天线战损国内研究现状详细介绍

电子工程师 2018-04-24 1144

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摘要：通过对国内现有天线战损方面的文献的分析，把天线战损分为对反射面天线和对阵列天线两部分进行研究，其中对阵列天线的研究主要是对相控阵天线的研究。指出了现有研究的局限性并给出了解决方法。天线战损研究现状及其得出的结论对战场环境下天线的损伤等级评估以及抢修具有重要的意义。

0引言

在海上、陆地、天空以及卫星上都能看到雷达的身影。它是现代战场上的“千里眼”和“顺风耳”，是现代信息化战争中至关重要的装备，当然在战场上也是敌方重要打击的对象。天线系统作为电子对抗装备中收发能量的载体，因其本身的辐射特性，难以进行有效的电磁隐蔽，极易被识别和定位，以至遭受到敌方反辐射武器的打击［1］。因此研究雷达天线的战损情况具有十分重要的意义。

1天线战损

战损［2］是装备战斗损伤的简称，是指装备在作战使用过程中，由于受到敌方武器的袭击使其机件遭到破坏或是功能严重下降而影响使用效能的一种状态。过去主要是枪弹、炮弹、炸弹造成的损伤，现有在还有导弹造成的损伤。除了这些硬损伤外，战损还包括电磁、激光等造成的损伤。现有研究的天线战损主要包括破片损伤和冲击波损伤。有单独研究破片损伤的，如参考文献［39］，有单独研究冲击波损伤的，如参考文献［1011］，还有研究破片与冲击波复合损伤的，如参考文献［1214］。根据天线类型的不同又大体可分为反射面天线战损和阵列天线战损。其中阵列天线战损研究的主要内容为相控阵天线的损伤。

2反射面天线的战损研究

反射面天线的损伤主要包括三种损伤类型［15］：馈源损伤、反射面变形和反射面穿孔。

2.1馈源损伤

在大多数研究天线战损的文献中，馈源都被假定是完好的，极少有单独研究馈源损伤的。而参考文献［16］则提出了对馈源损伤的研究，这是国内第一篇对馈源损伤进行研究的文献。它研究了馈源穿孔毁伤后的辐射特性，分析了馈源毁伤后对反射面次级辐射的影响，利用FDTD方法计算出馈源完好时以及损伤时的口径场，并进行了对比；利用PO和PTD混合算法计算了反射面天线的次级辐射特性，比较了馈源完好时和损伤时天线的次级辐射特性，并明确得出馈源损伤会直接影响反射面天线的次级辐射特性。参考文献［15］对单孔以及双孔馈源损伤进行了仿真，给出了馈源破孔损伤时与馈源完好时天线性能对比的具体参数，并得出单孔损伤时天线方向图不对称、主瓣宽度变宽方向性变差、增益变小副瓣抬高等结论。

2.2反射面变形

反射面变形主要考虑由冲击波引起。参考文献［9］通过对反射面天线的建模与仿真，根据仿真数据对比分析了冲击波在分别作用于天线的正面、侧面以及反面时天线的方向图。得出在相同距离下冲击波在正面作用于天线时引起的毁伤最大。由参考文献［17］可知，反射面变形时，变形位置和面积对电气性能影响最大，且位置越靠近中心，变形面积越大，对天线性能影响越大。在参考文献［13］中，由真实的实验数据推出中心形变部分的反射面方程，推算出形变部分的辐射场，进而得出整个变形天线的辐射场。改变位置和大小以观察其形变后辐射场的改变，与完好时的辐射场进行对比得出副瓣抬高严重的结论，并给出边缘变形会使方向图不对称的结论。总之，天线变形对天线的性能影响较大，且暂时没有好的修复措施。

2.3反射面穿孔

反射面穿孔一般由具有一定初速度的破片的侵入造成。国内大部分关于雷达天线战损的研究都是针对破片对天线造成影响的研究。破片的形状和大小都是任意的，而在现有的研究中大都把破片的形状理想化为圆形或者方形等规则图形，具有一定的误差，也为理论计算以及仿真研究提供了便利。

常用的反射面天线破孔的模型［6］，已知反射面天线远场辐射电场为：

式中：ω为辐射频率;μ为磁导率;S为反射面的表面积;β为平面波相位常数;J（′）为表面电流密度;r为源点到远场点的距离;为传播方向矢量;r′为馈源指向反射面入射点的矢量。

由此可求出反射面上激励的面电流密度分布，就可得出抛物面的辐射特性。根据物理光学近似，可得反射面天线表面的等效电流。由于损伤穿孔处没有电流，电流只在其他完好表面区域存在，因此只要式（1）中被积函数的电流部分改变为式（2）：

这样即可通过改变破孔的位置和大小以及数量来改变损伤模型。

肖疆［23］分别对反射面的损伤进行了单孔以及多孔的研究。在孔径以及孔的位置、孔的数量这些可变因素下具体分析了损伤天线的远场辐射特性;并得出孔径越大或者孔越靠近中心位置，增益下降越多，副瓣电平提高越多，孔数越多，副瓣抬高越大，但总体影响不明显的结论。付世奇［4］在此基础上进行了单孔损伤的修补方法研究，提出了三种有效的修补方法，并对三种方法进行了比较，得出了在战场环境下最简便实用的方法即在天线内侧面补上半径略大于破孔的补片，这样会引起一定的误差且此误差由补片的厚度决定。袁俊明［5］在前面的基础上又着重研究了天线的远场辐射特性随着不同的破损密度的变化情况，结果表明只有在破损密度很大的情况下对增益的影响才比较显著，说明只单纯依靠破片很难对天线造成严重的损伤。破片孔的尺寸、位置、密度是影响天线电气性能的主要因素。对性能的影响主要表现在增益的降低、副瓣的抬高以及方向性变差这三个方面。它是战场上主要的破坏因素。

