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基于分段分流片的飞机雷达天线防雷研究

段燕潮，熊秀，胡平岛

西安航空电磁技术有限公司闪电和电磁环境实验室

210077 中国

中国航空工业第一飞机研究所 西安710089 中国

摘要：测试方法和仿真方法被应用于确定飞机天线罩的最佳防雷设计。提出了雷电通道系数K和相应的分析方法，分析了雷电天线罩的防雷性能，雷电通道系数K是基于雷电天线在雷电环境下的空间电场分布和表面电位分布的模拟。这种方法的有效性通过雷电测试验证。同时，天线在各种分流器配置的天线罩内部获得（没有分流带，带有实心金属带和分段带）被计算和测试以验证分段带对天线的影响较小。

关键词：飞机天线罩；防雷保护；雷电模拟；雷电测试；分段分流片

Ⅰ介绍

一般来说，飞机上的天线罩是雷击时最脆弱的部分之一，其材料通常是非导电复合材料或绝缘树脂材料。考虑到透波的要求，保护天线罩最常用的方法是使用分流带。布局模式，数字而长条的长度都会影响防雷效果[1]。 我们需要考虑粘贴在天线罩上的条带是否会影响透波特性[2-3]。不同形式的分流带（固体金属分流带和分段分流带）对天线也有不同的影响[4]。在本文中，我们对固体金属分流片和新型分段分流片进行了比较[5]，采用测试方法和仿真方法，确定雷达天线罩的最佳防雷设计。 本文的闪电测试按照SAE-ARP5416A [6]进行。

一些关键的雷电天线罩一般位于1区（初始附着区）[7-8]，内部金属材料（天线，支架等）将影响雷电环境中的空间电场，闪电可能会被引导至金属材料，然后分解天线罩的皮肤。为避免雷击损坏天线和天线罩，必须粘贴一定数量的导流板来截断雷电通道，并将雷电流转移出去。传统的导流板条由铜，铝等导电金属材料制成。为了确保天线通信，在天线罩上使用越来越多的分段导流板条。

Ⅱ分流器板条布局设计

1. 分段分流片

飞机的天线罩是雷达和下滑道天线的理想位置，非常容易受到雷击。罢工通常会导致天线和航空电子设备的损坏，以及严重的天线罩损坏。如果撞击严重，飞机可能因飞行碎片，过度拖曳，丧失雷达能力以及由于气流变化而造成虚假风速指示而受到威胁。

雷达天线罩设计工程师现在正在使用分段分流片，以加强现有和新型雷达罩设计的雷电保护。分段分流器条由柔性基板上的一排小金属片组成，当暴露于雷电条件下时，它们在其表面上方形成导电等离子体通道，以将雷电能量导向接地金属结构。它们的功能如图1所示。

图1：雷达罩雷击测试的布置图

1. 模型设计

雷达天线罩的防雷性能不仅仅取决于分流带的排列方向，数量，长度，还受天线位置，旋转角度以及天线与天线罩之间距离的影响[9]。 由于这些因素，分析或经验公式计算难以准确测量保护范围，而数值计算可以更好地处理这些因素，因此本文采用数值方法。

本文采用的仿真工具为有限元数值计算软件COMSOL Multiphysics AC/DC模块。研究对象是天线罩的一个真实部分（图2），电极位于玻璃纤维上方，为固体金属模块用于模拟天线，分段分流器条被水平粘贴在玻璃纤维上。 圆柱体的半径为70厘米，长度为110厘米，宽度为71 厘米（弯曲距离）。金属框架的宽度是4.0cm。分段分流片之间的距离为50厘米（弯曲距离）。上部天线与天线罩表面之间的距离为8.3厘米。电极与天线罩表皮之间的距离为30厘米至70厘米。

