典型導(dǎo)彈天線雷電環(huán)境易損性試驗(yàn)及分析

朱 敏，劉兆輝，楊培靖，陳 曦，龐江宜

（1.上海航天電子有限公司，上海，201821；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引言

雷電是頻繁發(fā)生的一種大氣現(xiàn)象，據(jù)統(tǒng)計(jì)全球范圍內(nèi)每秒大約會(huì)發(fā)生百次雷電過程。隨著技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)氣象的預(yù)測技術(shù)大大提高，減少了飛行器遭受雷擊的次數(shù)，但數(shù)據(jù)顯示，一般商用飛機(jī)平均飛行3000 h便可能遭受到1次雷擊［1］。由雷電巨大的能量和極強(qiáng)的電磁輻射導(dǎo)致的飛機(jī)飛行事故仍時(shí)有發(fā)生。研究復(fù)雜電磁環(huán)境的特點(diǎn)、失效機(jī)理并有針對(duì)性地對(duì)導(dǎo)彈武器實(shí)施電磁防護(hù)，是保障導(dǎo)彈在雷電環(huán)境條件下能夠全天候發(fā)射和飛行的一項(xiàng)重要工作。強(qiáng)電磁脈沖對(duì)天線進(jìn)行照射，會(huì)在天線天饋端感應(yīng)出強(qiáng)大的電流與電壓，對(duì)后級(jí)電子產(chǎn)品造成損傷甚至損壞，同時(shí)天線的形式，非金屬罩的材質(zhì)、厚度等對(duì)雷電擊穿有很大的影響，因此暴露在導(dǎo)彈殼體表面的天線，是雷電防護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)。

由于電場位形對(duì)導(dǎo)電物體的幾何外形十分敏感，而導(dǎo)彈武器的外形、結(jié)構(gòu)及材料等又十分復(fù)雜，根據(jù)電磁場理論采用常規(guī)的算法很難得出精確解。所以一般采用能夠模擬真實(shí)雷電環(huán)境的千伏級(jí)沖擊電壓發(fā)生器、沖擊電流發(fā)生器、直流電壓發(fā)生器、振蕩回路及大容量試驗(yàn)控制室等設(shè)備研究雷電間接效應(yīng)［2-3］。

1 典型天線的選取

1.1 選取原則

發(fā)射天線、接收天線及周圍的電波傳播空間構(gòu)成天線信道。將天線信道等效成互易二端口網(wǎng)絡(luò)并應(yīng)用于天線分析，稱為互易原理法［4］。

因?yàn)樘炀€具有方向互易性，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，在選取典型應(yīng)用天線的時(shí)候，不再根據(jù)天線發(fā)射或者接收頻點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)選取，僅考慮天線形式及材質(zhì)。

1.2 典型天線選取

一個(gè)天線的各項(xiàng)參數(shù)直接決定著它的工作性能，導(dǎo)彈作為一個(gè)大型的綜合通信平臺(tái)，載有各種各樣功能和用途的天線。高速飛行的航空器、火箭和導(dǎo)彈等要求天線既不影響空氣動(dòng)力性能，又不破壞其機(jī)械結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，陣子天線、微帶天線作為火箭與導(dǎo)彈的全向天線獲得廣泛應(yīng)用，如應(yīng)用于安全控制、遙測、導(dǎo)航等系統(tǒng)中。

天線的形式、介電常數(shù)、天線罩厚度等，均對(duì)電磁場強(qiáng)度的分布有影響。因此為了驗(yàn)證各種情況對(duì)后端設(shè)備的影響，選用陣子天線與帶蓋板的微帶天線，分析其相關(guān)磁場環(huán)境。又因不同的天線罩材質(zhì)、厚度結(jié)構(gòu)等，對(duì)電磁環(huán)境的防護(hù)作用不一樣，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的典型天線，最終選擇2 種不同天線罩材質(zhì)的天線。

本文陣子天線（天線1）屬于全金屬天線，不帶天線罩，與導(dǎo)彈安裝后，整個(gè)結(jié)構(gòu)直接接地。其實(shí)物如圖1所示。

圖1 陣子天線Fig.1 Bit antenna

微帶天線選取的天線材質(zhì)為聚酰亞胺罩微帶天線（天線2）、聚四氟乙烯罩微帶天線（天線3），其實(shí)物如圖2～圖3所示。

圖2 聚酰亞胺罩微帶天線Fig.2 Microstrip antenna of polyimide

圖3 聚四氟乙烯罩微帶天線Fig.3 Microstrip antenna of ploytef

1.3 易損性分析

天線安裝于導(dǎo)彈機(jī)身外部，其在雷電環(huán)境下，面臨直接雷擊效應(yīng)與間接雷擊效應(yīng)，上述所選3款天線的其他參數(shù)信息如表1所示。

