用CST軟件仿真替代部分衛星RM測試的可行性研究

楊小勇 牛小龍

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

1 引言

在衛星天線分系統研制過程中,多采用全尺寸輻射模型星(RM 星)[1]測試的方式對初樣電性設計結果進行試驗驗證。該項測試在天線分系統的研制過程中起到了非常重要的作用。但是,由于RM 測試具有試驗周期長、試驗成本高、獲取數據量有限等缺點,隨著型號研制任務的增多,已不允許對每顆衛星天線分系統設計進行RM 測試。在這樣的條件下,各種電磁場仿真軟件應運而生。環境減災-1A、1B[2]采用了CST-MWS 軟件[3]。CST-MWS 軟件是目前唯一一種采用全波分析方法進行電大尺寸問題分析的仿真軟件,它采用時域有限積分法[4],能對100個波長以內的電磁場問題進行全波分析求解。通過CST-M WS 軟件分析是否能夠取代部分RM 測試的工作,起到設計驗證的作用,同時節約研制成本,縮短研制周期,是亟待回答的問題。本文通過將分析結果與測試結果進行對比的方式回答以上問題。

2 論證過程設計

2.1 流程設計

論證過程分兩大部分:

1)軟件仿真分析,包括單元天線仿真和星體仿真;

2)對仿真模型進行驗證測試,包括單元天線方向圖測試和星體方向圖測試。其中星體方向圖的仿真與測試包括增益方向圖和軸比方向圖。

2.2 模型的選擇

驗證模型選擇了某衛星全向天線,該天線為S頻段背射雙線螺旋天線[5]。單元天線及星體仿真模型如圖1～3 所示。

圖1 天線仿真模型Fig.1 Antenna simulation model

圖2 衛星仿真模型Fig.2 Simulation model of satellite

該衛星采用的是我國東方紅三號衛星平臺,衛星突出于星體的設備很多,全向天線的電磁邊界復雜。

為確保驗證的有效性,以上模型均完全按照真實設計結果進行建模。由于天線為半球覆蓋波束,星體安裝面的另一面對天線輻射特性的影響可以忽略,所以在最終計算模型中將另一半星體截掉,不影響分析結果。衛星仿真模型圖中-Y 方向為Φ=0°, +Z 方向為Φ=90°。

星體測試模型直接選用了該衛星的完整結構進行,星體表面設備完整。

2.3 測試驗證設計

單元天線的測試在半開口暗室進行,測試采用圓極化天線照明[6],直接得到天線單元的圓極化方向圖。

星體方向圖的測試選擇在緊縮場進行[7],該測試場經過各方驗收,專門用于衛星條件下天線系統性能的測試工作。測試通過對兩個正交線極化分量測試結果進行線-圓變換,得到需要的覆蓋增益特性及軸比特性。

3 單元天線增益仿真與測試對比

確保單元天線的仿真分析精度是星體仿真分析的前提和基礎。單元天線增益測試結果與仿真結果比較如圖4 所示,由圖可知其一致性很好,滿足星體仿真條件。

圖4 單元仿真與測試(圓極化)(f=2 220M Hz)Fig.4 Test result and analysis result for unit(f=2 220MHz)

4 星體條件下增益仿真與測試對比

圖5～12 分別為每間隔22.5°不同子午面的增益方向圖測試與分析結果,其中左側為測試結果,右 側為仿真分析結果。

圖5 φ=0°面測試結果與仿真結果對比Fig.5 Test result and analysis result of gain for φ=0°plane

圖7 φ=45°面測試結果與仿真結果對比Fig.7 Test result and analysis result of gain for φ=45°plane

圖8 φ=67.5°面測試結果與仿真結果對比Fig.8 Test result and analysis result of gain for φ=67.5°plane

圖9 φ=90°面測試結果與仿真結果對比Fig.9 Test result and analysis result of gain for φ=90°plane

圖10 φ=112.5°面測試結果與仿真結果對比Fig.10 Test result and analysis result of gain for φ=112.5°plane

圖11 φ=135°面測試結果與仿真結果對比Fig.11 Test result and analysis result of φ=135°plane

圖12 φ=157.5°面測試結果與仿真結果對比Fig.12 Test result and analysis result of gain for φ=157.5°plane

由測試與分析的比較結果可以看出,軟件分析結果準確地反映出了天線位于星體上的增益覆蓋特性。仿真分析精度滿足天線設計驗證工程應用要求。

5 星體條件下軸比特性仿真與測試對比

圖13～20 分別為每間隔22.5°不同子午面的主瓣方向軸比方向圖測試與分析結果,圖中虛線為仿真分析結果,實線為測試結果。

由測試與分析的比較結果可以看出,軟件分析結果準確地反映出了天線位于星體上的軸比特性。仿真分析精度滿足天線設計驗證工程應用要求。

6 結論

圖13 φ=90°面軸比特性仿真與測試比較Fig.13 Test result and analysis result of AR for φ=90°plane

本文對比了某衛星全向天線的CST-MWS 軟件分析結果和RM 測試結果,通過比較可知,在仿真模型精度能夠得到保證的前提下,CS T 軟件RM仿真分析結果的準確性滿足RM 星設計驗證要求。環境減災-1A、1B 衛星天線分系統完成的RM 星仿真分析結果是正確的,用CS T 軟件仿真分析替代部分RM 測試工作也是可行的。將CS T-M WS 軟件工具廣泛應用于寬波束天線的星體覆蓋特性的仿真分析,對于提高航天器天線研制水平,節約研制成本,進一步縮短研制周期,具有重要意義。

圖14 φ=112.5°面軸比特性仿真與測試比較Fig.14 Test result and analysis result of AR for φ=112.5°plane

圖15 φ=135°面軸比特性仿真與測試比較Fig.15 Test result and analysis result of A R for φ=135°plane

圖16 φ=157.5°面軸比特性仿真與測試比較Fig.16 Test result and analysis result of AR for φ=157.5°plane

圖17 φ=180°面軸比特性仿真與測試比較Fig.17 Test result and analysis result of AR for φ=180°plane

圖18 φ=202.5°面軸比特性仿真與測試比較Fig.18 Test result and analysis result of A R for φ=202.5°plane

圖19 φ=225°面軸比特性仿真與測試比較Fig.19 Test result and analysis result of AR for φ=225°plane

圖20 φ=247.5°面軸比特性仿真與測試比較Fig.20 Test result and analysis result of AR for φ=247.5°plane

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