摘要：通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有天線戰(zhàn)損方面的文獻(xiàn)的分析，把天線戰(zhàn)損分為對(duì)反射面天線和對(duì)陣列天線兩部分進(jìn)行研究，其中對(duì)陣列天線的研究主要是對(duì)相控陣天線的研究。指出了現(xiàn)有研究的局限性并給出了解決方法。天線戰(zhàn)損研究現(xiàn)狀及其得出的結(jié)論對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下天線的損傷等級(jí)評(píng)估以及搶修具有重要的意義。

0引言

在海上、陸地、天空以及衛(wèi)星上都能看到雷達(dá)的身影。它是現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上的“千里眼”和“順風(fēng)耳”，是現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中至關(guān)重要的裝備，當(dāng)然在戰(zhàn)場(chǎng)上也是敵方重要打擊的對(duì)象。天線系統(tǒng)作為電子對(duì)抗裝備中收發(fā)能量的載體，因其本身的輻射特性，難以進(jìn)行有效的電磁隱蔽，極易被識(shí)別和定位，以至遭受到敵方反輻射武器的打擊［1］。因此研究雷達(dá)天線的戰(zhàn)損情況具有十分重要的意義。

1天線戰(zhàn)損

戰(zhàn)損［2］是裝備戰(zhàn)斗損傷的簡(jiǎn)稱，是指裝備在作戰(zhàn)使用過(guò)程中，由于受到敵方武器的襲擊使其機(jī)件遭到破壞或是功能嚴(yán)重下降而影響使用效能的一種狀態(tài)。過(guò)去主要是槍彈、炮彈、炸彈造成的損傷，現(xiàn)有在還有導(dǎo)彈造成的損傷。除了這些硬損傷外，戰(zhàn)損還包括電磁、激光等造成的損傷。現(xiàn)有研究的天線戰(zhàn)損主要包括破片損傷和沖擊波損傷。有單獨(dú)研究破片損傷的，如參考文獻(xiàn)［39］，有單獨(dú)研究沖擊波損傷的，如參考文獻(xiàn)［1011］，還有研究破片與沖擊波復(fù)合損傷的，如參考文獻(xiàn)［1214］。根據(jù)天線類型的不同又大體可分為反射面天線戰(zhàn)損和陣列天線戰(zhàn)損。其中陣列天線戰(zhàn)損研究的主要內(nèi)容為相控陣天線的損傷。

2反射面天線的戰(zhàn)損研究

反射面天線的損傷主要包括三種損傷類型［15］：饋源損傷、反射面變形和反射面穿孔。

2.1饋源損傷

在大多數(shù)研究天線戰(zhàn)損的文獻(xiàn)中，饋源都被假定是完好的，極少有單獨(dú)研究饋源損傷的。而參考文獻(xiàn)［16］則提出了對(duì)饋源損傷的研究，這是國(guó)內(nèi)第一篇對(duì)饋源損傷進(jìn)行研究的文獻(xiàn)。它研究了饋源穿孔毀傷后的輻射特性， 分析了饋源毀傷后對(duì)反射面次級(jí)輻射的影響，利用FDTD方法計(jì)算出饋源完好時(shí)以及損傷時(shí)的口徑場(chǎng)，并進(jìn)行了對(duì)比；利用PO和PTD混合算法計(jì)算了反射面天線的次級(jí)輻射特性，比較了饋源完好時(shí)和損傷時(shí)天線的次級(jí)輻射特性，并明確得出饋源損傷會(huì)直接影響反射面天線的次級(jí)輻射特性。參考文獻(xiàn)［15］對(duì)單孔以及雙孔饋源損傷進(jìn)行了仿真，給出了饋源破孔損傷時(shí)與饋源完好時(shí)天線性能對(duì)比的具體參數(shù)，并得出單孔損傷時(shí)天線方向圖不對(duì)稱、主瓣寬度變寬方向性變差、增益變小副瓣抬高等結(jié)論。

2.2反射面變形

反射面變形主要考慮由沖擊波引起。參考文獻(xiàn)［9］通過(guò)對(duì)反射面天線的建模與仿真，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)對(duì)比分析了沖擊波在分別作用于天線的正面、側(cè)面以及反面時(shí)天線的方向圖。得出在相同距離下沖擊波在正面作用于天線時(shí)引起的毀傷最大。由參考文獻(xiàn)［17］可知，反射面變形時(shí)，變形位置和面積對(duì)電氣性能影響最大，且位置越靠近中心，變形面積越大，對(duì)天線性能影響越大。在參考文獻(xiàn)［13］中，由真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推出中心形變部分的反射面方程，推算出形變部分的輻射場(chǎng)，進(jìn)而得出整個(gè)變形天線的輻射場(chǎng)。改變位置和大小以觀察其形變后輻射場(chǎng)的改變，與完好時(shí)的輻射場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比得出副瓣抬高嚴(yán)重的結(jié)論，并給出邊緣變形會(huì)使方向圖不對(duì)稱的結(jié)論?？傊炀€變形對(duì)天線的性能影響較大，且暫時(shí)沒(méi)有好的修復(fù)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。國(guó)內(nèi)大部分關(guān)于雷達(dá)天線戰(zhàn)損的研究都是針對(duì)破片對(duì)天線造成影響的研究。破片的形狀和大小都是任意的，而在現(xiàn)有的研究中大都把破片的形狀理想化為圓形或者方形等規(guī)則圖形，具有一定的誤差，也為理論計(jì)算以及仿真研究提供了便利。

