面向?qū)崙?zhàn)化的某型北斗設(shè)備高性能天線罩設(shè)計(jì)*

寇海軍，張振華，亓 昌，劉建生，翁志能

（1.北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006；2.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024）

0 引言

2020 年6 月隨著第30 顆北斗3 號(hào)組網(wǎng)衛(wèi)星的成功發(fā)射，完成了北斗3 號(hào)系統(tǒng)空間段組網(wǎng)，空間段的順利組網(wǎng)及地面段的升級(jí)改造，北斗系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了星間鏈路和星地鏈路的聯(lián)合組網(wǎng)，進(jìn)一步提升了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)能力［1］。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為陸軍綜合電子信息化的重要組成部分，對(duì)陸軍綜合作戰(zhàn)、精細(xì)保障等作戰(zhàn)能力的提升具有重要作用。

我軍的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的接收設(shè)備分為手持、車載和嵌入式，車載式終端應(yīng)用于我軍多型主戰(zhàn)和保障裝備上。為了便于無(wú)遮擋接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的無(wú)線電導(dǎo)航信號(hào)，車載型北斗信號(hào)接收終端置于各型裝備的頂部。隨著精確制導(dǎo)打擊能力的發(fā)展，制導(dǎo)彈藥對(duì)武器裝備的威脅等級(jí)逐步提升，惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)作戰(zhàn)裝備使用需求提出了更高的要求［2］。為了加快陸軍相關(guān)裝備適應(yīng)新型號(hào)體制，并根據(jù)陸軍相關(guān)裝備的研制論證要求，現(xiàn)有車載北斗接收終端的常規(guī)天線罩已無(wú)法適應(yīng)新型作戰(zhàn)防彈需求，在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下提高其抗毀傷能力，并同時(shí)保持高效的信號(hào)接收性能，已成為新一代信息化北斗裝備研制的新研究課題。開發(fā)高透波、抗毀傷、輕量化型天線罩的需求越發(fā)迫切。

為了適應(yīng)某新型在研北斗裝備的研制需求，結(jié)合復(fù)合材料的電磁透波特性理論研究、電氣仿真、試驗(yàn)研究，提出了一種高性能防彈天線罩設(shè)計(jì)方法，該天線罩具備一定戰(zhàn)場(chǎng)抗毀傷性能，同時(shí)在工作的無(wú)線電頻段范圍內(nèi)具有優(yōu)異的透波性能。針對(duì)不同透波復(fù)合材料，進(jìn)行了材料電氣性能分析，通過(guò)對(duì)不同厚度復(fù)合材料的透波性能測(cè)試，明確了材料厚度與透波電性能的關(guān)系，同時(shí)通過(guò)對(duì)新型復(fù)合材料的實(shí)彈測(cè)試，驗(yàn)證了其防彈性能。通過(guò)理論、仿真及試驗(yàn)等綜合技術(shù)手段，驗(yàn)證了該新型防彈天線罩結(jié)構(gòu)的實(shí)戰(zhàn)化應(yīng)用性能。

1 天線罩應(yīng)用需求

1.1 天線罩戰(zhàn)場(chǎng)毀傷威脅及防護(hù)要求

北斗接收設(shè)備最大的威脅是來(lái)自于戰(zhàn)場(chǎng)中各種爆炸物的打擊或沖擊波高溫高壓氣流沖刷等多種形式破壞，新研制北斗設(shè)備未來(lái)會(huì)列裝于陸軍多型主戰(zhàn)裝備，陸戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下天線罩受到的毀傷威脅及需天線罩具備的防護(hù)要求分析如表1 所示。

表1 北斗設(shè)備毀傷威脅及天線罩防御等級(jí)Table 1 Beidou equipment damage threat and defense grade of radome

1.2 天線罩功能及作用

天線罩作為天線系統(tǒng)的重要組成部分，其不僅提供透明電磁窗口，且保護(hù)內(nèi)部射頻組件免受惡劣環(huán)境影響，使北斗設(shè)備工作性能穩(wěn)定可靠。戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，天線罩用來(lái)保護(hù)北斗設(shè)備免受各種爆炸碎片的直接或間接破壞。因此，在新型北斗設(shè)備研制階段，提出兼具一般環(huán)境適應(yīng)性和抗彈毀傷能力的防彈天線罩設(shè)計(jì)需求。

天線罩對(duì)射頻組件形成防護(hù)作用，同時(shí)也成為射頻天線前方天然的障礙物，改變射頻天線的自由空間能量分布，一定程度上影響了設(shè)備對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的接收和發(fā)射［3］。北斗設(shè)備對(duì)于無(wú)線電信號(hào)的接收性能也是北斗設(shè)備的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。因此，北斗設(shè)備天線罩在設(shè)計(jì)階段，既需要考慮其防彈性能，同時(shí)還必須兼顧其具有優(yōu)異的電器性能。