表1 典型天線試驗(yàn)件的參數(shù)信息Tab.1 Parameter information of typical antena test parts

由于天線直接暴露于殼體外部，且陣子天線屬于全金屬材料，容易被雷電直接擊中陣子，產(chǎn)生特別高的脈沖，天線被擊穿而產(chǎn)生縫隙。因此陣子天線屬于易損天線，且對(duì)后級(jí)設(shè)備存在很大影響。

帶天線罩的微帶天線，因其天線蓋板絕緣，同時(shí)結(jié)合彈體安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可避開雷電的掃掠過程，同時(shí)天線罩對(duì)內(nèi)部的微帶陣子單元而言，也起到了防護(hù)作用。因此，其易損性比陣子天線低很多。

從材質(zhì)上來說，天線罩具備一定的雷電防護(hù)作用。微帶天線天線罩所選材料為聚酰亞胺、聚四氟乙烯。聚四氟乙烯具備優(yōu)異的電絕緣性能，耐電弧性大于300 s；聚酰亞胺也有良好的介電性能，介電強(qiáng)度為100～300 kV/mm。

綜上所述，陣子天線的阻抗高，在試驗(yàn)過程中，被擊穿的可能性最大，微帶天線通過雷電電磁脈沖的可能性較大。

2 易損性摸底試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

為了研究天線在雷電環(huán)境下的直接效應(yīng)與間接效應(yīng)，對(duì)天線進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的雷電掃掠試驗(yàn)、電弧注入試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)SAEARP5412A［5］、SAEARP5416［6］里規(guī)定了雷電試驗(yàn)環(huán)境、方法、波形等要求。

非導(dǎo)電面電弧注入試驗(yàn)適用于測試導(dǎo)彈表面，用以評(píng)估脈沖波對(duì)非導(dǎo)電表面（天線罩的）損傷和熱效應(yīng)及感應(yīng)或直接耦合到導(dǎo)體上的電壓/電流大小。

掃掠試驗(yàn)適用于不暴露于初始先導(dǎo)附件的導(dǎo)彈表面，用以評(píng)估非導(dǎo)電表面可能刺穿的位置和非導(dǎo)表面上的閃絡(luò)路徑，保護(hù)裝置性能。

2.2 天線1電弧引入摸底試驗(yàn)

在雷電環(huán)境下，電弧引入摸底試驗(yàn)不適用于全金屬的陣子天線，容易產(chǎn)生高強(qiáng)度感應(yīng)電壓。為了驗(yàn)證此機(jī)理，利用縮比法［7］對(duì)天線1進(jìn)行A波單向波的傳導(dǎo)試驗(yàn)，測試其電壓端口值，線性外推至200 kA 量級(jí)下的天線端口電壓值。試驗(yàn)測試過程及場景如圖4所示，先后對(duì)陣子天線注入了100 A、1.65 kA兩個(gè)小量級(jí)的電流進(jìn)行試驗(yàn)。

圖4 天線1試驗(yàn)布置場景Fig.4 Antenna 1 test layout scene

當(dāng)注入電流為1.65 kA 時(shí)，電壓可達(dá)102.5 V；線性外推至200 kA時(shí)，電壓可達(dá)12.42 kV。雖然電壓進(jìn)一步提高時(shí)，天線振子和地板之間的小間隙會(huì)被擊穿，電壓將會(huì)通過縫隙去地，不會(huì)達(dá)到12.42 kV這么高，但也會(huì)在千伏級(jí)，是比較強(qiáng)的脈沖。此次試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了在雷電環(huán)境下，不適合選用不帶天線罩的全金屬陣子天線。

2.3 微帶天線電弧引入摸底試驗(yàn)

試驗(yàn)利用縮比法采用雷電模擬波形A對(duì)微帶天線進(jìn)行電磁傳導(dǎo)電弧注入試驗(yàn)，測試其端口電壓狀態(tài)。端口狀態(tài)呈現(xiàn)高阻狀態(tài)時(shí)，在雷電環(huán)境下，其感應(yīng)電流電壓能量不易釋放。因此天線試驗(yàn)摸底過程中，將分高阻、低阻兩種情況測試天線端口電壓值。同時(shí)天線罩防雷效果顯著，過程中還通過加蓋厚度為1 mm的聚四氟乙烯絕緣板測量天線端口值。因此共計(jì)對(duì)4種組合方式進(jìn)行試驗(yàn)摸底，組合方式見表2。

表2 試驗(yàn)組合方式Tab.2 Combinnation mode of test

為了更好地進(jìn)行線性外推，縮量參數(shù)選擇多組。其電流峰值分別為21 kA、24 kA、27 kA、30 kA，在電極處測試電壓，其中波形峰值量級(jí)為30 kA的振蕩波源波形如圖5所示。

