典型导弹天线雷电环境易损性试验及分析

朱 敏，刘兆辉，杨培靖，陈 曦，庞江宜

（1.上海航天电子有限公司，上海，201821；2.北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引言

雷电是频繁发生的一种大气现象，据统计全球范围内每秒大约会发生百次雷电过程。随着技术的进步，人们对气象的预测技术大大提高，减少了飞行器遭受雷击的次数，但数据显示，一般商用飞机平均飞行3000 h便可能遭受到1次雷击［1］。由雷电巨大的能量和极强的电磁辐射导致的飞机飞行事故仍时有发生。研究复杂电磁环境的特点、失效机理并有针对性地对导弹武器实施电磁防护，是保障导弹在雷电环境条件下能够全天候发射和飞行的一项重要工作。强电磁脉冲对天线进行照射，会在天线天馈端感应出强大的电流与电压，对后级电子产品造成损伤甚至损坏，同时天线的形式，非金属罩的材质、厚度等对雷电击穿有很大的影响，因此暴露在导弹壳体表面的天线，是雷电防护的薄弱环节。

由于电场位形对导电物体的几何外形十分敏感，而导弹武器的外形、结构及材料等又十分复杂，根据电磁场理论采用常规的算法很难得出精确解。所以一般采用能够模拟真实雷电环境的千伏级冲击电压发生器、冲击电流发生器、直流电压发生器、振荡回路及大容量试验控制室等设备研究雷电间接效应［2-3］。

1 典型天线的选取

1.1 选取原则

发射天线、接收天线及周围的电波传播空间构成天线信道。将天线信道等效成互易二端口网络并应用于天线分析，称为互易原理法［4］。

因为天线具有方向互易性，根据实际应用情况，在选取典型应用天线的时候，不再根据天线发射或者接收频点进行重复选取，仅考虑天线形式及材质。

1.2 典型天线选取

一个天线的各项参数直接决定着它的工作性能，导弹作为一个大型的综合通信平台，载有各种各样功能和用途的天线。高速飞行的航空器、火箭和导弹等要求天线既不影响空气动力性能，又不破坏其机械结构和强度，阵子天线、微带天线作为火箭与导弹的全向天线获得广泛应用，如应用于安全控制、遥测、导航等系统中。

天线的形式、介电常数、天线罩厚度等，均对电磁场强度的分布有影响。因此为了验证各种情况对后端设备的影响，选用阵子天线与带盖板的微带天线，分析其相关磁场环境。又因不同的天线罩材质、厚度结构等，对电磁环境的防护作用不一样，结合实际应用的典型天线，最终选择2 种不同天线罩材质的天线。

本文阵子天线（天线1）属于全金属天线，不带天线罩，与导弹安装后，整个结构直接接地。其实物如图1所示。

图1 阵子天线Fig.1 Bit antenna

微带天线选取的天线材质为聚酰亚胺罩微带天线（天线2）、聚四氟乙烯罩微带天线（天线3），其实物如图2～图3所示。

图2 聚酰亚胺罩微带天线Fig.2 Microstrip antenna of polyimide

图3 聚四氟乙烯罩微带天线Fig.3 Microstrip antenna of ploytef

1.3 易损性分析

天线安装于导弹机身外部，其在雷电环境下，面临直接雷击效应与间接雷击效应，上述所选3款天线的其他参数信息如表1所示。

表1 典型天线试验件的参数信息Tab.1 Parameter information of typical antena test parts

由于天线直接暴露于壳体外部，且阵子天线属于全金属材料，容易被雷电直接击中阵子，产生特别高的脉冲，天线被击穿而产生缝隙。因此阵子天线属于易损天线，且对后级设备存在很大影响。

带天线罩的微带天线，因其天线盖板绝缘，同时结合弹体安装结构设计，可避开雷电的扫掠过程，同时天线罩对内部的微带阵子单元而言，也起到了防护作用。因此，其易损性比阵子天线低很多。

从材质上来说，天线罩具备一定的雷电防护作用。微带天线天线罩所选材料为聚酰亚胺、聚四氟乙烯。聚四氟乙烯具备优异的电绝缘性能，耐电弧性大于300 s；聚酰亚胺也有良好的介电性能，介电强度为100～300 kV/mm。

综上所述，阵子天线的阻抗高，在试验过程中，被击穿的可能性最大，微带天线通过雷电电磁脉冲的可能性较大。

2 易损性摸底试验

2.1 试验内容

为了研究天线在雷电环境下的直接效应与间接效应，对天线进行相对应的雷电扫掠试验、电弧注入试验，标准SAEARP5412A［5］、SAEARP5416［6］里规定了雷电试验环境、方法、波形等要求。

