艙外航天服天線設計及仿真驗證

李 鵬，周革強*，劉 熒，柴舜連，軒 永

(1. 中國航天員科研訓練中心， 北京100094； 2. 國防科技大學電子科學學院， 長沙410073)

1 引言

艙外航天服天線是構成無線通信系統的重要部件，將高頻信號電流轉換成自由空間中傳播的電磁波，同時也可以將自由空間傳播的電磁波轉換成高頻信號電流，實現無線信號在自由空間的傳輸。

俄羅斯海鷹系列艙外航天服天線位于外側保護層之內、隔熱層之外，采用編織成網狀柵格的導電纖維制作而成，導電織物覆蓋整個航天服，整個艙外航天服作為天線來使用，構成所謂的形體天線，即“全身天線”。 優點是與服裝整體共形，無凸出點，天線全向覆蓋性較好；缺點是全身天線生產研制困難較大，工藝較為復雜，需與整服相匹配[1]。

NASA 的EMU(Extravehicular Activity Unit)航天服在阿波羅登月服的基礎上進行簡化和優化，其天線是硬質材料天線，為獨立模塊，便于裝配，能夠縮短天線與通信機之間的連接電纜，減少電纜損耗。 為保證通信性能，天線安裝在背包頂部，便于覆蓋大部分空域，特別是上半空域，屬于單天線方案，空間覆蓋范圍有一定限制[2]。

NASA 近年來開展了月球和火星壓力服新技術研究，例如Mark III 和I-Suit 航天服。 該類服裝的天線安裝于背包頂部，由多天線構成，采用外置式結構，且增加了定位功能。 該天線方式與月球或火星表面開闊區域任務相匹配，但不適合在軌出艙活動，可能造成行走障礙[3]。 最新推出的Z系列艙外航天服表面無外露天線，可以推測其采用了嵌入式天線，與服裝共形。 由此可見，天線嵌入服裝內部，與服裝一體化設計是未來發展的趨勢。

神七任務中飛天艙外航天服采用嵌入式織物形式天線，實現了艙內外短距離、小范圍無線通信。 待空間站建成后，航天員將執行越來越多的艙外行走任務，出艙時間更長、距離更遠，面臨的通信環境更為惡劣和復雜，對艙外航天服天線覆蓋性和增益等指標提出了更高的要求，因此亟需開展適合中國空間站任務的艙外航天服天線設計與研究，滿足空間站任務出艙活動需求。

本文分析未來艙外航天服天線的需求，提出艙外航天服天線設計方案，并依據該方案進行多個安裝位置的仿真驗證，從通信覆蓋性指標、全向性等角度進行分析。

2 技術特點分析及整體方案

2.1 技術特點

與地面天線相比，由于使用環境的差異，艙外航天服天線具有如下技術特點：

1)電磁波傳輸方式差異。 電磁波在地面傳輸時，會遇到各種遮擋物，出現反射、折射、繞射等現象；在真空中(自由空間)傳播時以直射為主，也會出現傳播路徑被遮擋的情況(比如飛船、空間站艙體某些部位)，會產生反射、繞射現象，可以利用繞射現象擴大電磁波覆蓋范圍，滿足艙外活動范圍需要[4-5]。

2)材料耐溫要求較高。 地面環境溫度變化相對較為緩慢，且溫度變化范圍一般在-50 ～＋60 ℃；而空間環境因太陽輻照和背陰深冷帶來物體表面溫度劇變，變化范圍會達到-110 ～＋110 ℃[6]。 一般材料在低溫條件下會發生冷脆現象，且不能耐受溫度劇變。 因此，天線需選擇耐溫范圍寬的材料，必要時需進行熱防護，滿足艙外活動環境需要。

3)天線方向圖要求不同。 地面通信一般要求天線具有高增益、平面輻射的特點，使得無線傳輸距離越遠越好，方向圖要求為扁平狀，水平方向覆蓋范圍大；而在軌出艙活動是在一定范圍內的立體空間進行，在一定增益條件下電磁輻射方向圖要求盡可能為立體狀態(球形)，因此要求具有立體全向、低增益的特點，以滿足艙外活動的需要。