常用的反射面天線破孔的模型［6］，已知反射面天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射電場(chǎng)為：

式中：ω為輻射頻率;μ為磁導(dǎo)率;S為反射面的表面積;β為平面波相位常數(shù);J（′）為表面電流密度;r為源點(diǎn)到遠(yuǎn)場(chǎng)點(diǎn)的距離;為傳播方向矢量;r′為饋源指向反射面入射點(diǎn)的矢量。

由此可求出反射面上激勵(lì)的面電流密度分布，就可得出拋物面的輻射特性。根據(jù)物理光學(xué)近似，可得反射面天線表面的等效電流。由于損傷穿孔處沒(méi)有電流，電流只在其他完好表面區(qū)域存在， 因此只要式（1）中被積函數(shù)的電流部分改變?yōu)槭剑?）：

這樣即可通過(guò)改變破孔的位置和大小以及數(shù)量來(lái)改變損傷模型。

肖疆［23］分別對(duì)反射面的損傷進(jìn)行了單孔以及多孔的研究。在孔徑以及孔的位置、孔的數(shù)量這些可變因素下具體分析了損傷天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性;并得出孔徑越大或者孔越靠近中心位置，增益下降越多， 副瓣電平提高越多，孔數(shù)越多，副瓣抬高越大， 但總體影響不明顯的結(jié)論。付世奇［4］在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了單孔損傷的修補(bǔ)方法研究，提出了三種有效的修補(bǔ)方法，并對(duì)三種方法進(jìn)行了比較，得出了在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下最簡(jiǎn)便實(shí)用的方法即在天線內(nèi)側(cè)面補(bǔ)上半徑略大于破孔的補(bǔ)片，這樣會(huì)引起一定的誤差且此誤差由補(bǔ)片的厚度決定。袁俊明［5］在前面的基礎(chǔ)上又著重研究了天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性隨著不同的破損密度的變化情況，結(jié)果表明只有在破損密度很大的情況下對(duì)增益的影響才比較顯著，說(shuō)明只單純依靠破片很難對(duì)天線造成嚴(yán)重的損傷。破片孔的尺寸、位置、密度是影響天線電氣性能的主要因素。對(duì)性能的影響主要表現(xiàn)在增益的降低、副瓣的抬高以及方向性變差這三個(gè)方面。它是戰(zhàn)場(chǎng)上主要的破壞因素。

3陣列天線的研究

陣列天線不同于反射面天線的最主要的特點(diǎn)是：更好的方向性以及更強(qiáng)的輻射場(chǎng)強(qiáng)。陣列天線相當(dāng)于多個(gè)電磁波的疊加。其中最為特殊的是相控陣天線。下面主要分析相控陣天線的戰(zhàn)損。

3.1破片損傷

國(guó)內(nèi)最早研究相控陣破片損傷的是參考文獻(xiàn)［18］，建立了相控陣?yán)走_(dá)易損部件——天線和箱體的等效模型，得出了鎢球破片直徑越大， 擊穿雷達(dá)天線所需的殺傷動(dòng)能越大的結(jié)論，進(jìn)而推論出雷達(dá)易損部件對(duì)鎢球破片的抗毀傷能力隨著鎢球破片直徑的增大而顯著提高。參考文獻(xiàn)［7］從微觀的角度建立了靶板毀傷三維模型，具體分析了鎢球模型以及靶板模型的各項(xiàng)參數(shù)，認(rèn)為初速度對(duì)侵徹的影響中破片初速度越大所需殺傷動(dòng)能越大，與靶板的作用時(shí)間減少，鎢球和靶板的消蝕現(xiàn)象加劇。參考文獻(xiàn)［19］建立了破片式戰(zhàn)斗部對(duì)相控陣?yán)走_(dá)的毀傷評(píng)估模型，計(jì)算了破片式戰(zhàn)斗部作用下雷達(dá)各方向的易損性，結(jié)果表明天線陣面一側(cè)的毀傷效果最佳，并計(jì)算了某終點(diǎn)條件下脫靶面上的毀傷概率分布，得出相應(yīng)結(jié)論。

3.2沖擊波損傷

參考文獻(xiàn)［20］采用理論分析方法研究爆炸沖擊波作用下天線罩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，采用實(shí)驗(yàn)方法研究爆炸沖擊波作用下天線罩及天線結(jié)構(gòu)的毀傷情況，獲得在不同強(qiáng)度沖擊波作用下天線罩和輻射單元的毀傷破壞規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值仿真的方法，利用有限元分析軟件 ANSYS，根據(jù)沖擊波載荷的毀傷特點(diǎn)，對(duì)天線的結(jié)構(gòu)等效模型在不同的沖擊波作用強(qiáng)度下進(jìn)行數(shù)值模擬。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象吻合較好。參考文獻(xiàn)［10］研究了炸藥安放不同位置下對(duì)靶板的破壞程度，根據(jù)炸點(diǎn)的位置給出一個(gè)概略的損傷程度。

