雷达罩、天线罩雷电直接效应防护及试验技术

概要

在现代航空领域中，雷达罩及天线罩作为飞行器的重要组成部分，其性能直接关系到飞行器的探测能力和通信效果。然而，雷电作为一种自然现象，对飞行器构成了严重威胁，特别是雷电直接效应对雷达罩及天线罩的物理破坏，更是不可忽视的问题。本文旨在探讨雷达罩及天线罩的雷电直接效应防护技术，以及为飞行器的安全运行提供有力保障。

01 雷电直接效应

雷电直接效应是指雷电直接落到雷达罩或天线罩上所产生的物理破坏效应。这种效应主要包括雷电波冲击、电击穿、热、电磁力等。

02 飞行器雷击区域

根据雷电在飞行器上的附着概率不同，将飞行器的雷击区域分为3个大类、6个小类。其中，1A区、1B区和1C区 属于首次回击区域，2A区和2B区 属于闪电通道扫掠区域，而3区则是闪电流传导区域。

在防护设计中，应优先考虑将雷达罩及天线罩放置在雷击概率较小的区域，如3区。

03 雷达罩、天线罩的雷电防护技术

对于雷电直接效应的防护，主要依赖于罩体的材料特性、结构设计以及防护装置。一方面，选择具有高介电常数的材料可以提高天线罩的击穿电压，从而增强其对雷电冲击的承受能力。另一方面，通过合理设计天线罩的厚度和形状，可以优化电场分布，减少雷电对天线罩的破坏。同时，可以利用分流条等装置将雷电流引导至安全区域，从而保护雷达罩及天线罩免受损坏。

1、罩体特性及结构设计防护：

a. 罩体材料与电场分布的关系：对于传统介质：随着罩体 εr增加，天线罩相对介电常数在 0~50 以内变化时防雷效果较明显。

b. 罩体厚度与电场分布的关系：随罩体厚度增加，内部天线附近电场逐渐降低，且趋势越来越缓。

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2、间隙型导流条防护：

片段式导流条或者间隙型导流条分流条是一种用于雷电防护的装置，其透波性较好，对天线影响较小。其工作原理如下：

结构组成：片段式导流条由一系列薄的导电金属片组成，这些金属片之间用阻性材料连接，并固定在复合基带上。

正常状态：在正常情况下，由于金属片段之间存在间隙，导电通道处于断开状态，整个导流条属于绝缘体。

雷击时：当遭遇雷击时，相邻金属片段两端开始聚集大量电荷，并产生羽毛状的电弧。当电压达到一定值时，金属片段便会击穿上方空气，形成电离通道。

雷电流传导：雷电流通过这个电离通道传导到引下线，而不经过导流条本身。这样既不会对导流条自身造成破坏，也避免了大电流对叶片表面的损伤。

a.导流条间隙与电场分布的关系

导流条的间隙对电场分布具有重要影响，目前来说导流条片段的间隙，大体上都是在0.2mm，相比与0.6mm、1.0mm等间隙距离，0.2mm电场强度是比较高，更容易接闪雷电。

b.导流条形状与电场分布的关系

导流条的形状对电场分布具有重要影响。不同形状的导流条在雷击时会产生不同的电场分布特性。例如，椭圆形和圆形导流条在雷击初期的电场强度较高；菱形导流条在尖端点击穿的瞬间会烧蚀，导致尖端越来越圆滑；而正方形导流条在导通后连续性更好，雷电可以一直连续下去。因此，在选择导流条形状时，需要根据具体的应用场景和防护要求进行综合考虑。

c.导流条尺寸与基带介电常数的影响

导流条的尺寸也是影响其防护效果的重要因素之一。如果导流条的尺寸超过了波长的1/8，就会影响其透波性能。一般来说，导流条的尺寸在1mm~2.5mm之间比较合适。此外，基带介电常数也会对电场分布产生影响。基带介电常数越低，电场场强越强。因此，在选择基带材料时，需要考虑其介电常数对电场分布的影响。

d.导流条的分布设计

e.导流条的长度计算

需根据电压击穿效应计算，一般是高于天线的30%~50%左右是最合适的，如下图所示的模型中350mm长的导流条已经能防护雷电了，450mm长的导流条效果已经很好了。

f.分流条的数量计算

04 试验验证与仿真分析

在雷电防护技术的研发过程中，试验验证和仿真分析是不可或缺的手段。通过搭建试验设备，可以模拟雷电直接效应对雷达罩及天线罩的破坏过程，并观察防护装置的实际效果。同时，利用仿真软件对电场分布进行模拟和分析，可以进一步优化防护装置的设计参数和结构形式。

1、初始先导附着试验：需要考虑各个方向的来雷，因此试验时要选择多个方向多个角度进行测试，测试时需要放置实际的天线或者参数一致的模拟件，以保证试验的合理性和准确性；

2、扫掠通道试验：需要注意当试验件大于0.25m，需要分段扫掠；

3、大电流物理破坏试验：当确认了罩体的雷击附着点，后续应进行大电流测试，以验证防护装置的同流能力，同时监测感应，看天线端口上的感应电压，感应电流是否在我们的设计阈值内。

总结

在具体实践中，我们可以从以下几个方面入手：

一、加强材料研发，寻找具有更高介电常数和更好透波性能的新材料；

二、优化结构设计，通过改变天线罩的形状和厚度等参数来优化电场分布；

三、深入研究分流条等装置的防护机理和性能特点，探索更加高效和可靠的防护方案；

四、加强试验验证和仿真分析工作，不断提高防护技术的可靠性和实用性。

文章选自苏州泰思特电子科技有限公司（公司专业致力于电磁兼容测试仪器及复杂电磁环境效应试验测试技术研究和新产品开发，是一家集研发、生产、销售和服务为一体的一站式系统解决方案服务商。）

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