2.2 技術分析

1)增益覆蓋性分析。 增益覆蓋性是天線性能的重要指標參數，直接影響通信系統性能。出艙過程中艙外航天服的位置和姿態是不斷變化的，為了始終保持不間斷的高質量通信聯絡，天線最理想效果是具有全向空間覆蓋能力和足夠的增益。 但是全向覆蓋性和增益是一對矛盾，因此在天線增益滿足系統指標前提下，覆蓋性要盡可能高，以滿足全向要求。 為了保證艙外航天服與飛行器實現100%無線通信覆蓋性，需要對空間站天線和航天服天線的極化統籌考慮。 出艙航天員是“動點”，飛行器是“定點”，目前飛行器天線采用圓極化設計，避免出現正交極化而通信中斷的情況，艙外航天服天線建議采用線極化設計，盡管有3 dB的極化失配損耗，但是可保障出艙航天員與空間站之間始終保持不間斷的高質量通信聯絡。

2)天線尺寸分析。 中國飛天艙外航天服天線工作在UHF 頻段，該頻段電磁波波長與飛行器尺寸相當，當航天員在飛行器天線未覆蓋的陰影區出艙活動時可以通過電磁波繞射增加通信覆蓋性。

2.3 整體方案

天線類型繁多，對稱振子天線為最基本、最常用的天線。 振子天線帶寬較大，匹配容易，并且結構簡單，加工方便，為首選的天線類型。 俄羅斯海鷹艙外航天服天線就是振子天線。

采用導電織物材料作為輻射體，可以根據艙外航天服輪廓形狀來彎曲、變形，嵌入在服裝內部，與服裝共形。 為了簡化天線安裝數量，采用收發天線共用同一天線層，只是發射饋電點和接收饋電點位于不同位置，達到了結構簡單和收發分離的目的，天線整體模型如圖1 所示。

圖1 天線整體模型Fig.1 Schematic diagram of antenna

在充分借鑒俄羅斯海鷹艙外航天服天線的基礎上，結合中國飛天艙外航天服的實際特點，提出了4 種設計方案，分別是全身方案、半身方案、掛包方案和背包方案。 經過電磁仿真得到了天線的輻射方向圖與覆蓋性數據，選擇較優的天線安裝位置和形式。

3 天線結構設計

根據圖1 天線整體模型，艙外航天服天線可以分為天線層、饋電結構、阻抗匹配網絡、電纜等部件。

3.1 天線層設計

艙外航天服熱防護層主要由外側保護層、隔熱層和內側保護層構成。 外側保護層有防輻射、防火、防微隕石、防靜電的功能，并且電磁波是可穿透的，因此天線層可以復合在外側保護層之內，既能透射電磁波，又能對天線起著防護作用。 隔熱層包含鍍鋁薄膜等材料，具有一定導電性，對電磁波有一定的阻礙作用[7]，因此天線層必須在隔熱層外側。 如果天線層中的輻射體緊貼在隔熱層，將嚴重降低其輻射能力，甚至不能輻射電磁波。 因此在輻射體與隔熱層之間設置一定厚度的絕緣支撐層，保持二者間距；同時增加襯底層，作為輻射體的承載物，用于固定2 片輻射體的相對位置。 因此天線層包括輻射層、襯底層和支撐層，與服裝熱防護層復合結構如圖2 所示。

圖2 天線層與熱防護層復合層次結構Fig.2 Composite structure of antenna layer and thermal protective layer

3.1.1 支撐層建模及設計

支撐層設計是整個天線設計的基礎，它直接影響天線的增益覆蓋性，駐波等性能指標。

根據天線鏡像原理，支撐層厚度對天線輻射影響的分析模型如圖3 所示，電流元(長度遠小于波長的細電流)平行于導電面上，假設支撐層厚度為h，隔熱層近似為導電面。 輻射體上電流元的鏡像電流元位于- h 處，并且電流大小相等，方向相反。

對于較低頻率的電磁波，導電面在電流元輻射場的作用下將產生表面電流，從而形成二次輻射，使得原電流元的輻射場發生變化。

圖3 支撐層厚度影響分析模型Fig.3 Analysis model of thickness effect of supporting layer

取輻射場接收點P 在球坐標系中的坐標為P r，θ，φ( ) ，θ 為P 點與z 軸的夾角，φ 為P 點與x軸的夾角。 如圖4 所示，其中P′為P 點在xy 平面的投影。

