冰雪對(duì)大型陣列天線性能影響分析?

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

大型陣列天線的雨、冰、雪防護(hù)一直是陣列天線設(shè)計(jì)中的難題,通常采用加裝整體罩、天線單元饋電處加裝防護(hù)罩等方法進(jìn)行防護(hù),同時(shí)采用相應(yīng)的融冰雪措施[1]保證天線系統(tǒng)的性能。而整體天線罩和融冰雪裝置的啟用,必將大大增加陣列天線的制造成本和使用成本。為合理設(shè)計(jì),減少不必要的花費(fèi),必須評(píng)估冰雪覆蓋對(duì)大型陣列天線性能的影響。

陣面裹冰積雪對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的不利影響主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面:(1)影響陣列天線的電性能指標(biāo);(2)增加對(duì)雷達(dá)陣面結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度要求;(3)影響維護(hù)人員的操作安全。

我國(guó)幅員遼闊,不同區(qū)域的防護(hù)等級(jí)和惡劣氣候條件有所不同,在充分考慮到天線結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下[3],通過(guò)分析冰雪覆蓋對(duì)天線性能的影響,綜合評(píng)判該影響對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)性能影響[2]的程度,以便在雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采取合理的措施,優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 電磁波在冰雪介質(zhì)中的傳播特性

當(dāng)天線陣面覆蓋冰積雪時(shí),電磁波穿透冰、雪會(huì)導(dǎo)致電磁損耗的增加,而這種電磁損耗主要由電磁波在兩種不同媒質(zhì)中的反射損耗和有耗媒質(zhì)中的傳播損耗兩部分組成。

1.1 介質(zhì)中電磁波的傳輸特性

根據(jù)平面電磁波理論可知,均勻有耗介質(zhì)中的電場(chǎng)[4]可表示為

式中,α為電磁損耗因子,與電磁波頻率、介質(zhì)材料的介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率以及材料極化損耗特性有關(guān)。

1.2 有耗媒質(zhì)分界面的反射系數(shù)和傳輸系數(shù)

電磁波穿透不同介質(zhì)時(shí),會(huì)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象,考慮均勻平面波,且假設(shè)介質(zhì)分界面光滑平整,由于電磁波在分界面上具有連續(xù)性,因此當(dāng)入射波為垂直極化波時(shí),其反射波和折射波也是垂直極化波,同樣當(dāng)入射波為平行極化波時(shí),其反射波和折射波也同樣是平行極化波。設(shè)電磁波從介質(zhì)1(介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率為ε1,μ1)入射到介質(zhì)2(介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率為ε2,μ2),θi,θr,θt分別為入射角、反射角和透射角。

根據(jù)菲涅耳公式,對(duì)于垂直極化波,反射系數(shù)r⊥和傳輸系數(shù)t⊥[5-6]分別為

對(duì)于水平極化波,反射系數(shù)r∥和傳輸系數(shù)t∥分別為

式中,η1,η2為介質(zhì)1,2的波阻抗,表示為

邊界面沿Z方向的功率反射系數(shù)R和功率傳輸系數(shù)T為

可見(jiàn),兩種極化方式的能量流動(dòng)均能滿(mǎn)足能量守恒R+T=1,介質(zhì)的ε,μ差別越小,界面反射越低,進(jìn)入介質(zhì)2的能量越大;當(dāng)垂直入射即θi=0時(shí),垂直極化和平行極化的反射系數(shù)和透射系數(shù)對(duì)應(yīng)相等。

當(dāng)媒質(zhì)1,2為理想介質(zhì)時(shí),透射角θt為實(shí)角,

對(duì)于平行極化波,當(dāng)R=0,r∥=0時(shí)發(fā)生全透射,此時(shí)入射角θi為

此θi角稱(chēng)為布儒斯特角,不論ε1,ε2的大小,都會(huì)發(fā)生全透射,而對(duì)于垂直極化波,不會(huì)發(fā)生全透射現(xiàn)象。當(dāng)介質(zhì)2為有耗媒質(zhì)時(shí),透射角θt為復(fù)角,其等振幅面和等相位面一般不再重合,當(dāng)垂直入射時(shí),θt=0等振幅面和等相位面仍重合。

