冰雪对大型阵列天线性能影响分析∗

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

大型阵列天线的雨、冰、雪防护一直是阵列天线设计中的难题,通常采用加装整体罩、天线单元馈电处加装防护罩等方法进行防护,同时采用相应的融冰雪措施[1]保证天线系统的性能。而整体天线罩和融冰雪装置的启用,必将大大增加阵列天线的制造成本和使用成本。为合理设计,减少不必要的花费,必须评估冰雪覆盖对大型阵列天线性能的影响。

阵面裹冰积雪对雷达系统的不利影响主要表现在以下三个方面:(1)影响阵列天线的电性能指标;(2)增加对雷达阵面结构刚强度要求;(3)影响维护人员的操作安全。

我国幅员辽阔,不同区域的防护等级和恶劣气候条件有所不同,在充分考虑到天线结构强度的前提下[3],通过分析冰雪覆盖对天线性能的影响,综合评判该影响对雷达系统性能影响[2]的程度,以便在雷达系统设计中采取合理的措施,优化系统设计。

1 电磁波在冰雪介质中的传播特性

当天线阵面覆盖冰积雪时,电磁波穿透冰、雪会导致电磁损耗的增加,而这种电磁损耗主要由电磁波在两种不同媒质中的反射损耗和有耗媒质中的传播损耗两部分组成。

1.1 介质中电磁波的传输特性

根据平面电磁波理论可知,均匀有耗介质中的电场[4]可表示为

式中,α为电磁损耗因子,与电磁波频率、介质材料的介电常数、电导率、磁导率以及材料极化损耗特性有关。

1.2 有耗媒质分界面的反射系数和传输系数

电磁波穿透不同介质时,会发生反射和折射现象,考虑均匀平面波,且假设介质分界面光滑平整,由于电磁波在分界面上具有连续性,因此当入射波为垂直极化波时,其反射波和折射波也是垂直极化波,同样当入射波为平行极化波时,其反射波和折射波也同样是平行极化波。设电磁波从介质1(介质的介电常数和磁导率为ε1,μ1)入射到介质2(介质的介电常数和磁导率为ε2,μ2),θi,θr,θt分别为入射角、反射角和透射角。

根据菲涅耳公式,对于垂直极化波,反射系数r⊥和传输系数t⊥[5-6]分别为

对于水平极化波,反射系数r∥和传输系数t∥分别为

式中,η1,η2为介质1,2的波阻抗,表示为

边界面沿Z方向的功率反射系数R和功率传输系数T为

可见,两种极化方式的能量流动均能满足能量守恒R+T=1,介质的ε,μ差别越小,界面反射越低,进入介质2的能量越大;当垂直入射即θi=0时,垂直极化和平行极化的反射系数和透射系数对应相等。

当媒质1,2为理想介质时,透射角θt为实角,

对于平行极化波,当R=0,r∥=0时发生全透射,此时入射角θi为

此θi角称为布儒斯特角,不论ε1,ε2的大小,都会发生全透射,而对于垂直极化波,不会发生全透射现象。当介质2为有耗媒质时,透射角θt为复角,其等振幅面和等相位面一般不再重合,当垂直入射时,θt=0等振幅面和等相位面仍重合。

2 冰雪覆盖对天线电性能的影响

大型天线阵列在结构上可分为加装整体天线罩结构和不加装整体天线罩结构两种结构方式。加装整体天线罩的天线阵列表面覆盖冰雪状态与电磁波在多层有耗媒质中传播模型相似,可通过有耗媒质分界面的反射系数和传输系数仿真计算,得到天线阵列口径面电磁信号的幅度、相位分布情况,再与天线阵初始口径幅度、相位分布相比较,最终得到表面覆盖冰雪状态下天线阵列电性能的变化值。不加整体天线罩时,冰雪直接覆盖在天线单元和反射网表面,且裹冰、积雪模式复杂多变,难以通过电磁波在多层有耗媒质中传播模型进行精确计算分析,因此,本文将天线阵面覆盖的冰雪状态等效为天线单元表面覆盖冰雪和天线反射网表面覆盖积雪两个状态分别进行讨论,建立较为简单的仿真模型。

2.1 分析模型

为防止天线单元馈电处短路,已假设单元馈电处用防护罩进行了防护。在天线阵面不加防护罩时,阵列天线表面覆盖的冰雪可等效于天线单元的介质加载,导致天线振子等效电长度发生变化而影响天线振子的空间阻抗匹配;反射网表面覆盖介质材料也可导致单元辐射振子与反射网之间距离的电长度变化,在影响天线单元阻抗匹配的同时,还可导致天线单元波束宽度发生变化,从而影响天线的辐射效率。

影响程度主要与冰雪的复介电常数、电导率、磁导率、工作频率和天线冰雪厚度有关,而电磁传播损耗主要受加载材料的损耗因子等因素影响,阻抗失配损耗主要由加载材料的介电常数决定。因此,在仿真分析中,只要根据天线系统工作环境的变化,将天线阵面可能的裹冰状态进行分析,给出天线性能相应的变化范围,以确定系统指标变化情况,为系统的使用提供决策。

2.2 介质参数提取

作为一种有耗介质材料,纯净的冰是一种电介质,其电磁传播特性主要与冰介质的复介电常数相关,而复介电常数又与介质的温度、冰的张驰频率、工作频率、相对电导率等因素有关[7],准确计算较为复杂,工程中常用以下公式计算冰的复介电常数

