流條會減小插入相位移。

圖5 不同受損程度區(qū)域天線罩透波特性

3.2 方向一致性測試

為了測試天線罩物理損傷對天線輻射方向圖的影響，需要對天線罩透波特性的方向一致性進(jìn)行測量[10]。方向一致性測試包括橫向和軸向兩個方向上損耗一致性測試，如圖6所示。

圖6 天線罩軸向和橫向測量位置

分別在橫向一圈360°范圍上等間隔選擇36個點(diǎn)(每間隔10°一個測試點(diǎn))，而軸向上等間隔選擇20個點(diǎn)做為測試點(diǎn)，對透波率和插入相位移進(jìn)行測量，結(jié)果如圖7所示。

由圖7(a)和圖7(b)可以看出，物理損傷對天線罩橫向一致性存在一定的影響，透波率和插入相位移都隨著橫向角度變化而變化，透波的變化范圍為-2.52～-1.03 dB，而插入相位移的變化范圍為6.68°～18.7°。

由圖7(c)和圖7(d)可以看出，在軸向上天線罩透波一致性也受到了破損的影響，透波率和插入相位移都隨測試點(diǎn)位置變化，其中透波率的變化范圍為-5.23～-0.88 dB，而插入相位移的變化范圍為96°～138°。

圖7 透波一致性測量

4 結(jié)束語

物理損傷會影響天線罩的透波特性，通過對天線罩不同位置透波率和插入相位移的測量可以得到物理損傷對天線罩透波特性的影響。為了降低天線罩透波率和插入相位移測量的難度，引入了通過測量S參數(shù)s21分量間接測量透波率和插入相位移的方法。測量結(jié)果表明，天線罩透波率隨電磁波頻率的增加振蕩下行，破損區(qū)域中心透波率和插入相位移變化較小，而破損區(qū)邊緣的透波率和插入相位移變化較為為明顯。而且物理損傷也影響了天線罩透波方向一致性，無論是橫向上還是軸向上天線罩透波率和插入相位移都有明顯的變化，插入相位移的隨方向變化尤為明顯。