淺談雷達(dá)裂縫波導(dǎo)天線的防水密

封李云

摘 要：波導(dǎo)裂縫天線是一種典型的平面陣列天線，因其具有輻射效率高、方向性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。當(dāng)天線單元腔體存在縫隙時(shí)，往往會(huì)因?yàn)椤昂粑?yīng)”造成天線單元內(nèi)出現(xiàn)進(jìn)水現(xiàn)象，導(dǎo)致雷達(dá)出現(xiàn)故障。該文以某高機(jī)動(dòng)三坐標(biāo)雷達(dá)的波導(dǎo)裂縫天線單元為例，分析了天線單元形成縫隙的原因及進(jìn)水的機(jī)理，闡述了進(jìn)水的危害，并結(jié)合工程實(shí)踐，給出了合理的應(yīng)對(duì)措施。

關(guān)鍵詞：裂縫波導(dǎo) 縫隙 呼吸效應(yīng) 防水密封

中圖分類號(hào)：TN82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）02（b）-0090-02

Abstract： Slotted waveguide antenna is a antenna commonly adopted in radar. When there are gaps in antenna unit cavity， it will lead to water seepage in antenna unit because of respiration effect， thus causing radar malfunction. This paper analyses the reasons causing gaps in antenna unit and the theory of water seepage， stating its harm， and combining engineering practice， provides reasonable solutions.

Key Words： Slotted waveguide； Gap； Respiration effect； Waterproof sealing

隨著我國(guó)國(guó)防事業(yè)的不斷增強(qiáng)，雷達(dá)防御體系分布在全國(guó)各地，這些地區(qū)有些處于常年降水區(qū)，造成空氣濕度較大。而雷達(dá)上的波導(dǎo)裂縫天線是一種典型的平面陣列天線，因其具有輻射效率高、方向性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常由若干組天線單元組成。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，往往會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝等因素造成天線單元中存在進(jìn)水現(xiàn)象，這會(huì)給雷達(dá)正常使用帶來(lái)困擾。

1 進(jìn)水機(jī)理分析

下面以某高機(jī)動(dòng)三坐標(biāo)雷達(dá)的波導(dǎo)裂縫天線單元為例分析其進(jìn)水機(jī)理及應(yīng)對(duì)措施。圖1為某高機(jī)動(dòng)三坐標(biāo)雷達(dá)波導(dǎo)裂縫天線單元構(gòu)成圖，是一種典型的波導(dǎo)裂縫天線單元，由負(fù)載、線源組件、彎波導(dǎo)、波導(dǎo)變換4部分組成。

理想狀態(tài)下，負(fù)載、線源組件、彎波導(dǎo)、波導(dǎo)變換4部分連接在波導(dǎo)裂縫天線單元內(nèi)形成一個(gè)密閉空間，這是一種典型的密封腔體結(jié)構(gòu)。排除明顯的結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致進(jìn)水外，通常此類密封腔體往往會(huì)因?yàn)椤昂粑?yīng)”使腔體內(nèi)部由外向內(nèi)產(chǎn)生吸水現(xiàn)象[1]。

密封腔體內(nèi)的氣體壓強(qiáng)因溫度變化而變化，符合熱脹冷縮原理。由理想氣體狀態(tài)方程[2]可知：

式中，P為腔體內(nèi)氣體壓強(qiáng)，V為氣體體積，n為氣體量，R為氣體常量，T為熱力學(xué)溫度。

當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，氣體壓強(qiáng)也隨之變化。

當(dāng)腔體內(nèi)出現(xiàn)縫隙時(shí)，溫度變化引起的內(nèi)外壓差將促使氣體在縫隙流動(dòng)，最終達(dá)成平衡，如果外部縫隙或小孔附近存在液體時(shí)，液體便會(huì)被吸進(jìn)腔體內(nèi)部。假定夏天突發(fā)暴雨天氣時(shí)，天線單元表面溫度為50 ℃，雨水溫度為20 ℃，天線單元內(nèi)腔體體積為26 100 mL，則吸入腔體的雨量為：

=26 100 mL[1]

2 腔體縫隙的成因

盡管天線單元在完成生產(chǎn)加工后會(huì)通過(guò)充氣試驗(yàn)鑒定其密封性能，但往往由于結(jié)構(gòu)或工藝缺陷、材料老化、非正常使用等多種因素，導(dǎo)致使用一段時(shí)間后，天線單元會(huì)出現(xiàn)縫隙。在某高機(jī)動(dòng)雷達(dá)的30根天線單元使用5年后，對(duì)其進(jìn)行充氣檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)有22根線源存在不同程度的漏氣現(xiàn)象，只有8根合格。歸納分析主要有以下幾種成因。