3阵列天线的研究

阵列天线不同于反射面天线的最主要的特点是：更好的方向性以及更强的辐射场强。阵列天线相当于多个电磁波的叠加。其中最为特殊的是相控阵天线。下面主要分析相控阵天线的战损。

3.1破片损伤

国内最早研究相控阵破片损伤的是参考文献［18］，建立了相控阵雷达易损部件——天线和箱体的等效模型，得出了钨球破片直径越大，击穿雷达天线所需的杀伤动能越大的结论，进而推论出雷达易损部件对钨球破片的抗毁伤能力随着钨球破片直径的增大而显著提高。参考文献［7］从微观的角度建立了靶板毁伤三维模型，具体分析了钨球模型以及靶板模型的各项参数，认为初速度对侵彻的影响中破片初速度越大所需杀伤动能越大，与靶板的作用时间减少，钨球和靶板的消蚀现象加剧。参考文献［19］建立了破片式战斗部对相控阵雷达的毁伤评估模型，计算了破片式战斗部作用下雷达各方向的易损性，结果表明天线阵面一侧的毁伤效果最佳，并计算了某终点条件下脱靶面上的毁伤概率分布，得出相应结论。

3.2冲击波损伤

参考文献［20］采用理论分析方法研究爆炸冲击波作用下天线罩的动态响应，采用实验方法研究爆炸冲击波作用下天线罩及天线结构的毁伤情况，获得在不同强度冲击波作用下天线罩和辐射单元的毁伤破坏规律。在实验的基础上，通过数值仿真的方法，利用有限元分析软件 ANSYS，根据冲击波载荷的毁伤特点，对天线的结构等效模型在不同的冲击波作用强度下进行数值模拟。数值模拟结果与实验现象吻合较好。参考文献［10］研究了炸药安放不同位置下对靶板的破坏程度，根据炸点的位置给出一个概略的损伤程度。

3.3破片和冲击波的复合损伤

参考文献［11］研究相控阵雷达天线罩在破片与冲击波联合作用下的复合毁伤效应规律。参考文献［12］研究了在不同时序下破片和冲击波对靶板的复合影响，分别对破片先到冲击波后到、冲击波先到破片后到进行了研究。经过仿真分析得出破片与冲击波作用的时序的不同对复合毁伤结果有很大影响的结论。

3.4辐射单元失效

参考文献［21］中，把失效的阵元幅度置“0”，对剩下的阵元进行叠加得出天线方向图；建立了相控阵天线的模型，并分别对均匀阵元失效、局部阵元失效以及完好时的天线进行了仿真。得出以下结论：阵元失效越多，天线方向性系数下降越明显，副瓣抬高；失效阵元数相同时，均匀失效比局部失效方向性系数下降得多，副瓣抬高得少；失效阵元数相同时，中心局部失效比边缘局部失效的方向性系数下降得少，最高副瓣抬高明显。这些结论对相控阵战损的研究有重要意义。

4现存研究中的局限以及解决方法

在破片损伤的研究中，破片形状规则且在同一次仿真中破片大小相同。然而在实际战场环境下，破片形状不规则，不能用规则的形状相同的大小来代替。目前对于仿真的研究较成熟与普遍，而且有对于爆炸后弹体多方面的研究。可以根据爆炸后实际中破片的形状与大小进行建模与仿真，创建不同形状、不同大小的破片数据库，在同一次的仿真中仿真不同形状、不同大小的破片损伤。在现有研究的基础上进行相应的拓展，得出更贴近实战环境的仿真结果，进一步研究战场环境下如何简单高效地修复破孔。目前唯一对破孔损伤的修复方法仅仅是对圆形破孔的修补，可在此基础上提出更多针对实际情况的修复方法。

变形对反射面天线造成的影响极大，而目前尚无很好的补偿办法。或可借鉴破片损伤的修复方法，根据天线的曲率制造从小到大各种尺寸的补片，在变形的位置上帖上相应的补片，进而对贴上补片的天线进行仿真研究，得出修复效果以及存在的误差等。

现有的对于相控阵天线的战损研究较少，而随着各项工艺技术的纯熟，T/R组件的成本也将下降。由于相控阵的无惯性扫描、波束指向灵活、多波束同时实现不同功能、可靠性高等优点，它的战损研究也将有重要的意义。在本文中将相控阵损伤的研究分为4种，而实际情况是复杂的，天线罩的损伤对辐射特性也存在影响。实战情况下不排除破片冲击波等对馈线造成的损伤。在后续的研究中，可全方位地考虑战场环境下对天线各个部位造成的损伤。由于相控阵天线各个振元幅度与相位可调节的特点，在以后的研究中可利用此特点来调节相控阵天线的辐射特性。

5结论

总的来说，冲击波对天线引起的损伤较大且较难修复。若冲击波对天线的作用距离较远则不会造成太大的损伤。破片是战场上对天线造成损伤的主要因素，是战损研究的重要方面，但少数的破片不会造成太大的损伤。现存的破片与冲击波对天线造成的复合损伤的研究具有重要价值，贴近战场实际环境。总之，关于天线战损的研究对实际战场的天线损伤评估以及抢修具有一定的指导意义。

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