箭上電磁環(huán)境檢測接收天線研究

姜云升，劉丹陽，王 洋，宮長輝，鐘媚青

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100074；2.清華大學(xué)工程物理系，北京 100084；3.教育部粒子技術(shù)與輻射成像教育部重點實驗室，北京 100084)

0 引言

隨著運載火箭智能化水平及運載能力的提升，運載火箭上的無線電磁環(huán)境與傳統(tǒng)火箭存在顯著區(qū)別。伴隨著推進劑的變化、結(jié)構(gòu)的變化，發(fā)動機燃燒過程中所形成的電磁環(huán)境特性目前尚未可知。在前期，已有多位學(xué)者對火箭發(fā)動機的電磁衰減特性進行了研究，然而大多是理論和仿真層面的研究[1-4]，實際測量試驗也均為在地面模擬等離子體環(huán)境進行的微波試驗[5-6]，很難回答與空中實際飛行試驗中電磁環(huán)境的一致性問題。

此外，新一代運載火箭中的測量系統(tǒng)大量使用無線區(qū)域子網(wǎng)、高速天基測控以及無線供電技術(shù)[7]等異于傳統(tǒng)火箭測量系統(tǒng)的新技術(shù)，突出體現(xiàn)了“網(wǎng)絡(luò)化、無纜化、高速化、智能化”[8-9]等特征。顯然，無線鏈路的增多也使得箭上電磁環(huán)境變得更加復(fù)雜。

這種情況下，艙內(nèi)眾多電氣設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計、無線鏈路的設(shè)計與傳統(tǒng)火箭相比，過程變得更加復(fù)雜、設(shè)計依據(jù)更加單薄、結(jié)果更加難以預(yù)測。為了給上述問題的解決提供支撐，艙內(nèi)電磁環(huán)境的測量成為首先須要解決的問題。考慮到箭上常用的電磁頻段橫跨P波段～C波段，因此艙內(nèi)接收天線的測量范圍必須能夠覆蓋600 MHz～6 GHz。除此以外，由于電磁環(huán)境未知、箭體空間狹小、力熱環(huán)境要求高、供電水平受限，并且須要盡可能減小監(jiān)測天線對箭上環(huán)境的影響，因此天線還須要具備全向性、小型化、功耗低、環(huán)境適應(yīng)性強等特點。對超寬帶天線，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的工作進行設(shè)計研究。目前箭上使用的超寬帶天線暫無文獻資料。多數(shù)的超寬帶小型化天線集中在車載天線和探地雷達的研究中。例如Zhang等[10]設(shè)計了一款車載通信天線，通信頻帶為1.7 GHz～6 GHz，相比于箭上環(huán)境，頻率下限難以滿足；伍書凝等[11]研制了一款用于車載通信的鯊魚鰭天線，帶寬可達824 MHz～5 GHz，組裝成品的天線尺寸約為75 mm×160 mm×50 mm，但由于天線方向圖并非全向性，在應(yīng)用上存在一定限制；郁劍等[12]研制的天線裸板尺寸可到達30.0 mm×24.0 mm×1.6 mm，帶寬為3.09 GHz～11.10 GHz，低頻無法達到要求，不適用于箭上的電磁環(huán)境；目前手持探地雷達天線小型化超寬帶性能較好，尺寸可以控制在30 mm×20 mm以內(nèi)，大多頻段在3 GHz～11 GHz[13]，賈文楓等[14]設(shè)計一款用于探地雷達的領(lǐng)結(jié)天線，下限頻率可達400 MHz，但天線裸板平面尺寸不小于300 mm×100 mm，尺寸偏大難以在箭上安裝。本文設(shè)計了一種能夠符合箭上安裝要求的無源小型化電磁場接收天線，測量頻率覆蓋500 MHz～6 GHz。

1 接收天線設(shè)計

1.1 理論設(shè)計

為了滿足全向性、小型化、功耗低、環(huán)境適應(yīng)性強等要求，本文采用了一種地基整形單極子形式的天線作為基礎(chǔ)設(shè)計接收天線[15]。這種接收天線摒棄了傳統(tǒng)天線“-10 dB帶寬”的帶寬定義方式，轉(zhuǎn)而采用一種線性頻響來定義天線帶寬。其中頻率響應(yīng)指的是在各頻點入射電場均為1 V/m的情況下天線負載的輸出電壓。這種方式的好處是削弱了傳統(tǒng)天線對反射系數(shù)的嚴苛要求，能夠通過設(shè)計拓展帶寬；但缺點在于天線形狀設(shè)計難度大，低頻段頻率響應(yīng)低。

整形天線的思路是將天線的外形建立在一個等勢面上，結(jié)合等效電荷法，得到整形單極子，其外形應(yīng)滿足

(1)