根據文獻[8]，采用鏡像分析方法，可得P 處的總輻射電場為式(1)：

圖4 θ 與φ 在球坐標關系圖Fig.4 Spherical coordinate diagram of θ and φ

輻射磁場為式(2)：

其中，η0為自由空間波阻抗；Ip為P 點電場強度；r 為P 點至電流元的距離； f θ( ) 為對稱振子的方向性函數。 k ＝2π/λ 為自由空間相移常數，λ 為自由空間波長。

基于以上分析可知：當支撐層厚度h ≈0.25λ 時，天線輻射最強。

實際上，隔熱層主要由鍍鋁薄膜構成，其表面并不是理想導體面，而是有一定阻抗的導體面。而有阻抗的導體面對輻射體上電流元的鏡像作用遠小于理想導體面。 因此從理論上分析，支撐層厚度可以遠小于0.25λ。

由于隔熱層不是均勻結構，其電導率無法通過簡單測量確定，也不能通過仿真計算確定支撐層厚度，因此采用制作不同厚度支撐層天線進行測試的方法來探求支撐層最小厚度。 經試驗測試表明：當支撐層厚度h ≈0.025λ 時，在工作頻段范圍內電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)≤1.5，且天線能量輻射效率較高，可以滿足整個無線系統通信質量要求；當繼續減小支撐層厚度h 時，隔熱層的天線鏡像電流嚴重影響天線的輻射效率[9-10]，且在工作頻段范圍內導致VSWR 過大，影響整個無線系統的通信質量。

3.1.2 輻射體尺寸設計

天線輻射方向取決于輻射體上高頻電流的幅度和相位分布，需要優化電流分布，達到全向輻射，其主要通過輻射體尺寸和形狀來控制電流分布。

根據文獻[8]，對稱振子天線的歸一化場強方向性函數為式(3)：

其中：θ 為輻射方向垂直于振子軸線的角度，k ＝2π/λ 為自由空間相移常數，λ 為自由空間波長，l 為對稱振子長度(臂長)。

根據式(3)可得，對稱振子的輻射場呈現出球面的特性，且l ≤λ/2 時，方向圖只有主瓣，無旁瓣，方向性較強。

工程上常用半波振子天線( l ＝λ/4)和全波振子天線( l ＝λ/2)。 由于半波振子天線在尺寸上較小，其輻射方向覆蓋范圍相對較大，因此艙外航天服天線選擇半波振子天線的設計方法，即輻射體尺寸(振子臂長)取λ/4 長度即可。

3.1.3 輻射體材料分析

導電織物材料柔軟，易于裁剪縫制，是輻射體材料的最佳選擇方案。 經過多年的研究發展，除了純金屬纖維織物材料外，還出現了金屬化織物，如含導電高分子涂層纖維及織物，表面鍍覆金屬的纖維及織物、含金屬纖維或金屬化纖維的織物等產品[11-12]。 表面鍍覆金屬的纖維及織物存在導電性差、涂層易脫落，不耐磨損等問題，因此不適用于天線設計，可從其它幾種金屬化織物中選擇適用于輻射體的材料[13-14]。

從導電率、耐溫性能、抗磨損性等重要指標分析，純金屬絲網材料具有導電率高，耐溫性能好，材料種類多(如銅絲網，鎳絲網，不銹鋼網等)等優勢，因此作為艙外航天服天線輻射體材料的首選。

3.2 饋電網絡結構設計

天線輻射體與饋線的連接處稱為饋電點，主要是從環境適應性和阻抗匹配兩方面進行設計。

3.2.1 環境適應性設計

天線輻射體位于艙外航天服隔熱層之外，在外太空熱真空環境中，溫度范圍可以達到-110 ～＋110 ℃。 輻射體材料完全能夠適應真空熱環境要求，但電纜及電連接器能夠承受的溫度有限，使用溫度范圍為-55 ～＋125 ℃。 因此天線電纜、電連接器必須位于航天服熱防護層內，以確保工作環境能夠滿足要求。 采用壓片式的饋電點轉換結構，實現饋線與輻射體的“線-面”之間可靠轉換，具備“外-內”不同溫度環境轉換的導電連接功能。

3.2.2 阻抗匹配網絡設計

天線阻抗匹配網絡主要調節天線的輸入阻抗，使得天線阻抗滿足無線系統的特征阻抗要求，實現阻抗匹配，以減小反射，減小駐波比。

天線阻抗匹配措施有：串聯四分之一波長阻抗變換器法、支節匹配法等。 從確保結構簡單及可靠的角度，采用支節匹配法實現阻抗匹配，即：在饋電點處并聯一根傳輸線支節，通過調節該支節的輸入阻抗，實現天線阻抗匹配[5]。