非导电面电弧注入试验适用于测试导弹表面，用以评估脉冲波对非导电表面（天线罩的）损伤和热效应及感应或直接耦合到导体上的电压/电流大小。

扫掠试验适用于不暴露于初始先导附件的导弹表面，用以评估非导电表面可能刺穿的位置和非导表面上的闪络路径，保护装置性能。

2.2 天线1电弧引入摸底试验

在雷电环境下，电弧引入摸底试验不适用于全金属的阵子天线，容易产生高强度感应电压。为了验证此机理，利用缩比法［7］对天线1进行A波单向波的传导试验，测试其电压端口值，线性外推至200 kA 量级下的天线端口电压值。试验测试过程及场景如图4所示，先后对阵子天线注入了100 A、1.65 kA两个小量级的电流进行试验。

图4 天线1试验布置场景Fig.4 Antenna 1 test layout scene

当注入电流为1.65 kA 时，电压可达102.5 V；线性外推至200 kA时，电压可达12.42 kV。虽然电压进一步提高时，天线振子和地板之间的小间隙会被击穿，电压将会通过缝隙去地，不会达到12.42 kV这么高，但也会在千伏级，是比较强的脉冲。此次试验进一步验证了在雷电环境下，不适合选用不带天线罩的全金属阵子天线。

2.3 微带天线电弧引入摸底试验

试验利用缩比法采用雷电模拟波形A对微带天线进行电磁传导电弧注入试验，测试其端口电压状态。端口状态呈现高阻状态时，在雷电环境下，其感应电流电压能量不易释放。因此天线试验摸底过程中，将分高阻、低阻两种情况测试天线端口电压值。同时天线罩防雷效果显著，过程中还通过加盖厚度为1 mm的聚四氟乙烯绝缘板测量天线端口值。因此共计对4种组合方式进行试验摸底，组合方式见表2。

表2 试验组合方式Tab.2 Combinnation mode of test

为了更好地进行线性外推，缩量参数选择多组。其电流峰值分别为21 kA、24 kA、27 kA、30 kA，在电极处测试电压，其中波形峰值量级为30 kA的振荡波源波形如图5所示。

图5 30 kA量级的阻尼正弦波波形Fig.5 Damped sinusoidal current with amplitude of 30 kA

试验现场布置如图6所示。

图6 电弧引入试验场景Fig.6 Aircraft non-conductive surfaces test scene

2.3.1 天线2电弧引入摸底试验

按照表2 的组合方式对天线2 进行不同量级的摸底测试。对各组数据进行处理，得到端口电压最大值，同时采用缩比法外推至200 kA，得出类比端口电压，结果如表3所示。

表3 天线2试验数据值Tab.3 Test data values of antenna 2

2.3.2 天线3电弧引入摸底试验

按照表2 的组合方式对天线3 进行不同量级的摸底测试。对各组数据进行处理，得到端口电压最大值，同时采用缩比法外推至200 kA，得出类比端口电压，结果如表4所示。

表4 天线3试验数据值Tab.4 Test data values of antenna 3

2.3.3 试验数据分析

综合分析表3 和表4 数据可知，高阻状态下（组合1和组合2），随着模拟雷电波峰值量值的增加，天线端口感应的电压基本上也随之增加，额外增加聚四氟乙烯绝缘板感应出的电压值低于未增加绝缘板的电压值。低阻状态下（组合3和组合4），天线端口感应的电压随着量级的增加而增加，但增加幅度不大，其中30 kA 最大外推为17.3 V。低阻状态下在原有的天线罩上，增加1 mm绝缘板（组合4）后的感应结果与未增加绝缘板的结果基本一致，因此，此状态下，增加天线罩厚度对结果影响不大。

同时去掉测量误差，试验数据外推至200 kA，其端口感应电压基本一致，进一步证明缩比法在该试验中的有效性。

2.4 微带天线雷电扫掠摸底试验

雷电扫掠试验场景如图7 所示，根据标准SAEARP5416［6］，其施加高电压值为70 kV（考虑试验设备偏差，输出范围70～77 kV）。试验电极位于试验件中心，试验波形采用电压波形A。

图7 雷电扫掠试验场景Fig.7 Swept channel attachment test scene

根据第1.3 节的分析预测，天线3 被击穿的概率大于天线2。经试验证明，天线2（增加1 mm聚四氟乙烯盖板）通过了雷电扫掠试验，而天线3出现绝缘击穿现象。试验后的实物如图8所示。