綜上，兼顧北斗新型設(shè)備的防護(hù)和使用需求，天線罩在設(shè)計(jì)時(shí)，需要統(tǒng)籌考慮其功能，防彈和透波性能。

2 防彈天線罩設(shè)計(jì)

天線罩設(shè)計(jì)頭緒較多，但主要問(wèn)題是如何優(yōu)先滿足天線罩的電性能，其次滿足其防護(hù)性能。天線罩的電性能、結(jié)構(gòu)性能和工藝材料相互關(guān)聯(lián)又相互制約，需統(tǒng)籌考慮，協(xié)同設(shè)計(jì)，尋求一種最佳的設(shè)計(jì)方案［4-5］，需通過(guò)充分的理論分析、仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)。

2.1 天線罩結(jié)構(gòu)

根據(jù)新型北斗設(shè)備的研制需求，整機(jī)主要包括：防彈天線罩、陣列天線組件、防彈殼體及安裝過(guò)渡板等幾大功能性結(jié)構(gòu)模塊，如圖1 所示。整機(jī)設(shè)計(jì)為扁平圓柱狀結(jié)構(gòu)形態(tài)，可有效減小設(shè)備的投影面積，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗爆毀傷性能。

為了適應(yīng)裝備的設(shè)計(jì)形態(tài)，防彈天線罩設(shè)計(jì)為頂部略帶弧度的穹型圓頂結(jié)構(gòu)，可有效降低天線罩由于雨水附著帶來(lái)的接收電磁信號(hào)的散射損失。為了有效保證天線罩的防彈性能及由于厚度不均勻凸起引起高頻能量信號(hào)的繞射和反射，天線罩設(shè)計(jì)時(shí)盡量保持天線罩壁厚較為均勻一致，天線罩外形如圖2 所示。

圖2 防彈天線罩外形示意圖Fig.2 Sketch map of outward appearance of bulletproof radome

2.2 材料選型

為了高效、可靠地滿足透波需求，一般要求材料具有優(yōu)異的介電性能，即要有低的介電常數(shù)（ε＜10）和損耗角正切值（tanδ＜10-2），材料的這兩個(gè)性能指標(biāo)直接影響天線罩的電性能，是選擇天線罩材料的主要依據(jù)。一般情況下，在0.3 GHz～300 GHz 頻率范圍內(nèi)，透波材料的適宜值ε 為1～4，tanδ 值為0.1～0.001，這樣才能獲得較理想的透波性能和較小的傳輸損耗［6］。對(duì)于接收北斗無(wú)線電波段信號(hào)的北斗設(shè)備，纖維增強(qiáng)有機(jī)耐熱樹脂基復(fù)合材料，以其優(yōu)異的電氣性能和機(jī)械性能，受到廣泛關(guān)注及應(yīng)用。

透波高分子復(fù)合材料應(yīng)用較成熟的有玻璃纖維、芳綸纖維和UHMWPE。玻璃纖維天線罩戰(zhàn)場(chǎng)防護(hù)能力欠佳極易被破壞，裝備生存能力低。芳綸纖維和UHMWPE 兼具優(yōu)異的透波和防彈性能。表2列舉了不同纖維材料的物理參數(shù)以及在頻率為9.375 GHz 時(shí)的電性能［7］，分析可知：芳綸纖維和UHMWPE 不管在材料輕量化、機(jī)械強(qiáng)度及電性能方面表現(xiàn)出一定綜合優(yōu)勢(shì)。從使用環(huán)境考慮，制造天線罩的透波材料應(yīng)具有良好的耐高溫和耐腐蝕性能。新型北斗設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性要求設(shè)備的貯存溫度：-55 ℃～+70 ℃，工作溫度：-40 ℃～+55 ℃。UHMWPE 材料成型結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境下，會(huì)有一定高溫軟化特性，影響其一定防彈性能。因此，綜合比較芳綸材料的綜合性能較優(yōu)。

表2 不同纖維材料的物理和介電參數(shù)比較Table 2 Comparison between physical and dielectric parameters of different fiber material

2.3 天線罩壁厚

罩壁厚度與天線罩的透波能力反相關(guān)，而與天線罩的防彈能力正相關(guān)。設(shè)計(jì)天線罩時(shí)，滿足設(shè)備對(duì)其電器性能的需求應(yīng)作為首要考慮要素。在電性能上，壁厚的選擇應(yīng)根據(jù)工作波長(zhǎng)、所用材料等在電氣和結(jié)構(gòu)性能上互相兼顧。設(shè)計(jì)均質(zhì)單層結(jié)構(gòu)天線罩時(shí)，無(wú)損耗介質(zhì)的最佳厚度計(jì)算公式可參照［8］：

