箭上電磁環境檢測接收天線研究

姜云升，劉丹陽，王 洋，宮長輝，鐘媚青

(1.北京宇航系統工程研究所，北京 100074；2.清華大學工程物理系，北京 100084；3.教育部粒子技術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境與傳統火箭存在顯著區別。伴隨著推進劑的變化、結構的變化，發動機燃燒過程中所形成的電磁環境特性目前尚未可知。在前期，已有多位學者對火箭發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境的一致性問題。

此外，新一代運載火箭中的測量系統大量使用無線區域子網、高速天基測控以及無線供電技術[7]等異于傳統火箭測量系統的新技術，突出體現了“網絡化、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境變得更加復雜。

這種情況下，艙內眾多電氣設備的電磁兼容性設計、無線鏈路的設計與傳統火箭相比，過程變得更加復雜、設計依據更加單薄、結果更加難以預測。為了給上述問題的解決提供支撐，艙內電磁環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，由于電磁環境未知、箭體空間狹小、力熱環境要求高、供電水平受限，并且須要盡可能減小監測天線對箭上環境的影響，因此天線還須要具備全向性、小型化、功耗低、環境適應性強等特點。對超寬帶天線，國內外學者開展了大量的工作進行設計研究。目前箭上使用的超寬帶天線暫無文獻資料。多數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，大多頻段在3 GHz～11 GHz[13]，賈文楓等[14]設計一款用于探地雷達的領結天線，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 接收天線設計

1.1 理論設計

為了滿足全向性、小型化、功耗低、環境適應性強等要求，本文采用了一種地基整形單極子形式的天線作為基礎設計接收天線[15]。這種接收天線摒棄了傳統天線“-10 dB帶寬”的帶寬定義方式，轉而采用一種線性頻響來定義天線帶寬。其中頻率響應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天線對反射系數的嚴苛要求，能夠通過設計拓展帶寬；但缺點在于天線形狀設計難度大，低頻段頻率響應低。

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

(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為與電勢相關的常數數值。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，半錐角應當為48°。

這種天線在其接收帶寬內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系在頻域和時域分別變為

(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，對于常規的射頻系統通常采用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內的電場，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，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，此時根據式(5)～(7)的計算可以得到，天線高度為5 mm。對應天線的靈敏度為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，所以本設計中采用低頻天線和高頻天線相結合的方式，滿足設計要求。為了描述方便，在接下來的描述中稱本節設計的上限頻率為6 GHz的天線為6g天線，稱本節設計的上限頻率為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 組合天線的狀態信息Tab.1 State information of composite antennas

為滿足火箭艙內空間狹小的需求，天線進行緊湊設計后相對位置如圖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

由于天線結構的復雜性，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。因此本節首先使用等效電荷法對擾動產生的誤差進行估算，然后結合數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的等勢面。

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

根據上面的求解方式，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有等勢面之間的差別等價到天線的電容參數，從而變換到頻率響應系數的擾動誤差。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系有關，因此為了增加普適性，本節中的長度單位采用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

對設計完成的天線結構使用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天線在頻域下的傳遞函數以及天線方向圖。數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匹配端口監測天線輸出接口的頻域響應。

仿真得到的天線傳遞函數如圖8所示。在周圍的小天線6g-X(X=1～4)的頻率響應基本一致，因此為了視覺清晰，不在同一張圖中全部繪制，僅體現一個小天線6g-X的頻率響應。

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

從圖8中可以看出，天線的傳遞函數在整體趨勢上與1.1節式(3)的關系一致，天線的傳遞函數幅值隨著頻率增大基本呈現線性上升形式。但與1.1節中結論的不同之處在于，理論推導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系，但在組合天線的仿真結果中，天線傳遞函數在頻點處存在“凹坑”(圖8中的標注位置)，這體現了天線之間擾動對傳遞函數的影響。

為簡化傳遞函數影響，采用線性擬合后的靈敏度對天線不同頻段內的性能進行描述。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，擬合結果與設計值之間的誤差關系如表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在表1的誤差范圍內，與理論預期相符。

3 試驗測試

3.1 樣機加工

在完成設計及仿真工作后，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強電磁環境與效應實驗室開展。

測試所用的儀器設備如下：

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

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

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天線測量結果進行線性擬合后的結果，在100 MHz～3.33 GHz范圍內，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個天線的測試結果對比表明，其加工一致性較好，在同一測試環境下得到的測量結果一致。6g-X-Fit是對6g-X(X=1～4)的測量結果進行線性擬合后的結果。可以看出，在1.6 GHz～6.08 GHz范圍內，4個天線滿足線性要求，頻帶滿足設計指標。

從圖10中分別分段擬合得到天線的靈敏度，將得到的數值及與設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果中可以看出，本文設計的接收天線在性能上與理論數值存在一定差異。在實際使用過程中，可以通過規定誤差范圍對結果的準確性進行限定；也可以通過實測數據對天線性能進行修正，從而得到真實的測量結果。

3.3 電磁環境測試

為驗證監測天線的測量效果，對實驗室內的電磁環境進行了測試。為增大天線響應，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。接收設備采用安捷倫矢量信號分析儀N9030A的頻譜儀功能。測試現場場景如圖11所示。

圖11 天線測試現場Fig.11 Antenna test scene

結合式(3)的關系式及校準得到的靈敏度測量值，恢復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天線的基線數值。在低頻范圍差別約為20 dB，與兩種天線的靈敏度數值之間的差別一致。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天線在低頻范圍內能夠獲取更高的靈敏度，須要在6g天線后端接入噪聲系數更低的低噪聲放大器。

圖12 天線測試結果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設計小信號的測量。但從噪聲水平來看，現有6g天線噪聲水平可以達到-73.48 dBm，對應場強為0.15 mV/m；2g天線噪聲水平可以達到-80.07 dBm，對應場強為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。

經環境試驗測試驗證，天線符合設計要求。

4 結論

為了滿足箭上電磁環境獲取需求，本文研制了一款超寬帶電磁監測天線。從理論上設計分析了天線基礎性能，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果進行了驗證。從樣機的實際環境測試結果來看，天線性能與設計符合性較好。在后續的工作中，可以放置在艙內進行搭載飛行，為艙內電磁環境的獲取提供保障和支持。