航天器高壓太陽電池陣列ESD 檢測用柔性天線傳感器

張國治，汪令儀，張翰霆，馮 娜，王 海，張曉星*

（1.湖北工業大學 新能源及電網裝備安全檢測湖北省工程研究中心，武漢 430068；2.北京東方計量測試研究所，北京 100094）

0 引言

隨著航天技術的快速發展，高壓太陽電池陣列作為航天器的主電源，其對運行安全性的要求越來越高[1-2]，100 V 及以上的高壓電池陣列已經普遍應用于地球同步軌道（GEO）航天器。運行于GEO 等離子體、高能電子環境的航天器，其高壓太陽電池陣列易產生靜電放電（ESD）[3-4]。ESD 形成過程伴隨有高電壓、強電場以及瞬時大電流，其電流上升時間可短于1 ns，且電流上升過程中伴隨有強電磁輻射，形成帶寬達幾MHz 至幾GHz 的電磁脈沖（EMP），這種ESD EMP 會誘發太陽電池陣列二次放電，造成太陽電池陣列功率損失甚至永久性短路。同時，ESD 過程還會在短時間內釋放大量的熱能，導致太陽電池表面玻璃蓋片的透明度下降進而降低太陽電池的轉換效率，甚至可能燒斷互連片造成太陽電池陣開路并致使回路損毀[5-6]。除此之外，EMP 還可以通過線路、孔縫等路徑耦合進入設備內部的敏感設備，可對航天器的電子設備、軟件控制系統和電源系統等重要部組件造成嚴重干擾或損傷，降低電子設備工作的可靠性[7-8]。據美國航空航天局統計，導致GEO 航天器在發射和運行過程中出現多起軟、硬件故障的主要誘因是ESD，ESD EMP 目前已成為航天器面臨的主要電磁威脅[9]。因此，針對航天器高壓太陽電池陣列ESD 過程中輻射的EMP 特性進行研究，對于了解航天器ESD 特征以及對其進行抑制具有重大意義。

目前常見的用于航天器ESD電磁輻射探測的天線有單、偶極子天線[10-12]、Wi-Fi 天線[13]、TEM 喇叭天線、對數周期天線[14]和長線天線[15-16]等，它們可以穩定接收ESD 電磁輻射信號，并且測量范圍廣，失真較小；但在應用過程中也存在缺點，如：現有的天線大多使用剛性結構，且縱向尺寸過大，安裝時無法很好地與航天器的金屬外殼共形，需要對航天器本身進行較復雜的結構改造才能穩妥安裝；天線監測的頻段與航天器ESD EMP 信號的主要頻段范圍不一致；天線檢測的靈敏度較低。

為克服上述ESD 電磁輻射探測天線存在的缺點，本文進行了航天器高壓太陽電池陣列ESD 檢測用柔性天線傳感器的研究。采用矩形貼片天線等效技術、梯形地平面技術和CPW 饋線指數漸近線化技術，利用ANSYSS HFSS 軟件構建柔性ESD電磁輻射檢測天線三維電磁仿真模型，仿真獲取天線在不同彎曲程度下的電壓駐波比（VSWR）和增益特性參數并進行優化；根據仿真優化結果研制柔性天線傳感器樣品，利用矢量網絡分析儀進行VSWR 測試，并通過搭建的ESD 模擬試驗平臺對該柔性天線傳感器的ESD EMP 檢測性能進行實驗分析。

1 ESD 電磁輻射檢測用柔性天線工作原理

天線部分由敷于介質板上的銅質橢圓平面單極子天線、梯形地平面和CPW 饋線組成。

1.1 橢圓平面單極子天線

橢圓平面單極子天線由微帶天線演變而來，具有結構簡單、超寬帶以及饋電網絡可與天線本體結構集成等優點[17]，被廣泛應用于軍事和航空航天等領域。

橢圓平面單極子天線的橢圓輻射貼片的半長軸a和半短軸b由天線所感知的電磁波最大波長決定，其具體尺寸可根據矩形貼片天線的等效圓柱體振子的底面半徑r和高度h計算得到[18]。具體計算方法如下：