式中，r為原點到等勢面的距離，h為天線高度，θ為天線的半錐角，k為與電勢相關(guān)的常數(shù)數(shù)值。對于錐形傳輸線，特性阻抗由錐角決定，表達式如下

(2)

因此為達到50 Ω阻抗匹配，半錐角應(yīng)當(dāng)為48°。

這種天線在其接收帶寬內(nèi)是一種差分型接收天線，天線的輸出電壓與輸入電場強度之間的關(guān)系在頻域和時域分別變?yōu)?/p>

(3)

式中，V表示天線收到入射電場激勵后的輸出電壓，Aeq為天線的等效面積，R為天線終端的負載阻抗，對于常規(guī)的射頻系統(tǒng)通常采用50 Ω。Aeq·R也稱為接收天線的靈敏度。D為入射電位移矢量，接收的通常為空氣介質(zhì)內(nèi)的電場，因此式中的電位移矢量也可以表示為

D=ε0E

(4)

式中，ε0為真空介電常數(shù)，E為入射電場強度。

此外，天線帶寬在理論上僅由上限頻率確定，下限頻率可以低至直流(Direct Current，DC)，但頻率越低天線的響應(yīng)越低，因此實際可以達到的下限頻率由后端電路及測量儀器確定。天線的上限頻率為

(5)

式中，C為天線與地之間的等效電容。

傳感器的有效面積和電容分別為[15]

(6)

(7)

式中，Q為電荷總量，U為天線與地之間的電勢差。式(7)已經(jīng)給出天線與地面之間的電容計算表達式，選擇不同的天線高度，即可選擇天線的不同上限頻率。

根據(jù)上述理論分析，為使接收天線滿足600 MHz～6 GHz的使用需求，首先須要考慮上限頻率達到6 GHz，此時根據(jù)式(5)～(7)的計算可以得到，天線高度為5 mm。對應(yīng)天線的靈敏度為0.935×10-12。對于天線接收的電場幅值下限，采用44 dBμV/m(約為1 mV/m)作為測量幅值下限。通常使用的頻譜儀底噪-70 dBm進行計算，在入射電場強度為1 mV/m時，能夠探測的最低頻率為2 GHz。因為下限難以滿足要求，所以本設(shè)計中采用低頻天線和高頻天線相結(jié)合的方式，滿足設(shè)計要求。為了描述方便，在接下來的描述中稱本節(jié)設(shè)計的上限頻率為6 GHz的天線為6g天線，稱本節(jié)設(shè)計的上限頻率為2 GHz的天線為2g天線。

為了能在底噪-70 dBm、500 MHz頻率下測得電場信息，計算得到的天線高度為15 mm，上限頻率為2 GHz。組合天線信息如表1所示。

表1 組合天線的狀態(tài)信息Tab.1 State information of composite antennas

為滿足火箭艙內(nèi)空間狹小的需求，天線進行緊湊設(shè)計后相對位置如圖1所示。

圖1 組合天線相對位置Fig.1 Relative position of the composite antenna

天線排布位置靠近，因此天線之間存在耦合和擾動，對天線性能存在干擾。在此種情況下須要進行擾動分析。

1.2 天線擾動分析

由于天線結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，天線間的擾動很難通過理論分析直接得到擾動的實際影響。因此本節(jié)首先使用等效電荷法對擾動產(chǎn)生的誤差進行估算，然后結(jié)合數(shù)值仿真得到具體對頻響的干擾。

對于單獨一段長度為z0垂直放置于金屬平面上的線電荷，其等勢面通過等效電荷法進行求解確定[16]

(8)

(9)

式中，Ψ為在不同高度z的條件下天線橫向長度，Φ為天線等勢面所處電勢值，λ為線電荷密度。

對于端口阻抗50 Ω、半錐角為48°的等勢面，圖2中的紅色曲線為對應(yīng)的等勢面。

圖2 線電荷的等勢面Fig.2 Equipotential surface of single line charge

根據(jù)上面的求解方式，將計算電勢的方式拓展到兩個不等長線電荷的情況。線電荷長度分別為z1和z2。在不考慮互相擾動的情況下，其等勢面如圖3所示。

圖3 兩個不等長線電荷的等勢面Fig.3 Equipotential surfaces of two unequal length line charge

與一段線電荷的等勢面推導(dǎo)方法類似。由于對稱性，可以將該問題簡化到x-z二維平面上進行分析。因此，式(8)可以繼續(xù)將y向變量全部簡化去除。兩個線電荷的等勢面滿足以下方程

(10)

其中，橫向距離Ψ1和Ψ2的定義為

(11)

一共考慮兩種情況來計算等勢面形狀，并通過兩種情況與現(xiàn)有等勢面之間的差別等價到天線的電容參數(shù)，從而變換到頻率響應(yīng)系數(shù)的擾動誤差。一種情況是考慮兩電荷均為同性電荷，另一種采用兩電荷為異性電荷。