圖5 30 kA量級(jí)的阻尼正弦波波形Fig.5 Damped sinusoidal current with amplitude of 30 kA

試驗(yàn)現(xiàn)場布置如圖6所示。

圖6 電弧引入試驗(yàn)場景Fig.6 Aircraft non-conductive surfaces test scene

2.3.1 天線2電弧引入摸底試驗(yàn)

按照表2 的組合方式對(duì)天線2 進(jìn)行不同量級(jí)的摸底測試。對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到端口電壓最大值，同時(shí)采用縮比法外推至200 kA，得出類比端口電壓，結(jié)果如表3所示。

表3 天線2試驗(yàn)數(shù)據(jù)值Tab.3 Test data values of antenna 2

2.3.2 天線3電弧引入摸底試驗(yàn)

按照表2 的組合方式對(duì)天線3 進(jìn)行不同量級(jí)的摸底測試。對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到端口電壓最大值，同時(shí)采用縮比法外推至200 kA，得出類比端口電壓，結(jié)果如表4所示。

表4 天線3試驗(yàn)數(shù)據(jù)值Tab.4 Test data values of antenna 3

2.3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

綜合分析表3 和表4 數(shù)據(jù)可知，高阻狀態(tài)下（組合1和組合2），隨著模擬雷電波峰值量值的增加，天線端口感應(yīng)的電壓基本上也隨之增加，額外增加聚四氟乙烯絕緣板感應(yīng)出的電壓值低于未增加絕緣板的電壓值。低阻狀態(tài)下（組合3和組合4），天線端口感應(yīng)的電壓隨著量級(jí)的增加而增加，但增加幅度不大，其中30 kA 最大外推為17.3 V。低阻狀態(tài)下在原有的天線罩上，增加1 mm絕緣板（組合4）后的感應(yīng)結(jié)果與未增加絕緣板的結(jié)果基本一致，因此，此狀態(tài)下，增加天線罩厚度對(duì)結(jié)果影響不大。

同時(shí)去掉測量誤差，試驗(yàn)數(shù)據(jù)外推至200 kA，其端口感應(yīng)電壓基本一致，進(jìn)一步證明縮比法在該試驗(yàn)中的有效性。

2.4 微帶天線雷電掃掠摸底試驗(yàn)

雷電掃掠試驗(yàn)場景如圖7 所示，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SAEARP5416［6］，其施加高電壓值為70 kV（考慮試驗(yàn)設(shè)備偏差，輸出范圍70～77 kV）。試驗(yàn)電極位于試驗(yàn)件中心，試驗(yàn)波形采用電壓波形A。

圖7 雷電掃掠試驗(yàn)場景Fig.7 Swept channel attachment test scene

根據(jù)第1.3 節(jié)的分析預(yù)測，天線3 被擊穿的概率大于天線2。經(jīng)試驗(yàn)證明，天線2（增加1 mm聚四氟乙烯蓋板）通過了雷電掃掠試驗(yàn)，而天線3出現(xiàn)絕緣擊穿現(xiàn)象。試驗(yàn)后的實(shí)物如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)后天線Fig.8 Antenna after test

對(duì)試驗(yàn)后的天線進(jìn)行駐波測試，天線2的駐波值為1.5，天線3的駐波值1.31，沒有明顯變化，說明天線罩的防護(hù)起到作用。

通過雷電掃掠試驗(yàn)摸底情況可知，典型的1 mm聚四氟乙烯罩微帶天線在雷電環(huán)境中存在絕緣擊穿風(fēng)險(xiǎn)，需對(duì)其雷電防護(hù)能力進(jìn)行改進(jìn)。下面將針對(duì)天線3類型的典型導(dǎo)彈天線進(jìn)行雷電加固設(shè)計(jì)。

3 加固樣機(jī)及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 加固設(shè)計(jì)

天線加固的原則可概括為［8-9］：

a）耦合效應(yīng)與天線中心頻率有關(guān)，中心頻率越低，天線感應(yīng)的電流越大。因此進(jìn)行整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在允許范圍內(nèi)，選擇高頻點(diǎn)作為工作頻點(diǎn)。

b）陣子天線整個(gè)金屬結(jié)構(gòu)凸出，容易導(dǎo)致雷電直接效應(yīng)。而在微帶天線上增加非導(dǎo)電材質(zhì)面板，可以避免雷電附著在天線上。因此在天線形式選取上，盡量選擇帶天線罩的天線。

c）在雷電環(huán)境下可通過優(yōu)化罩體材料屬性達(dá)到削弱內(nèi)部天線電場的效果。在進(jìn)行天線罩的防雷設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足總的天線性能指標(biāo)要求的情況下，可以盡量選取介電常數(shù)較大的復(fù)合材質(zhì)。

d）天線罩厚度可削弱內(nèi)部天線的電場，經(jīng)過研究隨天線罩厚度的增加，內(nèi)部天線附近電場呈指數(shù)降低，且厚度越小時(shí)電場的衰減越快，厚度越大則電場衰減越緩慢，按照這種趨勢厚度增加到一定值后天線罩厚度對(duì)電場的削弱能力幾乎穩(wěn)定不變。因此天線罩厚度在一定范圍內(nèi)可適當(dāng)增加。