根據支節匹配原理，對艙外航天服天線阻抗匹配進行建模，如圖5 所示，該圖可表示為特征阻抗導納為Y0的無線傳輸天線連接一個阻抗導納為YL的通信負載。 其中，Yin為天線總輸入導納，Yin1為與通信終端的距離為l 位置的輸入導納，Yin2為與匹配端終端的距離為l′ 位置的輸入導納。

圖5 支節匹配示意圖Fig.5 Schematic diagram of branch matching

實現通信系統整體阻抗匹配，即通過支節匹配裝置實現Yin＝YL＝Y0，達到阻抗匹配的目的，見式(4)：

在傳輸線上任意點的輸入阻抗導納可表示為復數，其表達式為Y ＝G ＋jB。

在整個饋電傳輸線上總能找到一些位置，其輸入導納的實部等于傳輸線特性導納。 一般選距離終端最近的位置(假設與終端的距離為l)，可表示為式(5)：

在該位置并聯一個支節(即匹配支節)，一般選用短路支節(即Y′L＝0)，使其支節的阻抗導納的實部為0，虛部為負數，可表示為式(6)。

當此處的阻抗導納Yin1和Yin2的虛部相等時，天線總輸入導納可表示為式(7)：

從而實現了天線自身阻抗與無線傳輸系統的阻抗匹配。

4 安裝位置仿真分析

本文采用基于有限元的電磁場數值仿真方法，采用四面體網格剖分方法，精細模擬天線安裝位置、熱防護服和艙外航天服的細節結構，采用自適應迭代法求解數值方法進行微分形式麥克斯韋方程組的求解。 快速、準確地解決天線、熱防護服和艙外航天服大尺寸、多材料、復雜結構電磁仿真問題。

4.1 全身方案與仿真結果

借鑒俄羅斯海鷹艙外航天服天線設計，將輻射體布滿整個艙外航天服(除了面部和雙腳)，構成“形體天線”。 如圖6 所示，綠色部分為服裝本體結構，黃色部分為天線層。 在腰部位置將天線層分為上下兩部分，通過左右兩側的饋電點連接，形成上下形式的不規則粗柱體振子天線。

圖6 全身方案天線模型Fig.6 Whole-body antenna model

全身方案收發天線三維仿真方向圖如圖7、圖8 所示，可見天線全向性和增益覆蓋性較好，在艙外航天服后方局部角度區域有較深零深(相對于周圍增益較小的區域)，這是由于饋電點在前方，電流比較集中在饋電點附近的緣故。

4.2 半身方案與仿真結果

從減小工程實現難度考慮，提出半身方案。半身方案的輻射體覆蓋面積較小，天線層主要放置在腰部位置。 如圖9 所示，綠色部分為服裝本體結構，黃色部分為天線層。 在腰部位置將天線層分為上下兩部分，通過饋電點連接，同樣形成上下形式的不規則粗柱體振子天線。

半身方案收發天線三維仿真方向圖如圖10、圖11 所示，在某些增益點的覆蓋性差，但整體增益覆蓋性較好，在艙外航天服后上某些區域有較深零深，主要是饋電點在身體前側，艙外航天服背后上方受到軀干和頭部的遮擋，出現部分零深。

圖7 全身方案發射天線三維方向圖Fig.7 Three-dimensional pattern of the whole-body transmitting antenna

圖8 全身方案接收天線三維方向圖Fig.8 Three-dimensional pattern of the whole-body receiving antenna

圖9 半身方案天線模型Fig.9 Half-body antenna model

4.3 掛包方案與仿真結果

飛天艙外航天服掛包安裝于服裝背后下部[6]，其特點為獨立性好，將天線與其共形，可以隨掛包拆裝和維護。 如圖12 所示，綠色部分為掛包本體結構，黃色部分為天線層。 天線層將掛包外表面包裹覆蓋，采用左右對稱的設計方式，饋電裝置分別放置在底部和背部，形成左右形式的不規則振子天線。

圖10 半身方案發射天線三維方向圖Fig.10 Three-dimensional pattern of the half-body transmission antenna