式中,实部ε′=3.2为冰的相对介电常数,σ=5.7×10-5为冰的相对电导率,c为光速,f为频率。

冰的损耗角正切tan(δ)=ε″/ε′。电磁波在介质材料中的传播波长为

考虑到实际环境中降雨和降雪中带有一些尘埃或导电离子,实际电导率和损耗因子有一定增加。

从目前工程应用分析,自然条件下冰的相对介电常数为3.2,损耗角正切约为0.005,相对磁导率为0.9991。

3 设计举例

为验证裹冰和积雪对天线性能的影响机理,我们通过一个工作在米波段(50～75 MHz频段)的20×20单元规模双极化平面阵列天线设计,从天线阵面裹冰、积雪对天线单元有源阻抗影响以及天线增益变化两个方面进行讨论。给出相应的系统设计建议。天线阵列与天线单元结构形式如图1所示。

图1 天线阵列与天线单元结构示意图

为了方便分析比较,天线单元裹冰状态分为以下三种典型状态进行分析:(1)天线单元辐射振子表面裹冰10 mm+反射网表面覆冰10 mm;(2)天线单元辐射振子表面裹冰20 mm+反射网表面覆冰20 mm;(3)天线单元辐射振子表面裹冰20 mm+反射网表面覆冰100 mm。

3.1 天线单元有源驻波仿真

我们采用电磁仿真软件,对天线单元和阵面反射网在表面裹冰10 mm,20 mm以及反射网积雪100 mm三种状态的有源阻抗匹配进行了仿真计算,图2给出了不同裹冰状态下天线单元在方位面典型扫描角的有源驻波变化曲线;图3给出了不同裹冰状态下天线单元在俯仰面典型扫描角的有源驻波变化曲线。

从有源驻波变化曲线分析,天线单元裹冰状态会导致有源驻波的变化,直接影响系统损耗。当扫描小时,影响不大;随着扫描角度的增大,阻抗失配越来越严重;天线单元阻抗失配程度与单元振子裹冰厚度关系成正比例关系。

图2 不同裹冰状态下天线单元在方位面典型扫描角的有源驻波

图3 不同裹冰状态下天线单元在俯仰面典型扫描角的有源驻波

3.2 天线增益仿真

通过对不同裹冰状态下天线阵列的各扫描波束的增益进行了仿真计算,计算结果在图4中给出。从图4可知,天线单元振子表面裹冰厚度越大,大角度扫描的有源阻抗失配越大,天线增益损失越大。

从天线阵列扫描状态波束增益仿真曲线分析,由于裹冰状态导致的辐射振子与反射板距离的变化及损耗影响,导致天线单元波束增益发生变化,对于小角扫描阵列,天线增益变化小于0.5 dB,对于大角扫描状态,天线增益最大变化为0.8 dB(高频段约为1.2 dB)。

图4 天线增益仿真计算(中频)

3.3 仿真结果分析

通过上述仿真结果可知,由于天线阵面在不同裹冰、积雪状态下电性能受影响程度是不同的,特别是波束天线增益和单元驻波系统损耗方面,且有较强的频率响应规律,对其他电性能(天线阵列波束指向、副瓣电平、波束宽度)影响不大;从雷达系统角度分析,当裹冰厚度为20 mm、反射网表面覆冰100 mm时,在方位角±45°内探测距离最大缩减比例为5.59%,在方位角±60°内探测距离最大缩减比例约为10%;当裹冰厚度为10 mm、反射网表面覆冰10 mm时,在方位角±60°内探测距离最大缩减比例约为5%;满足系统使用要求。不用专门加装阵面除冰雪设备。

4 结束语

在大型天线阵列的研制、生产及使用过程中,只要保证天线阵面结构强度,同时根据装备使用阵地的气候特征,进行相应的技术仿真,给出不同气象条件设备性能指标变化范围,并根据不同气候条件选用相应的应对策略(如改变工作频点等),可最大限度保证设备的使用效率,同时可以省略复杂的阵面处冰雪设备,降低设备研制生产成本和使用成本,提高设备的效费比。

[1]候慧,李元晟.冰雪灾害下电力系统安全风险评估综述[J].武汉大学学报(工学报),2014,47(3):414-418.

[2]王晗中,常春贺,邓刚.大型雷达装备使用可靠性评估[J].雷达科学与技术,2014,12(1):29-34.WANG Han-zhong,CHANG Chun-he,DENG Gang.Research on a Service Reliability Evaluation Method of Large Radar Equipment[J].Radar Science and Technology,2014,12(1):29-34.(in Chinese)

[3]候理哲,高雅.冰雪灾害中的钢结构塔架[J].控制工程,2010,17(S):45-47.

[4]梁昌宏,陈曦.电磁波多层媒质传播的网络新理论[J].电气电子教学学报,2010,32(4):1-5.

[5]毛钧杰,刘荧,朱建清.电磁场与电磁波[M].北京:电子工业出版社,2004:141-160.

[6]谢处方,饶克谨.电磁场与电磁波[M].北京:人民教育出版社,1981:271-275.

[7]焦培南,张忠治.雷达环境与电波传播特性[M].北京:电子工业出版社,2006:35-40.