分別用圓柱體振子的柱體表面積S柱和高度h等效橢圓輻射貼片的面積S面和橢圓長軸2a，即

其中：h與天線所感知頻段內電磁波最大波長λ的對應關系為

通過式(1)～式(3)可知，圓柱體振子感知的電磁波最大波長對應的最低工作頻率f和橢圓輻射貼片半長軸a、半短軸b之間的關系為

其中：橢圓軸a和b的單位為cm，頻率f的單位為GHz。

當橢圓輻射貼片軸比（a/b）為1 時，可將該橢圓輻射貼片視作特殊的圓形輻射貼片，則最低工作頻率和橢圓輻射貼片尺寸的關系為

1.2 梯形地平面

梯形地平面采用盤錐天線平面化的思想[19]，取盤錐天線二維平面結構作為天線的地平面，使地平面繼承盤錐天線超寬帶、垂直線極化以及在水平面內全向輻射等優點[20]。并且盤錐天線的工作頻帶在UHF 頻段內駐波比小于2 的寬度為8 倍頻帶寬（倍頻帶寬BW=fH/fL），可有效貼合PD UHF 信號300 MHz～3 GHz 寬頻帶范圍。

盤錐天線的方向特性Ψ(γ,θ)的計算公式為

其中：Tv(θ)表示v階第一類和第二類勒讓德函數的一個線性組合；Zv(k0γ)表示廣義v階球貝塞爾函數；k0表示自由空間波數，。

結合球貝塞爾函數和勒讓德函數，將錐體外部內域和外域的函數分別取為：

其中：

式(8)～式(11)中：Pn(cosθ)表示勒讓德方程的線性解；jv(k0γ)表示v階第一類球貝塞爾函數在γ方向上的一個駐波；hn(k0γ)表示n階第二類球漢克爾函數沿γ方向上的外向行波。其中，n為非零常數，v為待定常數，Bn、Cv、Dv為待定的展開系數。帶入邊界條件，可解得盤錐天線的方向圖函數為

通過式(12)可計算出天線接收電磁波集中的方向。

盤錐天線結構參數如圖1 所示，金屬圓盤與錐體的同軸饋線相連，圓盤直徑為D，錐體上、下端面的直徑分別為Dmin和Dmax，錐體的錐角為θ0，母線長為L。

圖1 盤錐天線結構示意Fig.1 Schematic of discone antenna

由于盤錐天線相當于由一個半張角為90°和一個半張角為θ0的錐體組成的雙錐天線，所以其特性阻抗相當于雙錐天線的1/2，即

本文采取將盤錐天線的錐體部分平面化后作為接地面，以提高整體天線的阻抗帶寬。與盤錐天線相連的饋線匹配阻抗是50 Ω，可按照匹配阻抗進行天線的尺寸設計：天線的錐體錐角不能過小，否則會導致天線的匹配阻抗隨錐體母線L的改變而劇烈變化，因此錐角θ0的范圍應在30°～60°之間；錐體母線L不能過短，以避免出現由于天線的輻射電阻變小而導致電抗分量變大，從而使得同軸饋線的匹配阻抗變差的問題，因此錐體母線L應略大于天線最低工作頻率對應波長λmax的1/4，即

其中k的取值范圍為1.3～1.5。

1.3 CPW 饋線

CPW 饋線作為一種微波平面傳輸線，具有輻射損耗低、工作頻帶寬和結構簡單等優點，常被應用在傳輸線和微波毫米波集成元件等方面。由于CPW 饋線獨特的平面結構，還可以將其應用在天線饋電方面，把空間中的電磁波能量轉換成電磁信號[21]。