3.3破片和沖擊波的復(fù)合損傷

參考文獻(xiàn)［11］ 研究相控陣?yán)走_(dá)天線罩在破片與沖擊波聯(lián)合作用下的復(fù)合毀傷效應(yīng)規(guī)律。參考文獻(xiàn)［12］研究了在不同時(shí)序下破片和沖擊波對(duì)靶板的復(fù)合影響，分別對(duì)破片先到?jīng)_擊波后到、沖擊波先到破片后到進(jìn)行了研究。經(jīng)過(guò)仿真分析得出破片與沖擊波作用的時(shí)序的不同對(duì)復(fù)合毀傷結(jié)果有很大影響的結(jié)論。

3.4輻射單元失效

參考文獻(xiàn)［21］中，把失效的陣元幅度置“0”，對(duì)剩下的陣元進(jìn)行疊加得出天線方向圖；建立了相控陣天線的模型，并分別對(duì)均勻陣元失效、局部陣元失效以及完好時(shí)的天線進(jìn)行了仿真。得出以下結(jié)論：陣元失效越多，天線方向性系數(shù)下降越明顯，副瓣抬高；失效陣元數(shù)相同時(shí)，均勻失效比局部失效方向性系數(shù)下降得多，副瓣抬高得少；失效陣元數(shù)相同時(shí)，中心局部失效比邊緣局部失效的方向性系數(shù)下降得少， 最高副瓣抬高明顯。這些結(jié)論對(duì)相控陣戰(zhàn)損的研究有重要意義。

4現(xiàn)存研究中的局限以及解決方法

在破片損傷的研究中，破片形狀規(guī)則且在同一次仿真中破片大小相同。然而在實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，破片形狀不規(guī)則，不能用規(guī)則的形狀相同的大小來(lái)代替。目前對(duì)于仿真的研究較成熟與普遍，而且有對(duì)于爆炸后彈體多方面的研究。可以根據(jù)爆炸后實(shí)際中破片的形狀與大小進(jìn)行建模與仿真，創(chuàng)建不同形狀、不同大小的破片數(shù)據(jù)庫(kù)，在同一次的仿真中仿真不同形狀、不同大小的破片損傷。在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的拓展，得出更貼近實(shí)戰(zhàn)環(huán)境的仿真結(jié)果，進(jìn)一步研究戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下如何簡(jiǎn)單高效地修復(fù)破孔。目前唯一對(duì)破孔損傷的修復(fù)方法僅僅是對(duì)圓形破孔的修補(bǔ)，可在此基礎(chǔ)上提出更多針對(duì)實(shí)際情況的修復(fù)方法。

變形對(duì)反射面天線造成的影響極大，而目前尚無(wú)很好的補(bǔ)償辦法?；蚩山梃b破片損傷的修復(fù)方法，根據(jù)天線的曲率制造從小到大各種尺寸的補(bǔ)片，在變形的位置上帖上相應(yīng)的補(bǔ)片，進(jìn)而對(duì)貼上補(bǔ)片的天線進(jìn)行仿真研究，得出修復(fù)效果以及存在的誤差等。

現(xiàn)有的對(duì)于相控陣天線的戰(zhàn)損研究較少，而隨著各項(xiàng)工藝技術(shù)的純熟，T/R組件的成本也將下降。由于相控陣的無(wú)慣性掃描、波束指向靈活、多波束同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同功能、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，它的戰(zhàn)損研究也將有重要的意義。在本文中將相控陣損傷的研究分為4種，而實(shí)際情況是復(fù)雜的，天線罩的損傷對(duì)輻射特性也存在影響。實(shí)戰(zhàn)情況下不排除破片沖擊波等對(duì)饋線造成的損傷。在后續(xù)的研究中，可全方位地考慮戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下對(duì)天線各個(gè)部位造成的損傷。由于相控陣天線各個(gè)振元幅度與相位可調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，在以后的研究中可利用此特點(diǎn)來(lái)調(diào)節(jié)相控陣天線的輻射特性。

5結(jié)論

總的來(lái)說(shuō)，沖擊波對(duì)天線引起的損傷較大且較難修復(fù)。若沖擊波對(duì)天線的作用距離較遠(yuǎn)則不會(huì)造成太大的損傷。破片是戰(zhàn)場(chǎng)上對(duì)天線造成損傷的主要因素，是戰(zhàn)損研究的重要方面，但少數(shù)的破片不會(huì)造成太大的損傷。現(xiàn)存的破片與沖擊波對(duì)天線造成的復(fù)合損傷的研究具有重要價(jià)值，貼近戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境?？傊?，關(guān)于天線戰(zhàn)損的研究對(duì)實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)的天線損傷評(píng)估以及搶修具有一定的指導(dǎo)意義。