蛋卵形天线罩损伤性能测试方法研究

(海军航空大学 青岛校区，山东 青岛 266041)

0 引言

为了保持良好的气动外形和电磁波透波特性[1]，战斗机火控雷达一般在飞机头部采用蛋卵形天线罩[2]。战斗机在起飞、降落过程中天线罩可能受到沙粒、颗石的击打，在飞行过程中也可能受到雨滴、冰雹甚至鸟类的撞击。这些都会对雷达罩造成物理损伤，从而影响天线罩的电磁透波特性，进而影响火控雷达天线空间辐射特性，影响雷达的探测距离和目标测量精度[3-4]。

为了掌握物理损伤对雷达天线罩电磁特性的影响，需要对损伤后天线罩的透波特性进行测量，测量内容包括天线罩不同方向透波一致性测试、损伤部位透波特性测试等内容。由于机载火控雷达一般工作在X波段，典型工作频率范围为9～10 GHz，测试频率范围应该覆盖机载火控雷达的典型工作频率范围。

1 透波性能测试方法

天线罩的透波特性可以通过透波率和插入相位移来描述[5-6]。

透波率也称为功率传输系数[7]，定义为：电磁波通过天线罩后在远场固定距离上的功率值Ps与天线罩不存在时同样位置处功率值P0的比值，如式(1)所示。

(1)

插入相位移的定义为：电磁波通过天线罩后到达远场固定距离上的相位变化量φs与天线罩不存在时电磁波到达同样位置处相位变化量φ0之间的差值，如(2)所示。

IPD=φs-φ0

(2)

直接对天线罩透波率和插入相位移进行测量系统复杂[8]，测量步骤繁琐[9]。为了提高天线罩透波特性测试效率，可以把发射天线和接收天线当作一个双端口网络，通过测量两端口网络的S参数中s21分量间接获得透波率和插入相位移的值。

对于一个双端口微波网络来说，设a1和a2为两个端口的入射信号，b1为1端口反射信号，b2为2端口反射信号。那么b1和b2可通过下面式子进行计算。

b1=s11·a1+s12·a2

(3)

b2=s22·a2+s21·a1

(4)

其中S参数4个分量的定义如下所示。

(5)

(6)

(7)

(8)

下面先来推导透波率与插入相位移与s21的关系表达式。在2端口无输入即a2=0的情况下s21分量的值为：

(9)

根据透波率、插入相位移和S参数s21分量的定义，透波率、插入相位移的值可通过测量s21(或s12)得到。设天线罩不存在时S参数s21分量的值为(s21)0，存在天线罩时s21分量的值为(s21)s。那么透波率、插入相位移的值可以分别由下面两式得到：

(10)

(11)

其中:ψ[·]为取相位运算。

根据式(10)和(11)天线罩的透波率和插入相位移可以通过两次测量S参数的s21分量得到。而微波网络S参数4个分量的测量可通过矢量网络分析仪完成，矢量网络分析仪可以对s21分量的幅度和相位进行计算并单独显示。并且由于矢量网络分析仪具有记忆功能，它可以将当前测量值记录在内存中，并与后续测量值进行加、减、乘、除等操作。因此在两次测量S参s21分量的过程中，将无天线罩的s21分量(s21)0的值记录在内存中，在测量存在天线罩s21分量(s21)s时，通过与内存值的加、减、乘、除等操作可以得到天线罩的透波率和插入相位移。通过比较天线罩存在条件下和无天线罩条件下s21分量幅度比值可以获得天线罩引起的透波率，根据s21分量相位差值获得插入相位移。

2 测试电路及测试设备

测量电路连接关系如图1所示，测试电路由发射和接收两个喇叭口天线、矢量网络分析仪和连接射频电缆组成。2个喇叭口天线通过射频电缆分别与矢量网络分析仪的端口1和端口2相连。喇叭口1连接网络分析仪端口1为发射天线，喇叭口2连接网络分析仪端口2为接收天线。

图1 测量系统电路连接图

在测试电路中矢量网络分析仪是最重要的测试仪器，系统选用的型号为中电41所的矢网AV3672B(10 MHz～26.5 GHz)。AV3672B为Windows 7中文操作系统，兼备英文菜单选项，具有频响、单端口、响应隔离、全双端口、TRL、电校准等多种校准方式。具有32个显示窗口，每个窗口同时显示8条轨迹。提供多达64个独立测量通道，快速执行复杂测试方案。具有对数幅度、线性幅度、驻波比、相位、群时延、Smith圆图、极坐标等多种显示格式。具有时域分析、频率偏移测量、一体化脉冲测量、增益压缩二维扫描测量、混频器/变频器测量、有源互调失真测量、毫米波扩频等功能。重要的性能指标如表1所示。

表1 矢网AV3672B性能指标

需要注意的时，为了减小矢量网络分析仪的测量误差，使用矢量网络分析仪测量之前需要对其进行校准，矢网AV3672B的校正方式如表2所示，在本系统中需要选择全二端口校准方式，具体方法按照设备的提示步骤进行。