CPW 饋線組成如圖2 所示，在介質板表面敷上中間導帶和兩邊的接地面，導帶寬度為w，導帶與接地面之間的距離為d1，介質板厚度為h1。

圖2 CPW 饋線組成示意Fig.2 Schematic of CPW feeder

CPW 饋線特性阻抗Z01的計算公式為

式中：K′(k)表示第一類完全性橢圓余弦函數，K′(k)=K(k′)，；K(k)表示第一類完全性橢圓函數；εre表示CPW 饋線的有效介電常數。

其中：εr表示介質板的相對介電常數。

當0≤k≤0.7 時，

當0.7≤k≤1 時，

經過上述計算可得，介質板厚度對CPW 饋線的特性阻抗影響較大。使用CPW 饋線技術既能達到增大天線帶寬的目的，也可避免由于特性阻抗的劇烈波動而對天線進行復雜的結構改造。

2 ESD 電磁輻射檢測用柔性天線工作原理

本文設計的ESD 電磁輻射檢測用柔性天線的工作頻段為300 MHz～3 GHz，幾乎可覆蓋整個ESD 頻段。通過工作頻段的最低工作頻率來設計天線，并取1 GHz 作為天線的中心頻率。由第1 章的計算公式可得：天線優化前的橢圓輻射貼片的半長軸a=90 mm、半短軸b=30 mm；梯形地平面的錐角θ0=30°、腰L=175 mm、上底Dmin=3 mm、下底Dmax=180 mm、高H=150 mm；CPW 饋線導帶寬w=2.5 mm，導帶與接地面之間距離d1=0.1 mm、導帶高H1=152 mm；天線介質板的厚度h1=0.28 mm。此時天線橫向長A=180 mm、縱向長B=210 mm，尺寸較大，需進一步縮小優化。本文采用指數漸近線阻抗變換器技術對CPW 饋線部分指數漸近線化處理[22]來實現天線的超寬帶，同時通過ANSYSS HFSS軟件對所設計的天線進行仿真優化，尋找最優參數來實現傳感器的小型化。

2.1 CPW 饋線漸近線化處理

在微帶天線設計中，常通過使用微帶阻抗變換器來達到降低駐波比、提高傳輸效率的目的。本文通過CPW 饋線指數漸近線化處理，使得CPW 饋線導帶部分從下至上、由大到小分為無數節階梯，并使每節階梯的長度無限縮短。這時CPW 饋線的寬度和特性阻抗連續變化，使得每節階梯產生的反射相互抵消，最終實現天線在超寬頻帶內的阻抗匹配。CPW 饋線的微帶特性阻抗Zc沿阻抗變換器長度方向按指數規律變化的計算式為

式中：Z02為漸進線中心位置的微帶特性阻抗；α為特性阻抗的變換常數；z表示特性阻抗。

通過Txline 軟件計算CPW 饋線上底寬w1和下底寬w2兩端匹配的微帶特性阻抗Z1和Z2（Z1＞Z2），進而計算得到導帶的長度l，

式中：

Г1為指數漸近線化阻抗變換器的電壓反射系數，

通過以上計算得到l=110 mm，因此可將地平面尺寸縮小，即將梯形地平面的高度H也近似取為110 mm 來匹配CPW 部分，相應的天線橫向長A=180 mm、縱向長B=170 mm。

2.2 天線仿真優化設計

CPW 饋線經過指數漸近線化處理后衍生出2 個新變量——饋線導帶上底寬w1和下底寬w2，此時天線尺寸仍然較大，須通過仿真優化在原來饋線寬w=2.5 mm 的基礎上尋找最優參數。影響單極子天線帶寬的主要因素是單極子天線貼片的面積大小，分析天線結構可知，決定單極子天線面積的主要參數是A和B，其他參數（a、b、H、H1、Dmin、Dmax、w1、w2、d1）只需隨著A和B的變化進行相應的變化。如果通過傳統的參數掃描方法對全部11 個參數進行優化，計算量將非常龐大。為保證工作的可實施性，本文先對參數A和B進行仿真尋找其最優值，并得出a、b、H等參數的大概范圍，再對這些參數進行微調，最終確定11 個參數的最優值。