在仿真模型的设置中应考虑以下因素：

• • 模型设置（图2）。仿真模型的尺寸应该与实际的天线罩相同，并且应该考虑金属搭接片，金属天线以及皮肤的阻力和所有各种涂料；
  • 解决域设置。由于空气的电导率在数量级上非常低， 我们需要足够大的空间来减小电场。在这种情况下经常使用无限元技术和吸收边界条件；
  • 材料设置。模型的电性能应尽可能与实际试样相对应；
  • 网格设置。网格分布的梯度应与电场分布最大程度上一致

图2：模型设计

C.雷电通道分析

有3个可能的闪电通道，如图3所示：

如果雷电通道是通道2或通道3，而不是通道1，则应满足以下条件:

K为雷电通道系数。U₁是电极的电位，U₂是上表面直接面对电极的天线罩的电势，U₃是直接面向电极的天线罩的内表面电势，其值取决于电极H的相对位置，距离h， 环境因素，皮肤和涂层的电阻系数。

图3：闪电通道示意图

通道1,2,3临界状态表示为

K_c表示关键通道系数。

如果雷电通道是通道3，而不是通道2：

d是圆柱体的厚度，h是天线罩表皮与天线之间的最近距离，L是转向带与圆柱体中心位置之间的最近距离，Ed 是随机的击穿强度，EL是沿圆柱体的击穿强度，EC是分段分流片的击穿强度。 测试表明，分段分流片的击穿强度可以忽略不计，同时与空气的击穿强度相比较，因此Ec可以被替换为0.E_d，E_L的值需要通过测试来确认。

D.方法和程序

测试按照图2进行安排。初始距离为70厘米，然后将电极移动靠近天线罩的表皮，直至皮肤破损。正面和负面进行极性测试。

仿真模型根据图1建立，H从30cm到70cm不等。

具体程序：

• • 在相同换向器条距离和不同电极位置（H）的情况下进行附件测试；
  • 数值计算空间电位分布；
  • 在转向带之间的距离相同的情况下计算闪电通道系数K；
  • 通过比较模拟和测试结果来确定临界通道系数Kc；
  • 在相同的H条件下计算雷电通道系数K，分流片之间的距离发生变化，然后确定分流片的临界距离；
  • 核实转向带周围临界距离的合理性。

Ⅲ计算转换器对天线增益的影响

为了测试对天线的影响，将高频喇叭天线分别放在不带转向带的天线罩下，带有转向带（固体金属转向带和分段转向带）的天线罩下，然后计算所有配置的结果。图4 和图5是中心频率为4GHz的喇叭天线的天线方向图，天线垂直放置。图4表明实心金属条对天线增益的影响更大，尤其是在带状排列的方向上。主要方向的功率压向旁瓣（图4b）。分段分流片的影响较小（图4c）。从图5可以看出，当实心金属条沿phi = 0deg方向排列时，旁瓣增益比无条带增益（图5a）减少了大约20dB。 当phi = 90deg时，主瓣增益2db-3dbd的影响，而分段带来的影响很小。

图4：转向带给天线增益的影响

1. 没有分流片；（b）实心金属条；（c）分段分流片。

(a)

(b)

(c)

图5：分流片对天线增益的影响（主要方向）

1. Phi=0度 （b）Phi=90度

Ⅳ实验验证

A.分段条纹布局方法的验证

实验结果列于表1中

表1：

从表1可以看出，当h（天线与天线罩之间的距离）为11 cm时，H（电极与天线罩表面之间的距离）为55 cm〜100 cm，没有击穿。

当h为8.3cm时，电极分别在55cm和50cm处击穿一次。负极性在40厘米处击穿一次。

图6是当H为50cm和h为8.3cm时的电势分布。

图6a表明最大的电位在天线罩的中心。 接近0V的固体金属框架和转向带的电势非常小。

图6：H为50厘米时的电势

改变H，然后得到天线罩内外天线中心的电势，绘制如图7a所示的图形。 根据公式（2），绘制K的变化曲线， 如图7b所示。

根据测试结果，当雷击为正极性时，天线罩会在H为50 厘米时被刺穿; 当雷击为负极性时，天线罩将在H为40厘米时被刺穿。

图7. H对E和H对K.（a）天线罩内外天线中心的电位。（b）信道系数K。

所以当雷击是正极时，关键是击穿通道系数Kc为0.796; 当雷击为负极性时，Kc为0.746。

为了验证上述方法，垂直粘贴导流板条，将H保持恒定（0.5 m），将导流板之间的距离从0.5 m改为1.0 m。 然 后计算不同偏转器条距离情况下内外天线罩蒙皮（图8和9） 和不同K值的电势分布（图10）。10表示转向带之间的 临界距离将随着H变化。