本文針對(duì)天線3進(jìn)行L、S頻段同一形狀的聚四氟乙烯天線罩微帶天線的加固設(shè)計(jì)，通過之前的分析及試驗(yàn)摸底，選取通過增加天線厚度的方式進(jìn)行天線雷電防護(hù)性能改進(jìn)?；谠囼?yàn)現(xiàn)象及材料特性，為了滿足設(shè)計(jì)余量，加固厚度設(shè)計(jì)為3 mm。加固天線實(shí)物如圖9所示，對(duì)加固樣機(jī)完成雷電掃掠試驗(yàn)及200 kA的波形A與100 kA的波形D電弧引入試驗(yàn)。

圖9 加固天線實(shí)物樣機(jī)Fig.9 Prototype of reinforced antenna

3.2 雷電試驗(yàn)驗(yàn)證

3.2.1 掃掠試驗(yàn)

試驗(yàn)場景布置如圖7 所示，采用電壓波形A，上升率為1 000 kV/μs±50%，正、負(fù)極性各放電2次，即每根天線試驗(yàn)次數(shù)均為4 次。天線的試驗(yàn)波形如圖10～圖11所示。

圖10 S天線試驗(yàn)波形Fig.10 Test wave of antenna with S-band

圖11 L天線試驗(yàn)波形Fig.11 Test wave of antenna with L-band

圖12 電弧引入試驗(yàn)場景Fig.12 Aircraft non-conductive surfaces test scene

試驗(yàn)過程中未產(chǎn)生絕緣擊穿或閃絡(luò)現(xiàn)象，試驗(yàn)后通過對(duì)天線的外觀進(jìn)行檢查，S、L 天線無損傷，天線通過雷電掃掠試驗(yàn)。

3.2.2 電弧注入試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)布置場景圖如12所示。

試驗(yàn)波形分別為200 kA電流分量A、100 kA電流分量D。其中電流分量A 峰值為200 kA±10%，作用積分達(dá)到2×106A2s±20%，總的持續(xù)時(shí)間不超過500 μs，試驗(yàn)時(shí)選用阻尼振蕩波形；電流分量D 幅值為100 kA±10%，總的持續(xù)時(shí)間在500 μs 內(nèi)，作用積分為0.25×106A2s±20%，試驗(yàn)時(shí)選用雙指數(shù)波形。試驗(yàn)波形如圖13～圖14所示。

圖13 S天線試驗(yàn)波形Fig.13 Test wave of antenna with S-band

圖14 L天線試驗(yàn)波形Fig.14 Test wave of antenna with L-band

試驗(yàn)后通過對(duì)天線的外觀進(jìn)行檢查，S、L 天線無損傷，天線通過電弧注入試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

改進(jìn)的雷電防護(hù)性能的加固樣機(jī)均順利地通過了雷電掃掠試驗(yàn)及電弧注入試驗(yàn)，符合加固設(shè)計(jì)預(yù)期。

4 結(jié)束語

綜上所述，帶天線罩的微帶天線抗雷效果優(yōu)于陣子天線。通過試驗(yàn)可知，外推雷電波形200 kV 考核微帶天線端口耦合電壓時(shí)，在高阻狀態(tài)下，量級(jí)能達(dá)到千伏級(jí)別；在低阻狀態(tài)下量級(jí)為10 V左右。因此，在對(duì)無線設(shè)備射頻端口進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，將其設(shè)計(jì)成低阻狀態(tài)，具備系統(tǒng)更優(yōu)的雷電防護(hù)性能。同時(shí)，天線2（S 頻段）的電磁感應(yīng)電壓比天線3（L 頻段）的電磁感應(yīng)電壓低，與仿真結(jié)論分析一致。

通過上述分析，典型導(dǎo)彈天線在進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)時(shí)，可采用帶天線罩的微帶天線，同時(shí)可參考天線電性能材質(zhì)進(jìn)行防雷加固設(shè)計(jì)。針對(duì)高壓70 kV雷電掃掠試驗(yàn)、200 kA電弧引入試驗(yàn)，聚四氟乙烯天線罩厚度設(shè)計(jì)值可為3 mm。