图8 试验后天线Fig.8 Antenna after test

对试验后的天线进行驻波测试，天线2的驻波值为1.5，天线3的驻波值1.31，没有明显变化，说明天线罩的防护起到作用。

通过雷电扫掠试验摸底情况可知，典型的1 mm聚四氟乙烯罩微带天线在雷电环境中存在绝缘击穿风险，需对其雷电防护能力进行改进。下面将针对天线3类型的典型导弹天线进行雷电加固设计。

3 加固样机及试验验证

3.1 加固设计

天线加固的原则可概括为［8-9］：

a）耦合效应与天线中心频率有关，中心频率越低，天线感应的电流越大。因此进行整体系统设计时，在允许范围内，选择高频点作为工作频点。

b）阵子天线整个金属结构凸出，容易导致雷电直接效应。而在微带天线上增加非导电材质面板，可以避免雷电附着在天线上。因此在天线形式选取上，尽量选择带天线罩的天线。

c）在雷电环境下可通过优化罩体材料属性达到削弱内部天线电场的效果。在进行天线罩的防雷设计时，在满足总的天线性能指标要求的情况下，可以尽量选取介电常数较大的复合材质。

d）天线罩厚度可削弱内部天线的电场，经过研究随天线罩厚度的增加，内部天线附近电场呈指数降低，且厚度越小时电场的衰减越快，厚度越大则电场衰减越缓慢，按照这种趋势厚度增加到一定值后天线罩厚度对电场的削弱能力几乎稳定不变。因此天线罩厚度在一定范围内可适当增加。

本文针对天线3进行L、S频段同一形状的聚四氟乙烯天线罩微带天线的加固设计，通过之前的分析及试验摸底，选取通过增加天线厚度的方式进行天线雷电防护性能改进。基于试验现象及材料特性，为了满足设计余量，加固厚度设计为3 mm。加固天线实物如图9所示，对加固样机完成雷电扫掠试验及200 kA的波形A与100 kA的波形D电弧引入试验。

图9 加固天线实物样机Fig.9 Prototype of reinforced antenna

3.2 雷电试验验证

3.2.1 扫掠试验

试验场景布置如图7 所示，采用电压波形A，上升率为1 000 kV/μs±50%，正、负极性各放电2次，即每根天线试验次数均为4 次。天线的试验波形如图10～图11所示。

图10 S天线试验波形Fig.10 Test wave of antenna with S-band

图11 L天线试验波形Fig.11 Test wave of antenna with L-band

图12 电弧引入试验场景Fig.12 Aircraft non-conductive surfaces test scene

试验过程中未产生绝缘击穿或闪络现象，试验后通过对天线的外观进行检查，S、L 天线无损伤，天线通过雷电扫掠试验。

3.2.2 电弧注入试验

试验时试验布置场景图如12所示。

试验波形分别为200 kA电流分量A、100 kA电流分量D。其中电流分量A 峰值为200 kA±10%，作用积分达到2×106A2s±20%，总的持续时间不超过500 μs，试验时选用阻尼振荡波形；电流分量D 幅值为100 kA±10%，总的持续时间在500 μs 内，作用积分为0.25×106A2s±20%，试验时选用双指数波形。试验波形如图13～图14所示。

图13 S天线试验波形Fig.13 Test wave of antenna with S-band

图14 L天线试验波形Fig.14 Test wave of antenna with L-band

试验后通过对天线的外观进行检查，S、L 天线无损伤，天线通过电弧注入试验。

3.3 试验结论

改进的雷电防护性能的加固样机均顺利地通过了雷电扫掠试验及电弧注入试验，符合加固设计预期。

4 结束语

综上所述，带天线罩的微带天线抗雷效果优于阵子天线。通过试验可知，外推雷电波形200 kV 考核微带天线端口耦合电压时，在高阻状态下，量级能达到千伏级别；在低阻状态下量级为10 V左右。因此，在对无线设备射频端口进行设计时，将其设计成低阻状态，具备系统更优的雷电防护性能。同时，天线2（S 频段）的电磁感应电压比天线3（L 频段）的电磁感应电压低，与仿真结论分析一致。

通过上述分析，典型导弹天线在进行防雷设计时，可采用带天线罩的微带天线，同时可参考天线电性能材质进行防雷加固设计。针对高压70 kV雷电扫掠试验、200 kA电弧引入试验，聚四氟乙烯天线罩厚度设计值可为3 mm。