其中，d 為天線罩的最佳理論厚度，n 為正整數(shù)，階數(shù)一般取1 或2，為自由空間波長(zhǎng)，ε 為相對(duì)介電常數(shù)，θ 為入射角。由上式可知，n 值越小，則天線罩壁厚越薄，當(dāng)n=1 時(shí)，稱為半波長(zhǎng)天線罩，對(duì)應(yīng)于2～10 介電常數(shù)的最佳厚度如圖3 所示。

圖3 無(wú)損耗介質(zhì)的最佳半波長(zhǎng)壁厚Fig.3 Best wall thickness of half-wave length without consumed media

衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備的頻點(diǎn)有多個(gè)，北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻點(diǎn)波段波長(zhǎng)從11.8 cm～25.5 cm，其半波長(zhǎng)為5.9 cm～12.7 cm。衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備的尺寸一般較小，因此，通常采用薄壁天線罩結(jié)構(gòu)形式，天線罩厚度取波長(zhǎng)的，即天線罩厚度約為mm。防彈天線罩材料選用芳綸Ⅲ纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，天線罩壁厚適宜取約3 mm～6.5 mm。

3 芳綸Ⅲ纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板透波仿真及試驗(yàn)

3.1 芳綸板電性能仿真

基于以上分析的天線罩理論壁厚，應(yīng)用Ansys HFSS 電磁仿真軟件，分別對(duì)厚度為4、5、7（mm）3種不同厚度的芳綸Ⅲ纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板進(jìn)行了透波仿真分析，并對(duì)天線罩所使用的頻段1 GHz～2.5 GHz 進(jìn)行了透波性分析，仿真結(jié)果見圖4。分析知，7、5 和4（mm）厚芳綸板在2.5 GHz 頻率下的插損數(shù)值為1.72、1.20、0.93（dB）。隨著板壁厚度的增加在使用頻率1 GHz～2.5 GHz 內(nèi)芳綸板板插損值也隨著增加。

圖4 不同厚度的芳綸Ⅲ材料板插入損耗Fig.4 Insert consupmtion of aramid iii material board with different thickness

3.2 芳綸板電性能測(cè)試

依據(jù)理論推導(dǎo)和仿真分析結(jié)果，并結(jié)合實(shí)際情況選取5 種厚度的標(biāo)準(zhǔn)芳綸板開展插入損耗試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)參照GJB 7954-2012《雷達(dá)透波材料透波率測(cè)試方法》的測(cè)試和計(jì)算方法，并借鑒天線透波性能的測(cè)試方法，通過(guò)測(cè)試在有阻和無(wú)阻隔兩種不同狀態(tài)下天線收發(fā)性能損耗，確定不同厚度材料標(biāo)準(zhǔn)板的透波性能。測(cè)試系統(tǒng)由射頻子系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析采集及處理系統(tǒng)等組成［9］，測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖5 所示。透波率測(cè)試是分別在有材料阻隔和無(wú)材料阻隔的情況下，測(cè)出同一發(fā)射裝置在空間同一距離處輻射產(chǎn)生的電磁場(chǎng)強(qiáng)度，即在準(zhǔn)平面波照射下，通過(guò)檢測(cè)信號(hào)源輻射經(jīng)過(guò)材料后的接收能量衰減（以dB 表示），計(jì)算不同頻率下的材料板透波率。

圖5 芳綸材料板電氣性能試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)Fig.5 Electrical performance test system of aramid material board

通過(guò)在指定頻率范圍內(nèi)選取不同頻點(diǎn)下測(cè)試不同厚度試驗(yàn)板的插入損耗值，確定不同厚度芳綸板的透波性能。試驗(yàn)主要針對(duì)4 mm～8.5 mm 厚度范圍內(nèi)的新型芳綸Ⅲ型復(fù)合纖維材料板進(jìn)行了測(cè)試，由于天線自身輻射圖的性質(zhì)，不同頻點(diǎn)對(duì)天線增益的影響不完全一致，如圖6 所示為試驗(yàn)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。

圖6 透波材料板電氣性能試驗(yàn)示意圖Fig.6 Sketch map of electrical performance test of wave transsive material board