兩個線電荷之間的長度只與相對關(guān)系有關(guān)，因此為了增加普適性，本節(jié)中的長度單位采用a.u.(arbitrary unit)，即量綱為1化長度進行分析。首先對于z1=1，z2=3情況下，改變x0進行分析。對于同性電荷的情況，得到間距2x0=3的情況下的等勢面結(jié)果如圖4所示。可以看出，在靠近探頭的位置處，其等勢面并沒有出現(xiàn)明顯的變形。隨著位置逐漸向兩探頭中間靠攏，其等勢面逐漸合并連接。這種分布符合該場景下的情況。隨著間距的增加，等勢面的變形明顯減小。距離及電荷極性變化時，等勢面形狀變化如圖4～圖7所示。

圖4 異性電荷情況下的等勢面(2x0=3)Fig.4 Equipotential surfaces of opposite charge (2x0=3)

圖5 異性電荷情況下的等勢面(2x0=2)Fig.5 Equipotential surfaces of opposite charge (2x0=2)

圖6 同性電荷情況下的等勢面(2x0=2)Fig.6 Equipotential surfaces of identical charge (2x0=2)

圖7 同性電荷情況下的等勢面(2x0=3)Fig.7 Equipotential surfaces of identical charge (2x0=3)

結(jié)合上面的分析，由于兩個線電荷之間距離拉近，等勢面被不同程度地壓縮或拉伸，與原有等勢面形狀不再一致。在不改變天線形狀的基礎(chǔ)上，為了定量描述探頭的電容變化，在這里采用一種誤差限的方式進行描述。該方法提取與探頭形狀內(nèi)外相切的兩條等勢線，用該等勢線的電勢限定一個誤差范圍，即探頭電勢的極限偏差，在電荷相同的情況下，可以以此來描述探頭對地電容的變化情況。不同情況下的誤差大小如表2所示。

表2 兩個不等長線電荷的等勢面偏差Tab.2 Equipotential surfaces error of two unequal length line charge

由表2可以看出，在z1=1，z2=3，2x0=3的情況下，與單天線情況下的歸一化電勢相比，最大偏差可以達到37%和21%。

2 仿真校驗

對設(shè)計完成的天線結(jié)構(gòu)使用CST MWS軟件進行仿真。因為是寬帶接收天線，所以重點考察兩種參數(shù)天線在頻域下的傳遞函數(shù)以及天線方向圖。數(shù)值仿真采用平面波進行激勵，激勵信號頻譜覆蓋范圍為DC--10GHz。采用50 Ω匹配端口監(jiān)測天線輸出接口的頻域響應(yīng)。

仿真得到的天線傳遞函數(shù)如圖8所示。在周圍的小天線6g-X(X=1～4)的頻率響應(yīng)基本一致，因此為了視覺清晰，不在同一張圖中全部繪制，僅體現(xiàn)一個小天線6g-X的頻率響應(yīng)。

圖8 兩天線的傳遞函數(shù)Fig.8 Transfer function of the two antennas

從圖8中可以看出，天線的傳遞函數(shù)在整體趨勢上與1.1節(jié)式(3)的關(guān)系一致，天線的傳遞函數(shù)幅值隨著頻率增大基本呈現(xiàn)線性上升形式。但與1.1節(jié)中結(jié)論的不同之處在于，理論推導(dǎo)中天線輸出與入射電場強度之間在頻域上存在嚴格線性關(guān)系，但在組合天線的仿真結(jié)果中，天線傳遞函數(shù)在頻點處存在“凹坑”(圖8中的標注位置)，這體現(xiàn)了天線之間擾動對傳遞函數(shù)的影響。

為簡化傳遞函數(shù)影響，采用線性擬合后的靈敏度對天線不同頻段內(nèi)的性能進行描述。分別對含“凹坑”的靈敏度和不含“凹坑”的靈敏度進行線性擬合，擬合結(jié)果與設(shè)計值之間的誤差關(guān)系如表3所示。

表3 仿真天線靈敏度及誤差Tab.3 Simulated response and relative error of the antennas

從得到的天線靈敏度數(shù)值及誤差看，在低頻頻段，天線的靈敏度誤差較小，在高頻段誤差偏大。轉(zhuǎn)折頻率點由低頻靈敏度偏差10%位置確定。通過擬合，可以看出天線靈敏度誤差均包絡(luò)在表1的誤差范圍內(nèi)，與理論預(yù)期相符。