（1）因外力造成天線單元表面損失或破裂。雷達(dá)在使用、運(yùn)輸、維修過(guò)程中，難免會(huì)因?yàn)榇中拇笠狻⒎欠ú僮?、保護(hù)不到位、意外等各種因素，形成對(duì)天線單元的磕碰，從而造成天線單元表面破損。

（2）封裝老化。線源組件由天線罩、裂縫波導(dǎo)等通過(guò)密封膠封裝形成。雷達(dá)一般架設(shè)于高山、海島，工作環(huán)境惡劣。天線單元長(zhǎng)期暴露于大氣之中，受高低溫交變的熱沖擊、長(zhǎng)期高能輻射、濕熱、鹽霧腐蝕等因素的影響，使膠接部位出現(xiàn)老化、疲勞損傷等情況，形成縫隙。

（3）焊接缺陷，例如砂眼、熱變形等。

（4）封裝缺陷。

3 進(jìn)水的危害

正常情況下，電磁波能量經(jīng)天線傳導(dǎo)后，以一定波形發(fā)射出去，經(jīng)目標(biāo)反射后形成回波，回波經(jīng)天線系統(tǒng)傳導(dǎo)，再由后端設(shè)備接收、處理后發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，雷達(dá)完成目標(biāo)探測(cè)。但是一旦天線單元內(nèi)出現(xiàn)進(jìn)水，由于水對(duì)電磁波能量的吸收，則會(huì)嚴(yán)重影響電磁波在天線系統(tǒng)中的傳輸，主要表現(xiàn)在：（1）大幅吸收微波信號(hào)，降低微波的傳輸性能；（2）腐蝕波導(dǎo)腔體并降低電擊穿強(qiáng)度，從而降低波導(dǎo)功率容量，易發(fā)生打火現(xiàn)象；（3）影響波束的行程形態(tài)，使波瓣發(fā)生畸變。

4 應(yīng)對(duì)措施

天線單元表面存在細(xì)小縫隙，使天線單元內(nèi)外因壓差出現(xiàn)空氣對(duì)流，因“呼吸效應(yīng)”形成吸水現(xiàn)象是天線單元進(jìn)水的根本原因。防水密封的措施可以從阻斷縫隙形成和消除壓差兩方面入手。一方面，在盡量提高工藝質(zhì)量的同時(shí)，盡量規(guī)范操作，減少由人為因素造成縫隙出現(xiàn)；另一方面，可以通過(guò)在天線單元合適部位加裝防水透氣閥，使天線單元內(nèi)外腔體在阻斷水流通的同時(shí)，不影響氣體流通，從而消除壓差。

防水透氣閥的核心為一層GORE-TEX薄膜，材料每平方寸有多達(dá)90億個(gè)小孔，孔徑是水滴的兩萬(wàn)分之一，因其良好的防水、防塵、防油的特性，在起到良好防水作用時(shí)，能很好地平衡腔體內(nèi)外壓力。通過(guò)在戶外照明燈具中的試驗(yàn)，當(dāng)溫度在1 200 s內(nèi)從65 ℃急劇降低至15 ℃時(shí)，會(huì)在罩殼的內(nèi)部形成明顯的真空，而安裝該透氣閥后，罩殼內(nèi)外的最大壓差只有45 mbar。

通過(guò)選型，某高機(jī)動(dòng)三坐標(biāo)雷達(dá)選用的防水透氣閥透氣能力為600 mL/min，從而在假定夏天突發(fā)暴雨天氣時(shí)，天線單元表面溫度氣溫由50 ℃驟降至20 ℃，通過(guò)上述計(jì)算，氣體流通量為26 100 mL，則平衡時(shí)間只需不到5 min。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用表明，效果非常理想，見(jiàn)圖2。

5 結(jié)語(yǔ)

天線在雷達(dá)系統(tǒng)中的作用不言而喻，只有在保證天線系統(tǒng)正常的情況下才能保證雷達(dá)的正常工作，因此天線單元的防水密封至關(guān)重要。而波導(dǎo)裂縫天線中的“呼吸效應(yīng)”更是一種自然現(xiàn)象，是受環(huán)境大氣因素影響的必然結(jié)果，天線表面的縫隙也為這一現(xiàn)象的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。在實(shí)際工程應(yīng)用中，只要采取合適的手段，就能很好地解決這一問(wèn)題，使天線單元具有良好的防水密封性能。

參考文獻(xiàn)

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