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天线罩电厚度精密测量的关键技术(2)

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电子科技大学学士学位论文

重的功能需求为导弹天线罩的设计和制造带来了很大的困难。因此,研制一个综合性能趋于最佳的导弹天线罩,除了充分利用对导弹天线罩研究这一边缘学科的各种专业知识外,还必须解决天线罩本身面临的各种专门技术,这些技术包括天线罩的电气性能分析与设计技术、气动外形设计技术、材料与制造工艺技术等等[1,2]。目前,对导弹天线罩的研究也主要集中在这几个方面,其研究概况分述如下。

1.2 天线罩材料及测量的国内外发展现状

1.2.1导弹天线罩材料

导弹天线罩的功能及其所处的严峻工作环境,对天线罩材料的性能提出了多方面的要求,如:优良的介电性能(介电常数和损耗角正切),好的抗热冲击性能,高的强度性能,好的温度稳定性和结构均匀性,良好的工艺性、可加工性和经济性。但是迄今为止,没有一种材料兼备这些优良性能。一般情况下,制造天线罩的适用透波材料为波长在1~1000~之间,即频率在0.3~300GHz范围内、电磁波的单向透过率大于70%的材料[3]。现有的天线罩材料可分为有机材料和无机材料两大类:前者通常指以合成树脂为基体、玻璃纤维或有机纤维为增强材料制成的复合材料,后者一般指耐高温的非金属无机陶瓷材料[4]。当前,各国在天线罩材料方面的发展基础和技术水平不同,各有特点。美国的发展路线大致为玻璃增强纤维峥氧化铝陶瓷峥微晶玻璃峥石英陶瓷峥复合陶瓷材料。波音公司于上世纪50年代研制出了采用 Vibrinl35一E玻璃纤维缠绕成型的卵形天线罩,用于最大速度达3Ma的“波马克”导弹;康宁公司于 1955至 1956年研制成功一种介电常数为5.7,具有耐高温、强度高、电性能好的微晶玻璃天线罩,用于速度为3Ma~4Ma的“小猎犬”、“百舌鸟”等导弹;美国航空材料实验室于70年代,开发了一种熔融石英陶瓷材料介电常数在2.95一5.01之间的高性能天线罩,并使用在“爱国者”防空导弹上;美国陆军部于1997年研制出了无压烧结的从25℃到1000℃内介电常数变化不到4.7%的纳米复合陶瓷天线罩,应用于SMa以上的极超音速导弹。近年来,美国还对非碳化烧蚀材料的研究异常活跃,研制出了一系列具有热导率低、电性能好、在烧蚀过程中对电磁波的影响不大的聚四氟乙烯材料天线罩。英国的NELSON研究所曾研制出一种以磷酸盐为晶核的具有很好力学性能、耐热性能和介电性能的导弹用玻璃陶瓷天线罩[5]。法国NsPE公司生产出了一种在400℃条件下仍有良好的稳定性的树脂材料天线罩[6]。以色列研制出了一种具有足够的机械强度,耐雨蚀和耐沙蚀性能良好,可耐高温达1600℃的氮化硅材料天线罩[6]。

与这些国家相比,我国对天线罩材料的研究虽然起步较晚,但起点较高,早

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第一章 引言

期主要侧重于无机材料的研究,包括微晶玻璃、石英陶瓷等。近年来研制开发了各种石英玻璃基复合材料如采用三向编织石英纤维与熔融石英复合、碳纤维/熔融石英、氮化硼纤维增强熔融石英复合材料、聚四氟乙烯及其复合材料等等[5,6]。比如:上海玻璃钢研究所曾成功开发研制出微晶玻璃、石英陶瓷等材料天线罩,目前正研制生产用于高性能导弹的石英陶瓷材料天线罩;济南特种结构研究所研制出多种复合材料天线罩[23];哈尔滨工业大学对用玻璃纤维增强聚四氟乙烯复合材料研制高速宽频带防空导弹天线罩进行了深入研究;国内某单位采用石英陶瓷材料研制出了增强型石英陶瓷天线罩,已应用于SMa某新型高速防空导弹。