2 冰雪覆蓋對(duì)天線電性能的影響

大型天線陣列在結(jié)構(gòu)上可分為加裝整體天線罩結(jié)構(gòu)和不加裝整體天線罩結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)方式。加裝整體天線罩的天線陣列表面覆蓋冰雪狀態(tài)與電磁波在多層有耗媒質(zhì)中傳播模型相似,可通過(guò)有耗媒質(zhì)分界面的反射系數(shù)和傳輸系數(shù)仿真計(jì)算,得到天線陣列口徑面電磁信號(hào)的幅度、相位分布情況,再與天線陣初始口徑幅度、相位分布相比較,最終得到表面覆蓋冰雪狀態(tài)下天線陣列電性能的變化值。不加整體天線罩時(shí),冰雪直接覆蓋在天線單元和反射網(wǎng)表面,且裹冰、積雪模式復(fù)雜多變,難以通過(guò)電磁波在多層有耗媒質(zhì)中傳播模型進(jìn)行精確計(jì)算分析,因此,本文將天線陣面覆蓋的冰雪狀態(tài)等效為天線單元表面覆蓋冰雪和天線反射網(wǎng)表面覆蓋積雪兩個(gè)狀態(tài)分別進(jìn)行討論,建立較為簡(jiǎn)單的仿真模型。

2.1 分析模型

為防止天線單元饋電處短路,已假設(shè)單元饋電處用防護(hù)罩進(jìn)行了防護(hù)。在天線陣面不加防護(hù)罩時(shí),陣列天線表面覆蓋的冰雪可等效于天線單元的介質(zhì)加載,導(dǎo)致天線振子等效電長(zhǎng)度發(fā)生變化而影響天線振子的空間阻抗匹配;反射網(wǎng)表面覆蓋介質(zhì)材料也可導(dǎo)致單元輻射振子與反射網(wǎng)之間距離的電長(zhǎng)度變化,在影響天線單元阻抗匹配的同時(shí),還可導(dǎo)致天線單元波束寬度發(fā)生變化,從而影響天線的輻射效率。

影響程度主要與冰雪的復(fù)介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、工作頻率和天線冰雪厚度有關(guān),而電磁傳播損耗主要受加載材料的損耗因子等因素影響,阻抗失配損耗主要由加載材料的介電常數(shù)決定。因此,在仿真分析中,只要根據(jù)天線系統(tǒng)工作環(huán)境的變化,將天線陣面可能的裹冰狀態(tài)進(jìn)行分析,給出天線性能相應(yīng)的變化范圍,以確定系統(tǒng)指標(biāo)變化情況,為系統(tǒng)的使用提供決策。

2.2 介質(zhì)參數(shù)提取

作為一種有耗介質(zhì)材料,純凈的冰是一種電介質(zhì),其電磁傳播特性主要與冰介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)相關(guān),而復(fù)介電常數(shù)又與介質(zhì)的溫度、冰的張馳頻率、工作頻率、相對(duì)電導(dǎo)率等因素有關(guān)[7],準(zhǔn)確計(jì)算較為復(fù)雜,工程中常用以下公式計(jì)算冰的復(fù)介電常數(shù)

式中,實(shí)部ε′=3.2為冰的相對(duì)介電常數(shù),σ=5.7×10-5為冰的相對(duì)電導(dǎo)率,c為光速,f為頻率。

冰的損耗角正切tan(δ)=ε″/ε′。電磁波在介質(zhì)材料中的傳播波長(zhǎng)為

考慮到實(shí)際環(huán)境中降雨和降雪中帶有一些塵?；?qū)щ婋x子,實(shí)際電導(dǎo)率和損耗因子有一定增加。

從目前工程應(yīng)用分析,自然條件下冰的相對(duì)介電常數(shù)為3.2,損耗角正切約為0.005,相對(duì)磁導(dǎo)率為0.9991。

3 設(shè)計(jì)舉例

為驗(yàn)證裹冰和積雪對(duì)天線性能的影響機(jī)理,我們通過(guò)一個(gè)工作在米波段(50～75 MHz頻段)的20×20單元規(guī)模雙極化平面陣列天線設(shè)計(jì),從天線陣面裹冰、積雪對(duì)天線單元有源阻抗影響以及天線增益變化兩個(gè)方面進(jìn)行討論。給出相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)建議。天線陣列與天線單元結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 天線陣列與天線單元結(jié)構(gòu)示意圖

