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)
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(cè)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(chǎng)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(chǎng)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]。
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)。
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(cè)、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(chǎng)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(chǎng)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
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。
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(cè)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。
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(cè)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(cè)試過程及場(chǎng)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(chǎng)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。
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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(chǎng)布置如圖6所示。
圖6 電弧引入試驗(yàn)場(chǎng)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(cè)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(cè)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(cè)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。
雷電掃掠試驗(yàn)場(chǎng)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(chǎng)景Fig.7 Swept channel attachment test scene
根據(jù)第1.3 節(jié)的分析預(yù)測(cè),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(cè)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)。
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(chǎng)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(chǎng),經(jīng)過研究隨天線罩厚度的增加,內(nèi)部天線附近電場(chǎng)呈指數(shù)降低,且厚度越小時(shí)電場(chǎng)的衰減越快,厚度越大則電場(chǎng)衰減越緩慢,按照這種趨勢(shì)厚度增加到一定值后天線罩厚度對(duì)電場(chǎng)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
3.2.1 掃掠試驗(yàn)
試驗(yàn)場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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)。
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。
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。