1.2.2天线罩电厚度的测量方法

国内在天线罩电厚度测量方面研究起步较晚,其方法与国外类似。对于RTM成型的有机材料天线罩,北京长城航空测控技术有限公司是国内最早进行其电气性能测试系统研制的单位。该公司参考国外同类产品,联合航空工业总公司所属的其它几个研究所研制成功了我国第一代机载雷达罩插入相位移(IPD)测试与校正系统,九十年代末,又成功研制了第二代IPD系统。目前,该公司研制的“xLD系列雷达罩IPD测试与校正系统”,主要用于飞机雷达罩的瞄准误差、方向图畸变、传输效率、天线方向图、反射系数等指标的测试和自动喷涂校正。而天线罩电厚度精密测量技术及装备,尚属国内空白。

1.3 课题的研究价值及意义

由于天线罩的电气性能受到多种因素的影响,如罩壁材料介电常数与设计值的不一致及介电常数分布的不均匀性,其成型和加工制造过程中产生的壁厚误差,流线形的气动外形对电气性能参数的敏感性等,而且其电气性能设计本身就是在一定的假设和近似的基础上进行的,这也会产生一些误差,这些因素都会影响导弹的瞄准精度及工作可靠性。为提高天线罩的电气性能,通过机械补偿方法对由于天线罩存在产生的电磁波相位变进行补偿是一个可行的方案。但无论采用何种机械补偿方式进行补偿,首先都必须确定天线罩电气性能是否达标及何处没有达到设计指标要求。电厚度作为一项重要的电气性能指标,对其测量是工程上用来检验天线罩电气性能设计是否达标的必要措施之一,天线罩电厚度测量为通过修正其几何厚度进行电气性能补偿提供了原始依据。由于天线罩制造技术是国防尖端技术,被国外严密封锁,加之该技术本身的难度,从查新报告可知,除课题组文献外,未见其它基于透射法导弹天线罩电厚度检测技术及装备的文献报道,目前国内也无现成的能够满足测量精度要求的精密测量仪器可以直接利用,这严重制约了新型高精确制导导弹的发展。因此,必须依靠自己的力量研究天线

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罩电厚度精密测量的关键技术,并研制相应的测量装备,攻克天线罩电厚度无法精确测量的难题,这不仅可以填补国内在该项技术上的空白,而且可以加速新型精确制导导弹研制进程,对于满足国防事业急需和提高我国国防实力具有重要的现实意义。

1.4 课题的难点、重点、核心问题及方向

1.4.1课题内容及特色

本课题通过对几种常用天线罩电厚度测试方法进行对比研究,确定了以同轴

探头为测量硬件对均匀介质板进行电厚度测量。并从电磁场理论的角度出发,对开口同轴线探头的设计进行讨论,详细分析了开口同轴线近场情况及法兰的设计思想、高次模及矢量网络分析仪的的误差分析。通过借鉴常用测量介质电磁参数的方法,及分析测量反射系数模值与相位与介质板插入相延迟的关系,获得了电厚度在不同频率电磁波照射下的变化情况。通过测量电厚度,及时发现介质板实际厚度及电磁特性的变化即可对介质板进行修正。 1.4.2 课题布局

第一章:绪论。主要包括课题的研究背景、来源和意义,还介绍了导弹天线罩及其电厚度测量相关技术的国内外研究与发展现状,最后说明课题研究价值及意义。

第二章:天线罩电厚度测量方法及测量系统总体方案研究。首先研究了天线罩电厚度测量原理及方法,然后根据被测天线罩的技术参数,对天线罩电厚度测量进行了需求分析,并构建了测量系统的总体方案;并对各种方法的测量精度进行分析,最后确定使用同轴探头全反射法为最佳测量方法。

