一種C型夾層雷達(dá)天線(xiàn)罩損傷后修補(bǔ)區(qū)域電性能計(jì)算方法

蔡承文，趙永鵬，李偉林

(1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210000 ；2.大連長(zhǎng)豐實(shí)業(yè)總公司，遼寧 大連 116000)

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一種C型夾層雷達(dá)天線(xiàn)罩損傷后修補(bǔ)區(qū)域電性能計(jì)算方法

蔡承文1，趙永鵬2，李偉林2

(1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210000 ；2.大連長(zhǎng)豐實(shí)業(yè)總公司，遼寧 大連 116000)

通過(guò)對(duì)某型飛機(jī)C夾層雷達(dá)天線(xiàn)罩分層損傷進(jìn)行修復(fù)，對(duì)修復(fù)區(qū)域的電性能影響進(jìn)行研究，通過(guò)理論計(jì)算修補(bǔ)區(qū)域電性能，論證修補(bǔ)工藝對(duì)雷達(dá)天線(xiàn)罩電性能的影響再誤差范圍內(nèi)。試驗(yàn)測(cè)試修補(bǔ)區(qū)域電性能進(jìn)行驗(yàn)證，以論證計(jì)算的正確性、工藝的可行性。通過(guò)試驗(yàn)表明，計(jì)算雷達(dá)天線(xiàn)罩修補(bǔ)區(qū)域的點(diǎn)厚度來(lái)保證雷達(dá)天線(xiàn)罩電性能的方法是可行的。

C夾層；雷達(dá)天線(xiàn)罩；修補(bǔ)；點(diǎn)厚度

雷達(dá)天線(xiàn)罩在軍用飛機(jī)、民航飛機(jī)、導(dǎo)彈等飛行器上廣泛使用，特別是C型蜂窩夾層雷達(dá)天線(xiàn)罩，由于其可以抵消單夾層結(jié)構(gòu)的多余反射，在飛行器上使用更為廣泛。隨著飛行器飛行小時(shí)的增加，在使用中的外力沖擊、濕熱環(huán)境以及制造缺陷，都會(huì)造成雷達(dá)天線(xiàn)罩玻璃纖維層與蜂窩層之間產(chǎn)生分層損傷，影響雷達(dá)天線(xiàn)罩的強(qiáng)度及電性能。而在常規(guī)修理過(guò)程中，由于原始材料已使用新材料代替，或原國(guó)外材料采用國(guó)產(chǎn)化替代，往往導(dǎo)致修補(bǔ)材料的電性能符合性無(wú)法保證。采用修補(bǔ)后測(cè)量的方法，浪費(fèi)人力物力，而且會(huì)對(duì)罩體造成二次損傷。劉瑩給出了多層介質(zhì)天線(xiàn)罩的數(shù)值分析方法[1]。通過(guò)對(duì)雷達(dá)天線(xiàn)罩的修補(bǔ)區(qū)域電厚度、插入相位誤差的計(jì)算，來(lái)初步論證修補(bǔ)區(qū)域電性能的符合性。修補(bǔ)完成后，對(duì)雷達(dá)天線(xiàn)罩進(jìn)行電性能檢測(cè)，驗(yàn)證推算方法的正確性。

1 修補(bǔ)區(qū)域電性能推算方法

電厚度又稱(chēng)傳輸誤差，是指電磁波在通過(guò)均勻介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)的幾何厚度、相對(duì)介電常數(shù)、入射角等對(duì)電磁波在介質(zhì)中傳播所產(chǎn)生的綜合影響。根據(jù)對(duì)某型飛機(jī)雷達(dá)罩修補(bǔ)前后的電厚度進(jìn)行計(jì)算，可理論上確定修補(bǔ)工藝對(duì)雷達(dá)罩電性能的影響，進(jìn)而論證雷達(dá)罩修補(bǔ)工藝的可行性。

圖1 C夾層結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)圖

(1)

其中，各元素通式為：

(2)

(3)

式(3)反映了在雷達(dá)罩介質(zhì)介電常數(shù)、法向幾何厚度、入射角、損耗角正切值等的影響下的電磁波傳輸特性，即為電厚度[2]。即：

(4)

式(4)，ψ為電厚度或波透過(guò)介質(zhì)的程差因子，θ0為電磁波入射角，λ0為電磁波波長(zhǎng)，h為雷達(dá)天線(xiàn)罩幾何厚度，εr為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)。ψ也就是電磁波通過(guò)厚度為h的介質(zhì)所產(chǎn)生的相位延遲。當(dāng)介質(zhì)為空氣時(shí)，εr=1，則：

因此，由雷達(dá)天線(xiàn)罩壁產(chǎn)生的插入相位誤差為：

(5)