为了实现对天线罩不同部位透波特性进行测量，设计了天线罩传动装置，其结构和实物图如图2所示。通过传动装置天线罩可以实现前后平移、左右平移、上下升降和绕轴向的滚动。其中，前后平移和左右平移通过地面固定导轨实现，上下升降通过升降系统实现，绕轴向滚动通过橡皮轮实现。通过天线罩传动装置移动、升降和旋转天线罩可以对空气条件下和天线罩不同部位s21参数进行测量。

表2 算法运行时间比较

图2 天线罩传动装置

在按照校准操作提示对矢量网络分析仪进行校准后，对天线罩某一固定部位透波率和相位移测量的具体方法如下所述：

1)根据需要测量天线罩部位的位置特点，通过操作天线天线罩传动装置调整天线罩的高度和位置、固定好天线罩的摆放位置，再根据天线罩的位置和姿态固定好喇叭口的位置；

2)按照图1测量电路连接关系将两个喇叭口天线和矢量网络分析仪的两个端口连接正确，设置好矢量网络分析仪的测试频段范围；

3)首先测量没有天线罩时的s21分量，通过天线传动装置在天线轴向上的前后移动使天线罩不遮挡两个喇叭口天线，即两喇叭口天线只透过空气直接相对；

4)由于s21分量幅度和相位不能显示在同一坐标系中，透波率和相位移分开单独测量，以测量透波率为例，测量对象选择s21参数，显示内容选择幅度，等画面曲线显示稳定后将结果保存到内存中；

5)通过天线罩传动装置前后移动和绕轴向转动将天线罩测试部位恰好处于两喇叭口天线中心连线上，再次测量s21参数，测量对象选择s21参数，显示内容选择幅度，并将显示结果设置为“实时数值/内存”(注意：如果测量插入相位移，显示结果应该设置为“实时数值-内存”)，显示结果如图3所示。

图3 9～10 GHz范围内某型天线罩透波率测试值

此时，得到的结果就是设置频率范围内选定天线罩部位引起的透波率(或相位移)偏差。由图3可以看出，由于天线罩的存在透波率随频率振荡变化，趋势为随频率增加而降低。

3 透波性能测试

3.1 天线罩损伤部位测试

雷达天线罩罩体收到外力撞击引起形变甚至破损时，受损部位及周边临近区域的电磁波透波特性可能受到影响。为了获取损伤对天线罩透波特性的影响，分别选取了天线罩完好区域、轻度受损和严重受损区域，如图4所示。

图4 不同损坏区域选择位置

对3个区域不同点位的透波率和插入相位移分别进行了测量，3个不同损坏程度区域的测量结果如图5所示。由测试结果可以看出损伤区域中心对透波率影响不大，微损和破损区域中心的透波率与良好区域的透波率相比没有明显变化，而损伤与良好区域的结合部分透波率有明显下降，最大点下降了8 dB。另外，无论是在良好区域还是损伤区域，汇流条区域透波率明显下降(图5中“良好”曲线的8点和“破损”曲线的9点)。由图5(b)可以看出，破损引起的插入相位移随破损程度下降明显，并且汇流条会减小插入相位移。

图5 不同受损程度区域天线罩透波特性

3.2 方向一致性测试

为了测试天线罩物理损伤对天线辐射方向图的影响，需要对天线罩透波特性的方向一致性进行测量[10]。方向一致性测试包括横向和轴向两个方向上损耗一致性测试，如图6所示。

图6 天线罩轴向和横向测量位置

分别在横向一圈360°范围上等间隔选择36个点(每间隔10°一个测试点)，而轴向上等间隔选择20个点做为测试点，对透波率和插入相位移进行测量，结果如图7所示。

由图7(a)和图7(b)可以看出，物理损伤对天线罩横向一致性存在一定的影响，透波率和插入相位移都随着横向角度变化而变化，透波的变化范围为-2.52～-1.03 dB，而插入相位移的变化范围为6.68°～18.7°。

由图7(c)和图7(d)可以看出，在轴向上天线罩透波一致性也受到了破损的影响，透波率和插入相位移都随测试点位置变化，其中透波率的变化范围为-5.23～-0.88 dB，而插入相位移的变化范围为96°～138°。

图7 透波一致性测量

4 结束语

物理损伤会影响天线罩的透波特性，通过对天线罩不同位置透波率和插入相位移的测量可以得到物理损伤对天线罩透波特性的影响。为了降低天线罩透波率和插入相位移测量的难度，引入了通过测量S参数s21分量间接测量透波率和插入相位移的方法。测量结果表明，天线罩透波率随电磁波频率的增加振荡下行，破损区域中心透波率和插入相位移变化较小，而破损区边缘的透波率和插入相位移变化较为为明显。而且物理损伤也影响了天线罩透波方向一致性，无论是横向上还是轴向上天线罩透波率和插入相位移都有明显的变化，插入相位移的随方向变化尤为明显。