基于片段式导流条的机载天线防雷研究

刘　涛，段雁超

（1.中航飞机股份有限公司研发中心，陕西　汉中　723000；2.西安爱邦雷电与电磁环境实验室，陕西　西安　710077）



基于片段式导流条的机载天线防雷研究

刘涛1，段雁超2

（1.中航飞机股份有限公司研发中心，陕西汉中723000；2.西安爱邦雷电与电磁环境实验室，陕西西安710077）

摘要：机载天线的雷电防护不可忽略，同时天线罩的透波问题也至关重要。文章设计基于片段式导流条的机载天线雷电防护方案，验证防雷方案的有效性，仿真计算片段式导流条对机载天线罩的透波影响。结果表明：基于片段式导流条的雷电防护方案有效可行，不但可以较好的对雷电进行防护，而且对天线罩的透波影响几乎可以忽略。

关键词：机载天线；雷电防护；片段式导流条；天线罩

机载天线是飞机系统与其它系统进行电磁能量的转换设备，是飞机感知系统的一部分［1］。机载天线要满足飞机环境使用条件，如气动、强度、过载、冲击、高低温、抗静电、防雷击、防潮、防霉菌、防盐雾等要求。机载天线要满足这些要求，是通过机载天线罩进行防护的，其本身材料多数为玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料［2］，为不导电材料。天线罩材料本身属性决定了其较为容易满足除雷电防护的其它条件，但对自然界的雷电却难以抵抗，如果直接被雷电击中，很容易击穿天线罩，直接对天线进行物理破坏，甚至雷电流脉冲通过天线系统串进飞机的电源系统或控制系统，导致飞机失控造成机毁人亡。机载天线种类众多，本文以某型号的刀型天线为例，基于片段式导流条进行雷电防护设计。片段式导流条的优点在于，可以在空气中形成电离通道，且对内部天线的影响十分小，几乎可以忽略，还有安装方便、质量轻等优点［3］。

1　机载天线雷电防护设计

机载天线多数矗立在飞机表面，由于天线本身的金属特性，会成为引雷源，容易遭受雷击，没有做过雷电防护的机载天线，往往被击穿天线罩，直接造成天线损毁。

图1为没有做过雷电防护的某机载天线依据SAE ARP5416A［4］标准进行的雷击试验，表明没有做过雷电防护的机载天线不但会成为雷电附着，且雷击会直接击穿天线罩，损毁内部天线。

图1　机载天线雷击试验

因此机载天线必须要做雷电防护，本文以某型号的刀型天线为例进行雷电防护设计说明，如图2所示。在刀型天线罩上表面粘贴如图3所示的片段式导流条，布置在中间部位，左右两侧各粘贴一条，片段式导流条引至中间铆钉使雷电流传导向飞机蒙皮。当雷电作用在机载天线周围时，片段式导流条可以将雷电导引至自身，在其上表面形成一个电离通道，而不作用于天线罩本身。

图2　机载刀型天线的雷电防护设计

图3　片段式导流条

2　防雷试验验证

文中的防雷设计是否合理有效，将测试天线在西安爱邦雷电与电磁环境实验室依据标准SAE ARP5416A进行雷电环境试验。

图4　刀型机载天线雷电环境试验

图4为刀型天线依据标准的雷电环境试验，给出2种主要雷击路径的实验结果，图4a的试验结果表示雷电直接附着在片段式导流条上，没有作用在天线罩面上，在导流条表面形成电离通道（片段式导流条表面的亮光表示电离通道），将雷电导引至铆钉，传向飞机蒙皮，有效的对天线进行保护。图4b 的试验结果表示雷电沿天线罩表面闪络后附着在片段式导流条上，雷电在天线罩面表面闪络但是没有击穿天线罩，雷电流经片段式导流条和铆钉传向飞机蒙皮，这种现象虽然看似雷电直接作用在天线，但是电弧没有进入材料本身，而是从材料表面形成闪络通道，不会对材料本身造成伤害，因此也属于有效的防护。

试验结果表明，基于片段式导流条的机载刀型天线雷电防护有效可靠。

3　透波仿真验证

由于片段式导流条的片段为金属材料，需要判断其是否对天线透波有影响，因此本文通过数值计算的手段评估片段式导流条对天线增益是否影响。文中计算刀型天线的中心频率为2.45GHz。

图5为刀型机载天线增益三维方向图，可以看出文中的刀型天线为全向天线，最大增益为2dBi。为了体现片段式导流条透波方面的特点，分别计算不做任何防护的刀型天线方向图、基于片段式导流条防护的刀型天线方向图（见图2）和基于金属条防护的刀型天线方向图（同片段式导流条安装位置相同），结果如图6所示。

图5　刀型机载天线增益三维方向图

图6　刀型机载天线主方向上的增益方向图

从图6可以看出，在刀型机载天线的主方向上，片段式导流条几乎对天线增益没有影响，而金属条对天线增益每个方向都有不同程度的影响，最大可以减小天线增益1.5dBi左右，影响较大。原因在于片段式导流条的间断性，不能够形成连续的电场对天线进行影响，天线辐射的电磁波信号可以通过导流条片段间隙进行绕射传播，对天线产生较小的影响；而金属条形成连续的电场，对天线辐射的电磁波信号进行一定程度的屏蔽，致使天线增益减小。理论上分析，若天线频率越小，片段式导流条对天线增益的影响越小，文中计算的刀型天线频率较高。

计算结果表明，片段式导流条不会影响天线罩的透波。

4　结论

设计基于片段式导流条的机载天线防雷方案，对其防雷性能进行试验验证，试验结果表明，此方案有效可行；并对其透波性能进行仿真计算验证，计算结果表明片段式导流条不影响天线罩的透波性能。整体表明基于片段式导流条的防雷方案是机载天线防雷比较理想的一种方案，且方案实施简单高效，对原始天线罩几乎不做任何改动。

［参考文献］

［1］陈玉东，全力民.机载天线及其布局设计要求［J］.航空电子技术，2008（3）：34-38.

［2］李大进，肖加余.机载雷达天线罩常用透波复合材料进展研究［J］.材料导报，2011（S2）：352-357.

［3］熊秀，何征.一种新型片段式雷电导流条及电性能研究［C］//飞行器复杂电磁环境适应性学术会议论文集，2015.

［4］SAEARP5416A-2013.Aircraft lightning test methods［S］.Washington：2013.

Research on Lighting Protection to the Airborne Antenna Based on Segmented Lighting Diverter Strips

Liu Tao1, Duan Yanchao2
(1.R&D Center, AVIC Aircraft Co.,Ltd., Hanzhong723000, China;2.Lighting and Electromagnetic Environmental Laboratory of Xi’an Airborne Electromagnetic Technology Co.， Ltd.， Xi’an 710077， China）

Abstract：The lighting protection of the airborne antenna is as important as themicrowave transmittance of the radome, they both cannot be ignored. A design about lighting protection of the airborne antenna based on segmented lighting diverter strips, with a test which proved the effectiveness of the protection scheme， while simulated the transparent infuence of the segmented lighting diverter strips to the airborne antenna. The result indicated，the lighting protection scheme based on the segmented lighting diverter strips is effective and feasible， not only can protect the airborne antenna well， but also have little infuence to the microwave transmittance of the radome， even can be ignored.

Key words：airborne antenna; lighting protection; the segmented lighting diverter strips; radome

作者简介：刘涛（1981-），男，陕西城固，工程师；研究方向：运输类飞机航电系统无线电设计。