3 試驗測試

3.1 樣機加工

在完成設(shè)計及仿真工作后，加工了樣機進行實物測試。天線樣機實物圖如圖9所示。

圖9 天線樣機實物圖Fig.9 Pictures of the prototype antenna

3.2 天線校準

天線校準工作在清華大學(xué)強電磁環(huán)境與效應(yīng)實驗室開展。

測試所用的儀器設(shè)備如下：

1)GTEM小室(Frankonia GTEM Cell-500，0.01 MHz～20 GHz)：用于產(chǎn)生一個準平面波電磁場；

2)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(R&S VNL，9 kHz～13.6 GHz)：用于測量、記錄單/雙端口系統(tǒng)的散射參數(shù)；

3)同軸高頻電纜(DC～18 GHz，10 m)：用于傳輸射頻信號。

天線校準方法采用IEEE 1309—2013中的方法[17]，得到的頻響測試結(jié)果如圖10所示。

圖10 校準得到的天線頻響Fig.10 Frequency response of the antennas obtained in calibration

圖10中，2g-Fit是對2g天線測量結(jié)果進行線性擬合后的結(jié)果，在100 MHz～3.33 GHz范圍內(nèi)，2g天線基本能夠滿足線性要求，頻帶范圍滿足要求。6g-X(X=1～4)這4個天線的測試結(jié)果對比表明，其加工一致性較好，在同一測試環(huán)境下得到的測量結(jié)果一致。6g-X-Fit是對6g-X(X=1～4)的測量結(jié)果進行線性擬合后的結(jié)果。可以看出，在1.6 GHz～6.08 GHz范圍內(nèi)，4個天線滿足線性要求，頻帶滿足設(shè)計指標。

從圖10中分別分段擬合得到天線的靈敏度，將得到的數(shù)值及與設(shè)計值相比的誤差列于表4中。

表4 測量得到的天線靈敏度及誤差Tab.4 Measured response and relative error of the antennas

從表3和表4的天線靈敏度對比結(jié)果中可以看出，本文設(shè)計的接收天線在性能上與理論數(shù)值存在一定差異。在實際使用過程中，可以通過規(guī)定誤差范圍對結(jié)果的準確性進行限定；也可以通過實測數(shù)據(jù)對天線性能進行修正，從而得到真實的測量結(jié)果。

3.3 電磁環(huán)境測試

為驗證監(jiān)測天線的測量效果，對實驗室內(nèi)的電磁環(huán)境進行了測試。為增大天線響應(yīng)，在天線后端接入一個40 dB增益的寬帶低噪聲放大器，型號為SHWLNA-40S，頻率范圍為0.5 GHz～6 GHz，平坦度不大于±1.5 dB。接收設(shè)備采用安捷倫矢量信號分析儀N9030A的頻譜儀功能。測試現(xiàn)場場景如圖11所示。

圖11 天線測試現(xiàn)場Fig.11 Antenna test scene

結(jié)合式(3)的關(guān)系式及校準得到的靈敏度測量值，恢復(fù)得到的天線測量入射場情況如圖12所示。從圖12中可以看出，兩天線在峰值位置符合較好，測得峰值及對應(yīng)的頻率范圍基本一致。此外，6g天線的基線顯著高于2g天線的基線數(shù)值。在低頻范圍差別約為20 dB，與兩種天線的靈敏度數(shù)值之間的差別一致。可以判斷基線的差別是天線靈敏度不同，而后端接入的放大器對噪聲的放大相同所致。因此也表明為了6g天線在低頻范圍內(nèi)能夠獲取更高的靈敏度，須要在6g天線后端接入噪聲系數(shù)更低的低噪聲放大器。

圖12 天線測試結(jié)果Fig.12 Test result of the antenna

另外，從測得峰值位置來看，常用的無線通信信號均已有效測得。由于測得信號較大，不能從測得的峰值來看出天線能否適應(yīng)設(shè)計小信號的測量。但從噪聲水平來看，現(xiàn)有6g天線噪聲水平可以達到-73.48 dBm，對應(yīng)場強為0.15 mV/m；2g天線噪聲水平可以達到-80.07 dBm，對應(yīng)場強為0.148 mV/m。為達到1 mV/m的測量水平，兩款天線均能達到要求。

經(jīng)環(huán)境試驗測試驗證，天線符合設(shè)計要求。

4 結(jié)論

為了滿足箭上電磁環(huán)境獲取需求，本文研制了一款超寬帶電磁監(jiān)測天線。從理論上設(shè)計分析了天線基礎(chǔ)性能，為了保證頻帶寬度和靈敏度，采用了兩種尺寸的天線并行放置的方案。在此基礎(chǔ)上，對多天線臨近放置的情況進行了理論分析。從仿真和校準試驗的角度對理論結(jié)果進行了驗證。從樣機的實際環(huán)境測試結(jié)果來看，天線性能與設(shè)計符合性較好。在后續(xù)的工作中，可以放置在艙內(nèi)進行搭載飛行，為艙內(nèi)電磁環(huán)境的獲取提供保障和支持。