浅谈雷达裂缝波导天线的防水密

封李云

摘 要：波导裂缝天线是一种典型的平面阵列天线，因其具有辐射效率高、方向性强、结构紧凑、重量轻等诸多优点，广泛应用于雷达系统设计中。当天线单元腔体存在缝隙时，往往会因为“呼吸效应”造成天线单元内出现进水现象，导致雷达出现故障。该文以某高机动三坐标雷达的波导裂缝天线单元为例，分析了天线单元形成缝隙的原因及进水的机理，阐述了进水的危害，并结合工程实践，给出了合理的应对措施。

关键词：裂缝波导 缝隙 呼吸效应 防水密封

中图分类号：TN82 文献标识码：A 文章编号：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

随着我国国防事业的不断增强，雷达防御体系分布在全国各地，这些地区有些处于常年降水区，造成空气湿度较大。而雷达上的波导裂缝天线是一种典型的平面阵列天线，因其具有辐射效率高、方向性强、结构紧凑、重量轻等诸多优点，广泛应用于雷达系统设计中，通常由若干组天线单元组成。在实际应用过程中，往往会因为结构设计、工艺等因素造成天线单元中存在进水现象，这会给雷达正常使用带来困扰。

1 进水机理分析

下面以某高机动三坐标雷达的波导裂缝天线单元为例分析其进水机理及应对措施。图1为某高机动三坐标雷达波导裂缝天线单元构成图，是一种典型的波导裂缝天线单元，由负载、线源组件、弯波导、波导变换4部分组成。

理想状态下，负载、线源组件、弯波导、波导变换4部分连接在波导裂缝天线单元内形成一个密闭空间，这是一种典型的密封腔体结构。排除明显的结构破坏导致进水外，通常此类密封腔体往往会因为“呼吸效应”使腔体内部由外向内产生吸水现象[1]。

密封腔体内的气体压强因温度变化而变化，符合热胀冷缩原理。由理想气体状态方程[2]可知：

式中，P为腔体内气体压强，V为气体体积，n为气体量，R为气体常量，T为热力学温度。

当温度发生变化时，气体压强也随之变化。

当腔体内出现缝隙时，温度变化引起的内外压差将促使气体在缝隙流动，最终达成平衡，如果外部缝隙或小孔附近存在液体时，液体便会被吸进腔体内部。假定夏天突发暴雨天气时，天线单元表面温度为50 ℃，雨水温度为20 ℃，天线单元内腔体体积为26 100 mL，则吸入腔体的雨量为：

=26 100 mL[1]

2 腔体缝隙的成因

尽管天线单元在完成生产加工后会通过充气试验鉴定其密封性能，但往往由于结构或工艺缺陷、材料老化、非正常使用等多种因素，导致使用一段时间后，天线单元会出现缝隙。在某高机动雷达的30根天线单元使用5年后，对其进行充气检测，发现有22根线源存在不同程度的漏气现象，只有8根合格。归纳分析主要有以下几种成因。

（1）因外力造成天线单元表面损失或破裂。雷达在使用、运输、维修过程中，难免会因为粗心大意、非法操作、保护不到位、意外等各种因素，形成对天线单元的磕碰，从而造成天线单元表面破损。

（2）封装老化。线源组件由天线罩、裂缝波导等通过密封胶封装形成。雷达一般架设于高山、海岛，工作环境恶劣。天线单元长期暴露于大气之中，受高低温交变的热冲击、长期高能辐射、湿热、盐雾腐蚀等因素的影响，使胶接部位出现老化、疲劳损伤等情况，形成缝隙。

（3）焊接缺陷，例如砂眼、热变形等。

（4）封装缺陷。

3 进水的危害

正常情况下，电磁波能量经天线传导后，以一定波形发射出去，经目标反射后形成回波，回波经天线系统传导，再由后端设备接收、处理后发现目标，雷达完成目标探测。但是一旦天线单元内出现进水，由于水对电磁波能量的吸收，则会严重影响电磁波在天线系统中的传输，主要表现在：（1）大幅吸收微波信号，降低微波的傳输性能；（2）腐蚀波导腔体并降低电击穿强度，从而降低波导功率容量，易发生打火现象；（3）影响波束的行程形态，使波瓣发生畸变。

4 应对措施

天线单元表面存在细小缝隙，使天线单元内外因压差出现空气对流，因“呼吸效应”形成吸水现象是天线单元进水的根本原因。防水密封的措施可以从阻断缝隙形成和消除压差两方面入手。一方面，在尽量提高工艺质量的同时，尽量规范操作，减少由人为因素造成缝隙出现；另一方面，可以通过在天线单元合适部位加装防水透气阀，使天线单元内外腔体在阻断水流通的同时，不影响气体流通，从而消除压差。

防水透气阀的核心为一层GORE-TEX薄膜，材料每平方寸有多达90亿个小孔，孔径是水滴的两万分之一，因其良好的防水、防尘、防油的特性，在起到良好防水作用时，能很好地平衡腔体内外压力。通过在户外照明灯具中的试验，当温度在1 200 s内从65 ℃急剧降低至15 ℃时，会在罩壳的内部形成明显的真空，而安装该透气阀后，罩壳内外的最大压差只有45 mbar。

通过选型，某高机动三坐标雷达选用的防水透气阀透气能力为600 mL/min，从而在假定夏天突发暴雨天气时，天线单元表面温度气温由50 ℃骤降至20 ℃，通过上述计算，气体流通量为26 100 mL，则平衡时间只需不到5 min。通过实际应用表明，效果非常理想，见图2。

5 结语

天线在雷达系统中的作用不言而喻，只有在保证天线系统正常的情况下才能保证雷达的正常工作，因此天线单元的防水密封至关重要。而波导裂缝天线中的“呼吸效应”更是一种自然现象，是受环境大气因素影响的必然结果，天线表面的缝隙也为这一现象的产生创造了条件。在实际工程应用中，只要采取合适的手段，就能很好地解决这一问题，使天线单元具有良好的防水密封性能。

参考文献

[1] 龚光福.呼吸效应研究[J].雷达科学与技术，2014，7（3）：236-238.

[2] 季胜利，周德俭.新型GPS接收天线及其馈源网络的设计[J].火力与指挥控制，2011，8（8）：167-170.

[3] 张文涛，杨晖，稂华清.宽带单脊波导缝隙天线的设计[J].微波学报，2011，27（3）：34-37.

[4] 李虎雄，宫玉彬，徐进，等.一种新型Ka波段盒型窗[J].真空电子技术，2011（3）：23-25.