从第三章到底六章主要对同轴探头全反射法进行理论推导及测试方法的研究。

第三章:终端开路同轴线理论基础。详细讨论了终端开路同轴探头的近场情况及法兰的设计理念以及高次模对探头的影响。第四章:测量仪器——定向耦合器与矢量网络分析仪的原理与应用及误差的理论分析。第五章:终端开路同轴探头的计算机仿真。主要用matlab进行理论仿真与HFSS进行的实物仿真测试实验。第六章为实际测量并比对理论与实测数据。

第七章:结束语。

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第二章 天线罩电厚度测量方法和测量系统总体方案研究

第二章 天线罩电厚度测量方法及测量系统总体方案研究

2.1 电厚度及其测量原理

2.1.1电厚度与电厚度误差

根据平面波在介质中的传播理论[28],电磁波通过一定厚度的不同介质时,将会引起不同的相位滞后。所谓电厚度,即指平面电磁波仅一次通过一种具有一定厚度的均匀无损耗介质层时所产生的相移量。电厚度与介质的几何厚度h、相对介电常数乓角只等参数有关,可表示如下:

??2?h?0?r?sin2?i (2.1)

式中,λ

0为某一频率入射波在真空中的波长。

0和θi相对固定,那么影响电厚度的主要因素是

对于一种特定的介质,若λ

介质层的几何厚度和介电常数。为分析介电常数误差和壁厚误差对电厚度误差的影响,将式 (2.1)求全微分,可得:

d??2??0?r?sin2?i?dh??h?0?r?sin?i2?d?r (2.2)

由此,可将电厚度误差表达式写为:

???w1??h?w2???r (2.3)

式中

w1?2??0?r?sin2?i ,w2??h?0?r?sin?i2

而当εr、h、λ0、和θi为定值时间,w1、w2为常数。

式(2.3)直观地反映了电厚度误差△Φ必与壁厚误差△h和介电常数误差△εr,之间的关系,即电厚度误差是由几何厚度误差引起的电厚度误差和介电常数误差引起的电厚度误差叠加而成。由此可知,电厚度反映了介质的介电常数、几何厚度等对其电气性能的综合影响。 2.1.2电厚度测量原理

天线罩电厚度测量与其它电磁波非电量测量[7]一样,其基本原理是根据电

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磁波反射、透射、散射、干涉及多普勒效应等物理特性的变化,以及被测物体电磁特性参数的相对变化,对电磁波的基本参量(振幅或相位)进行测量。 虽然天线罩的型面较为复杂,但当天线罩壁的曲率半径足够大,电磁波束照射在罩壁上的有效面积足够小时,可以近似为平板介质层[4]。因此,可以通过研究电磁波在平板介质中的传输特性来反映电磁波在天线罩中的透射、反射等传输特性。

(l)电磁波在平板介质中的传输特性

设介质层ab的几何厚度为h,相对介电常数为εr,损耗角正切为tanδr,电磁波的入射角为θi,其在真空中的波长为λ0,则考虑电磁波仅一次(不考虑多次透射)通过介质ab时的透射波为:

Eab?Aabe?j? (2.4)

式中,Φ称为程差因子或相移量,其值即为前面在式子(2.1)中定义的电厚度,Aab称为吸收因子或耗衰因子,可确定如下:

??h?rtan?r?0?r?sin2?iAab?e (2.5)

若ab为无损耗介质则tanδr≈0,Aab≈1,从式子(2.5)可简化为

Eab?e?j? (2.6) 由(2.1)式和(2.6)式可以分析出,电磁波在通过无耗介质时,幅值几乎没有衰减,但产生了相位滞后。

但是,在电磁波的实际传播中,它在介质层ab中不是仅经历一次透射,而是由于存在界面的不连续性,电磁波首先在界面a上发生反射和折射,形成反射波和透射波,透射波进入介质在界面b上又发生反射和折射,介质层ab引起的总反射是多次反射波的盛加,总透射也是多次透射波的叠加,其传输过程如图2.1所示。

图2.1 电磁波在平板介质中的传播特性

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