式(5)即為雷達(dá)天線(xiàn)罩產(chǎn)生的插入相位誤差(IPD)。

如果復(fù)合材料是均勻和各項(xiàng)同性的，復(fù)合材料的相對(duì)介電常數(shù)、損耗角正切值與組份的相對(duì)介電常數(shù)、損耗角正切值得關(guān)系如下[3]：

(6)

(7)

以上兩式中，εm為混合材料的相對(duì)介電常數(shù)；εR為樹(shù)脂的相對(duì)介電常數(shù)；εF為增強(qiáng)纖維的相對(duì)介電常數(shù)；VR為樹(shù)脂的體積；VF為增強(qiáng)纖維的體積；tanδm為混合材料的損耗角正切值；tanδR為樹(shù)脂的損耗角正切值；tanδF為增強(qiáng)纖維的損耗角正切值。

C夾層結(jié)構(gòu)雷天線(xiàn)罩修理后自?xún)?nèi)蒙皮至蜂窩夾層結(jié)構(gòu)依次為三層SW-220A/3218預(yù)浸料，其性能指標(biāo)見(jiàn)表1。原某型飛機(jī)雷達(dá)天線(xiàn)罩自?xún)?nèi)蒙皮至蜂窩夾層結(jié)構(gòu)為三層SW-220A/5222預(yù)浸料，其性能指標(biāo)見(jiàn)表2。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)及損耗角正切值分別為1.052、2.2×10-3。從圖1可以看出，C型夾層結(jié)構(gòu)雷達(dá)天線(xiàn)罩修補(bǔ)區(qū)域僅限于內(nèi)蒙皮及第一層C夾層之間，因此，僅對(duì)修補(bǔ)區(qū)域修理前、后的混合介電常數(shù)及損耗角正切值進(jìn)行計(jì)算。

表1 SW-220A/3218預(yù)浸料介電常數(shù)及損耗角正切值

表2 SW-220A/5222預(yù)浸料介電常數(shù)及損耗角正切值

根據(jù)式(6)(7)，將表1、表2數(shù)值帶入，可計(jì)算出維修前雷達(dá)天線(xiàn)罩混合材料的介電常數(shù)及損耗角正切值(在計(jì)算時(shí)，各層的體積可用厚度替代，其中，預(yù)浸料厚度為0.3mm，蜂窩夾層厚度為6.6mm)分別εm前≈1.2468、tanδm前≈0.00283；修理后雷達(dá)天線(xiàn)罩混合材料的介電常數(shù)及損耗角正切值分別為εm后≈1.2475、tanδm后=0.00287。分別令εr=εm前、εr=εm后并代入(4)、(5)式，即可得到雷達(dá)天線(xiàn)罩修補(bǔ)前后的電厚度及插入相位延遲(中心頻率選擇為9.375GHz)，sinθ0∈(0,1)。

分別以0.05弧度為θ0的分度，畫(huà)出ψ前、ψ后的函數(shù)圖像，見(jiàn)圖2、圖3(由于兩函數(shù)圖像的相似度高，采用三維曲線(xiàn))。從圖2、圖3中可以看出，雷達(dá)天線(xiàn)罩修補(bǔ)前后的電厚度和插入相位誤差值均相差不大，幾乎沒(méi)有誤差。因此，可以確定修理方法的可行性。

根據(jù)式(4)(5)可以看出，當(dāng)材料固定，即介電常數(shù)εr不變；雷達(dá)波掃描角度固定，即θ0不變時(shí)，雷達(dá)罩的電厚度及插入相位誤差，僅與雷達(dá)天線(xiàn)罩的物理厚度h有關(guān)。這為雷達(dá)天線(xiàn)罩修復(fù)后進(jìn)行電性能矯正提供了方法，即可通過(guò)增加或減小修補(bǔ)區(qū)物理厚度的方法來(lái)保證電性能能符合要求，事實(shí)上，雷達(dá)天線(xiàn)罩的電厚度及插入相位誤差對(duì)雷達(dá)罩物理厚度較為敏感，在工程中進(jìn)行電性能修正，采用砂紙打磨的辦法進(jìn)行矯正，以表達(dá)雷達(dá)天線(xiàn)罩修補(bǔ)區(qū)域的電性能。

圖2 修理前、后電厚度曲線(xiàn)

圖3 修理前、后插入相位誤差曲線(xiàn)

2 修復(fù)區(qū)域電性能檢測(cè)

通過(guò)修補(bǔ)區(qū)域電性能推算方法，可初步判定雷達(dá)罩電性能符合要求。同時(shí)，根據(jù)該雷達(dá)天線(xiàn)罩特定損傷模式，制定簡(jiǎn)單的電性能的檢測(cè)方法，即可驗(yàn)證雷達(dá)天線(xiàn)罩電性能的特性。