電性能測(cè)試數(shù)據(jù)見下頁(yè)表3，排除電性能試驗(yàn)的測(cè)試誤差及加工精度方面的誤差，由表3 知，各厚度芳綸Ⅲ纖維板中，4 mm～6 mm 厚度的芳綸板不同頻率點(diǎn)處的插入損耗基本處于0.4 dB～0.6 dB 之間，隨著板厚的增加材料板電磁波插入損耗逐漸增大，材料透波性能逐漸劣化。插入損耗值小，透波能力強(qiáng)，從測(cè)試結(jié)果可以看出，天線罩材料厚度越厚對(duì)不同頻率的電磁波透波性劣化越嚴(yán)重。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論分析，天線罩壁厚宜取4 mm～6 mm，在衛(wèi)星導(dǎo)航的各個(gè)頻段具有較好的綜合透波性性能，可滿足北斗天線對(duì)北斗信號(hào)的接收需求。

表3 不同厚度芳綸Ⅲ復(fù)合纖維材料板透波性能損耗測(cè)試結(jié)果（dB）Table 3 Wave transmissivity consumed test results of aramid Ⅲcompound fiber material board with different thickness

4 芳綸Ⅲ纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板抗彈性能測(cè)試

通過(guò)理論、仿真及試驗(yàn)分析，測(cè)定了不同厚度下芳綸板的透波能力，結(jié)論表明越薄的材料板其對(duì)電磁信號(hào)的阻隔率越小，透波性能越好，但板料越薄其防彈性能會(huì)越差。研究設(shè)計(jì)的天線罩既要有優(yōu)異的透波性能，滿足使用需求，同時(shí)還需兼具一定防護(hù)性能。結(jié)合不同厚度芳綸板的電性能分析，通過(guò)試驗(yàn)方式測(cè)定了不同厚度芳綸材料板的抗彈性能。試驗(yàn)依據(jù)GJB4300-2012《軍用防彈衣安全技術(shù)性能要求》開展，抗彈試驗(yàn)示意圖如圖7 所示［10］。

圖7 抗彈貫穿試驗(yàn)示意圖（GA 950-2011）Fig.7 Sketch map of bullet resistance through the test

試驗(yàn)在常溫條件下開展，共測(cè)試了4、5、6 mm 3種厚度芳綸Ⅲ樣品的V50 破片彈道極限值，經(jīng)測(cè)定3 種板厚的V50 值分別為439 m/s、472 m/s、572 m/s。芳綸板在彈體沖擊時(shí)，由于纖維材料的變形與斷裂、基體的變形與碎裂，以及材料的局部變形與破壞吸收了沖擊動(dòng)能，有效阻止了彈片侵入［11］。經(jīng)測(cè)定6 mm（實(shí)測(cè)厚度5.84 mm，面密度8.1 kg/m2）芳綸Ⅲ復(fù)合板滿足GJB4300-2012 規(guī)定中Ⅰ級(jí)防破片性能（≥531 m/s），試驗(yàn)結(jié)果如表4 和下頁(yè)圖8 所示。

圖8 6 mm 芳綸板V50 實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.8 V50 test results of aramid board of 6 mm

表4 6 mm 芳綸Ⅲ特種復(fù)合材料板V50 檢測(cè)結(jié)果Table 4 V50 test results of specific compound material board of aramid iii of 6mm

上述測(cè)試結(jié)果表明，戰(zhàn)場(chǎng)使用環(huán)境下，采用6 mm厚度芳綸Ⅲ特種復(fù)合材料制作的防彈天線罩，可有效阻止爆炸破片對(duì)結(jié)構(gòu)體的侵入。通過(guò)對(duì)實(shí)際成型天線罩V50 測(cè)試，實(shí)測(cè)6 mm 天線罩著靶點(diǎn)可達(dá)（測(cè)速點(diǎn)，著靶點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)偏差12.7 m/s，如圖9 所示為芳綸Ⅲ天線罩V50 實(shí)測(cè)結(jié)果），6 mm 壁厚天線罩具有一定的抗毀傷能力。

圖9 實(shí)際成型芳綸Ⅲ天線罩V50 實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.9 V50 realmeasuredresultsofradomeofrealformedaramid Ⅲ

5 結(jié)論

天線罩的電性能、結(jié)構(gòu)性能和工藝材料有一定的相互關(guān)聯(lián)和制約性。本文基于理論分析、仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證等多維技術(shù)手段，從新材料應(yīng)用，綜合調(diào)優(yōu)結(jié)構(gòu)的電性能和防彈性能，設(shè)計(jì)了某新型北斗設(shè)備的高性能天線罩，從設(shè)計(jì)角度提出了一種分析控制天線罩性能的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)實(shí)機(jī)測(cè)試，該設(shè)計(jì)天線罩各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足某新研裝備的實(shí)戰(zhàn)化應(yīng)用需求。