图8.当H为0.5米时，天线罩表皮的电位分布，转向带的距离为0.7米 （kV）。

图10.不同分流条间距的通道系数变化（电极和随机皮肤之间的距离为0.55米、0.50米和0.45米）。

最后，我们发现测试结果与计算结果相同，证明了本文使用的方法是有效的。典型的现象如图11所示。

图11.典型的测试现象。 （a）测试分段条横向粘贴。

（b）测试分段条垂直粘贴。

（c）测试天线罩被刺破。

图11a是一个拦截测试，其中转向带水平粘贴（图4中的通道1）。首先将闪电成功地引导至分段分流片，在连接至金属框架的分段分流片表面上形成电离通道。在图11c 中，当分段分流片的布局不合理时（图4中的通道3），天线罩蒙皮被雷击击穿。

如果天线罩的击穿电压与气隙（h）的击穿电压相比太小，在临界条件下，电极或条带稍微移动将导致闪光通道1或通道3，通道2是几乎不可能出现。

B.对分流片进行波浪透明测试

在天线罩上安装导流板条，然后在标准微波消声室中进行波浪透明测试。 测试天线的中心频率为10 GHz，信号为垂直极化，扫描角度范围为-60°至60°，扫描速度为1°/ s。 测试结果如图13所示。

图12.天线罩上分段条的布局。

图13.分流片对天线罩的增益影响。（a）不带转向带的增益与实心金属带增益的比较。（b）不带转向带的增益与分段带增益的比较。

图13a表明固体金属分流带对天线增益（4.5dB）有更大的影响，分段带的影响非常小（lt;0.5dB，图13b）。

Ⅴ结论

1）临界通道系数Kc可以通过结合仿真方法和测试方法来确定，以优化天线罩上的分流片的布局。 测试结果验证了本文提出的方法的合理性。

2）在三个天线罩状态下分别计算和测试天线增益（天线罩不带分流带，带有固体金属分流带的天线罩和带分段分流带的天线罩），结果表明实心金属带对天线增益影响更大，频率越高，影响就越严重。 分段分流片对天线增益的影响比实心金属条少得多。

参考

1、徐群，王运祥等，“机载天线雷达天线罩雷电防护方法与应用”， 现代雷达，vol.36，no.3，pp.57-61,2014。

2、蔡良元，王庆海，等。“飞机天气雷达的雷电防护研究”，FRP / CM， 第5卷，pp.66-70,2010。

3、李振兴，“准确测量天线罩损耗介质”，现代雷达，vol.24，no.1， pp.81-83,2002。

4、熊秀，何铮等，“一种新的雷电分流片及其电性能”，“飞机在复杂电磁环境中的适应性学术会议”，2015年第63-66页。

5、熊 秀 ， 罗 立 峰 等 ， “ 雷 电 分 段 导 流 条 及 其 制 造 方 法 ”，CN201210041392，2012。

6、SAEARP5416A-2013，“飞机雷电测试方法”，华盛顿：美国汽车工程师协会，2013年。

7、文浩，侯新宇，等。“飞机模型雷电附着点试验研究”，高电压技术vol.32，no.7，pp.90-92,2006。

8、赵玉龙，刘光斌，“飞机雷电附着点模拟研究”，微波学报，Vol.28， no.4，pp.40-42,2012。

9、NI Petrov，A. Haddad等人，“对雷达天线罩的雷击：电场屏蔽模拟”，国际气体放电会议及其应用，pp.513-516,2008。

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