雷達(dá)罩電性能測(cè)試手段較多，文獻(xiàn)[4]給出了介質(zhì)損耗的測(cè)量方法，文獻(xiàn)[5]給出了測(cè)試系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本次測(cè)量根據(jù)雷達(dá)天線(xiàn)罩損傷情況，雷達(dá)天線(xiàn)罩按軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，覆蓋修理區(qū)域未修理區(qū)域。因此，測(cè)試采用對(duì)比法，旋轉(zhuǎn)一周均勻選取72個(gè)測(cè)試點(diǎn)，發(fā)射天線(xiàn)、接收天線(xiàn)4m選取80個(gè)均勻測(cè)試點(diǎn)，記錄各點(diǎn)旋臺(tái)旋轉(zhuǎn)高度、發(fā)射天線(xiàn)高度、接收天線(xiàn)高度、場(chǎng)強(qiáng)大小。對(duì)修補(bǔ)區(qū)域和未修補(bǔ)區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，對(duì)比場(chǎng)強(qiáng)曲線(xiàn)與，驗(yàn)證修理工藝及雷達(dá)天線(xiàn)罩電性能符合性。

試驗(yàn)在電波暗室下進(jìn)行，頻率范圍在10KHz～18GHz范圍內(nèi)，內(nèi)置自動(dòng)控制轉(zhuǎn)臺(tái)，微波接收天線(xiàn)(可移動(dòng))，微波接收機(jī)，微波信號(hào)源選用安捷倫微波信號(hào)源，功率為30dB，頻率范圍0～18GHz，根據(jù)該型雷達(dá)罩工作環(huán)境，選取9.375GHz工作頻率。選用不同發(fā)射功率，通過(guò)3次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果通過(guò)曲線(xiàn)擬合，以驗(yàn)證電性能符合性，見(jiàn)圖4～6。

圖4 20dB發(fā)射功率電性能測(cè)試結(jié)果

圖5 25dB發(fā)射功率電性能測(cè)試結(jié)果

圖6 30dB發(fā)射功率電性能測(cè)試結(jié)果

圖4～6中上虛線(xiàn)分別為該雷達(dá)天線(xiàn)罩未修補(bǔ)區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)最大值和最小值，修補(bǔ)區(qū)域?yàn)?2°～216°范圍內(nèi)。不難看出，通過(guò)SW-280A/3218預(yù)浸料替代雷達(dá)天線(xiàn)罩原高溫固化環(huán)氧樹(shù)脂體系，電性能與雷達(dá)天線(xiàn)罩電性能一致，均勻性較好。較均勻是因?yàn)楸敬芜x用預(yù)浸料膠膜為已經(jīng)涂好的雙面膠膜，其均勻性比人為刷膠均勻性更好。

3 結(jié)論

通過(guò)雷達(dá)天線(xiàn)罩修補(bǔ)區(qū)域的電厚度及插入相位誤差的計(jì)算，整罩電性能試驗(yàn)，表面某型C夾層結(jié)構(gòu)雷達(dá)天線(xiàn)罩分別層損傷后的修補(bǔ)工藝可行，同時(shí)，這種計(jì)算電性能方法可運(yùn)用于雷達(dá)罩修復(fù)前材料的選擇。

[1] 劉瑩，謝擁軍.多層介質(zhì)天線(xiàn)罩的數(shù)值分析[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，(3).

[2] 李高生，明永晉. 天線(xiàn)罩等效傳輸線(xiàn)理論及應(yīng)用[J].通信技術(shù)，2014，(1).

[3] 張強(qiáng).天線(xiàn)罩理論與設(shè)計(jì)方法[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2014.

[4] 李振興.天線(xiàn)罩介質(zhì)損耗的精確測(cè)量[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2002，(1).

[5] 彭思平， 趙立， 梅國(guó)平，等.導(dǎo)彈天線(xiàn)罩IPD單喇叭測(cè)量?jī)x機(jī)械系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].航空精密制造技術(shù)，2010，(6).

[編校：楊 琴]

The Computing Method of Regional Electrical Properties for a Certain C-Sandwich Radome after Repairing damage

CAI Chengwen1,ZHAO Yongpeng2,LI Weilin2

1.NanjingInstituteofIndustryTechnology,NangjingJiangsu210000；2.DalianChangfengIndustrialCompany，DalianLiaoling116000)

Based on the result of repairing the delamination of C-sandwich radome of a certain type of aircraft, this paper studies the partial electrical properties after repairing damage. By calculating regional electrical properties, the authors have demonstrated that the repairing technology impacts electrical properties of radome within the error range. To prove the correctness of the algorithm and feasibility of the technology, the electrical properties of the radome were tested. The test shows that it is feasible to ensure the electrical properties of the radome by calculating the electrical thickness of the repaired radome.

C-sandwich; radome; repairing; electrical thickness

2015-07-01

蔡承文(1967- )，女，湖南吉首人，副教授,中級(jí)統(tǒng)計(jì)師,研究方向?yàn)閼?yīng)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)。

V243.2

A

1671-9654(2015)03-048-04