為了方便分析比較,天線單元裹冰狀態(tài)分為以下三種典型狀態(tài)進(jìn)行分析:(1)天線單元輻射振子表面裹冰10 mm+反射網(wǎng)表面覆冰10 mm;(2)天線單元輻射振子表面裹冰20 mm+反射網(wǎng)表面覆冰20 mm;(3)天線單元輻射振子表面裹冰20 mm+反射網(wǎng)表面覆冰100 mm。

3.1 天線單元有源駐波仿真

我們采用電磁仿真軟件,對(duì)天線單元和陣面反射網(wǎng)在表面裹冰10 mm,20 mm以及反射網(wǎng)積雪100 mm三種狀態(tài)的有源阻抗匹配進(jìn)行了仿真計(jì)算,圖2給出了不同裹冰狀態(tài)下天線單元在方位面典型掃描角的有源駐波變化曲線;圖3給出了不同裹冰狀態(tài)下天線單元在俯仰面典型掃描角的有源駐波變化曲線。

從有源駐波變化曲線分析,天線單元裹冰狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致有源駐波的變化,直接影響系統(tǒng)損耗。當(dāng)掃描小時(shí),影響不大;隨著掃描角度的增大,阻抗失配越來(lái)越嚴(yán)重;天線單元阻抗失配程度與單元振子裹冰厚度關(guān)系成正比例關(guān)系。

圖2 不同裹冰狀態(tài)下天線單元在方位面典型掃描角的有源駐波

圖3 不同裹冰狀態(tài)下天線單元在俯仰面典型掃描角的有源駐波

3.2 天線增益仿真

通過(guò)對(duì)不同裹冰狀態(tài)下天線陣列的各掃描波束的增益進(jìn)行了仿真計(jì)算,計(jì)算結(jié)果在圖4中給出。從圖4可知,天線單元振子表面裹冰厚度越大,大角度掃描的有源阻抗失配越大,天線增益損失越大。

從天線陣列掃描狀態(tài)波束增益仿真曲線分析,由于裹冰狀態(tài)導(dǎo)致的輻射振子與反射板距離的變化及損耗影響,導(dǎo)致天線單元波束增益發(fā)生變化,對(duì)于小角掃描陣列,天線增益變化小于0.5 dB,對(duì)于大角掃描狀態(tài),天線增益最大變化為0.8 dB(高頻段約為1.2 dB)。

圖4 天線增益仿真計(jì)算(中頻)

3.3 仿真結(jié)果分析

通過(guò)上述仿真結(jié)果可知,由于天線陣面在不同裹冰、積雪狀態(tài)下電性能受影響程度是不同的,特別是波束天線增益和單元駐波系統(tǒng)損耗方面,且有較強(qiáng)的頻率響應(yīng)規(guī)律,對(duì)其他電性能(天線陣列波束指向、副瓣電平、波束寬度)影響不大;從雷達(dá)系統(tǒng)角度分析,當(dāng)裹冰厚度為20 mm、反射網(wǎng)表面覆冰100 mm時(shí),在方位角±45°內(nèi)探測(cè)距離最大縮減比例為5.59%,在方位角±60°內(nèi)探測(cè)距離最大縮減比例約為10%;當(dāng)裹冰厚度為10 mm、反射網(wǎng)表面覆冰10 mm時(shí),在方位角±60°內(nèi)探測(cè)距離最大縮減比例約為5%;滿(mǎn)足系統(tǒng)使用要求。不用專(zhuān)門(mén)加裝陣面除冰雪設(shè)備。

4 結(jié)束語(yǔ)

在大型天線陣列的研制、生產(chǎn)及使用過(guò)程中,只要保證天線陣面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,同時(shí)根據(jù)裝備使用陣地的氣候特征,進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)仿真,給出不同氣象條件設(shè)備性能指標(biāo)變化范圍,并根據(jù)不同氣候條件選用相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略(如改變工作頻點(diǎn)等),可最大限度保證設(shè)備的使用效率,同時(shí)可以省略復(fù)雜的陣面處冰雪設(shè)備,降低設(shè)備研制生產(chǎn)成本和使用成本,提高設(shè)備的效費(fèi)比。

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