圖11 半身方案接收天線三維方向圖Fig.11 Three-dimensional pattern of the half-body receiving antenna

圖12 掛包天線模型Fig.12 Hanging-bag antenna model

掛包方案收發天線仿真三維方向圖如圖13、圖14 所示，天線全向性和增益覆蓋性也較好，其覆蓋范圍偏下方。 在艙外航天服上方部分角度區域有較深零深，主要是饋電點在掛包的底部和后部，受到艙外航天服裝背包和身體遮擋而造成的。

4.4 背包方案與仿真結果

飛天艙外航天服采用背入式，背包位于服裝背后上部[6]，其外觀平整的，面積較大，是艙外航天服天線較優的安裝位置。 如圖15 所示，綠色部分為背包本體結構，黃色部分為天線層。 天線層覆蓋整個背包表面，采用上下設計方式結構，兩個饋電點位于背包中間位置，形成上下形式的不規則的振子天線。

圖13 掛包方案發射天線三維方向圖Fig.13 Three-dimensional pattern of the hangingbag transmission antenna

圖14 掛包方案接收天線三維方向圖Fig.14 Three-dimensional pattern of the hangingbag receiving antenna.

圖15 背包方案(上下形式）天線模型Fig.15 Backpack(upper-lower）antenna model

背包方案收發天線仿真三維方向圖如圖16和圖17 所示，天線全向性和增益覆蓋性均很好，只在個別位置由于局部遮擋點存在有零深。

4.5 仿真結果分析

1)增益覆蓋性分析。 4 種方案的增益覆蓋性仿真數據如表1、表2 所示。 在增益≥-8 dBi 的覆蓋性差異較為明顯，尤其是半身方案，受到服裝胸前產品、肢體位置等影響，導致收發增益覆蓋性較小，增益覆蓋性還不到30%。 背包方案的輻射面無遮擋，且電磁信號可以通過繞射到服裝前部，因此收發增益覆蓋性較好，在增益≥-8 dBi 時，覆蓋性可以達到60% 和80% 以上； 在增益≥-12 dBi，覆蓋性擴大到90%以上。

圖16 背包方案(上下形式）發射天線三維方向圖Fig.16 Three-dimensional pattern of the backpack(upper-lower）transmission antenna.

圖17 背包方案(上下形式）三維接收天線方向圖Fig.17 Three-dimensional pattern of the backpack(upper-lower）receiving antenna

表1 發射天線增益覆蓋性仿真數據比較Table 1 Comparison of simulation data for gain coverage of transmitting antennas /%

表2 接收天線增益覆蓋性仿真數據比較Table 2 Comparison of simulation data for gain coverage of receiving antennas /%

2)三維方向圖分析。 從4 種方案的方向圖可以看出半身方案和掛包方案的三維方向圖凹點相對較多，增益覆蓋性不平衡。 半身方案受到服裝形狀和軀干遮擋的影響較大，雖然增益整體覆蓋性較好，但在空間行走過程中會出現通信位置正好為零深點的極端情況，通信可能會出現時斷時續的現象；掛包方案由于其安裝在服裝的背后下部，因此其在服裝上部的增益覆蓋性較差，影響通信質量。全身方案和背包方案的三維仿真圖近似于球形，其增益覆蓋性較為均衡，通信質量較好。

5 結論

1)本文針對艙外航天服天線的特殊應用環境和需求進行分析，采用與服裝共形的織物天線方案作為艙外航天服天線的研究方向。 針對艙外航天服天線輻射體安裝位置，分別設計了全身方案、半身方案、掛包方案和背包方案，并進行了電磁仿真和比較分析，其中“背包方案”三維方向圖較為均衡，且增益在≥-12 dBi 時收發天線的覆蓋性可以達到90%以上。

2)采用天線輻射體與服裝熱防護層復合技術實現了與服裝共形；對饋電網絡進行了艙外溫度適應性設計，將艙外航天服天線結構分成了內外兩部分，使得電纜和電連接器等耐溫性能差的部件放在隔熱層內側，滿足其工作溫度要求；采用支節法進行阻抗匹配調節，簡單、可靠、便捷。

3)隨著通信技術的發展，智能天線技術成為新一代通信的核心[15]，未來艙外航天服及登月服無線通信系統可以采用這些先進的技術，實現無線定位，為未來探月活動技術提供思路和技術方案。

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