先由電磁波在自由空間中對應的1/4 波長確定參數

其中：f1表示天線預設的工作頻率；繼而可確定參數A和B的優化域——A（120～170 mm），B（120～180 mm）。

根據設定的優化域，利用ANSYSS HFSS 軟件，首先對參數A進行仿真優化，得到的仿真結果如圖3 所示。從圖中可以看出：隨著A的減小，低頻段的中心頻率逐漸向右移動靠近目標中心頻率，且帶寬逐漸增大；當A減小到140 mm 之后，帶寬出現劣化變窄，因此確定優化取值為A=140 mm。

圖3 參數A 優化仿真回波損耗曲線Fig.3 Simulated return loss curve after the optimization of parameter A

確定參數A的優化值后，繼續進行參數B的仿真優化，得到的仿真結果如圖4 所示。從圖中可以看出：隨著B的減小，中心頻率的波動逐漸減少并向右移動靠近目標中心頻率，且帶寬也隨著增大；當B減小到150 mm 之后，帶寬出現劣化變窄，因此確定優化取值為B=150 mm。

確定參數A和B的優化值后，以所得到的回波損耗中心頻率與目標中心頻率重合、帶寬逼近極限寬為目標，對其他參數通過仿真優化進行微調，獲得的最優回波損耗如圖5 所示。據此確定的天線最終結構如圖6 所示，其中梯形地平面的錐角θ0取32°。

圖5 最優回波損耗圖Fig.5 Optimal return loss diagram

圖6 ESD EMP 檢測用天線結構示意Fig.6 Structure diagram of ESD EMP detection antenna

2.3 柔性基底

目前常見的柔性基底材料主要有聚酰亞胺（polyimide, PI）[23]、聚二甲硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）[24]、聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene, PTFE）[25]等，表1 給出了這3 種材料的性能參數。本文采用的PI 具有高介電常數以及低介電損耗等優點，可以保證天線信號傳輸的高效率；另外其良好的絕緣性、延展性和柔性可以保證傳感器在航天器內設置的靈活、穩定。但由于空間ESD檢測用天線長期暴露在等離子體、高能電子等惡劣環境下，會導致PI 天線出現被腐蝕、絕緣破壞等問題，所以需要研究針對PI 材料的改性方法來提高其空間環境適應能力[3,26]。

表1 柔性材料電性能Table 1 Electrical properties of flexible materials

將天線印制在長方形PI 介質板上，介質板尺寸為150 mm×140 mm×0.28 mm。采用射頻連接器SMA-KE 接口連接SMA CPW 饋線進行饋電，天線實物如圖7 所示。

圖7 ESD 檢測柔性天線Fig.7 Flexible antenna for ESD detection

3 天線性能測試

3.1 VSWR

VSWR 表示波腹電壓和波節電壓的比值，通常用VSWR 低于某一規定值時的頻帶寬度定義天線的阻抗帶寬。這樣做既可以反映天線阻抗的頻率特性，也可以反映天線與饋線之間的匹配效果，一般把VSWR＜2 的頻帶作為ESD 檢測用傳感器的有效頻帶。VSWR 計算式為

其中Г為天線的反射系數。

航天器的金屬外殼多為弧狀結構，根據電壓等級和制造工藝的不同，其外殼彎曲半徑一般在150～500 mm 之間。本文通過ANSYS HFSS 軟件建立ESD 電磁輻射檢測用柔性天線三維電磁仿真模型，在300 MHz～2 GHz 頻段內對柔性天線在不彎曲以及彎曲半徑分別為100、300、500 mm 時進行掃頻分析，仿真所得VSWR 曲線見圖8。仿真結果顯示：柔性天線未發生形變時，在340 MHz～2 GHz 頻段內VSWR＜2。不同程度彎曲形變后，天線VSWR 會有微小的波動，但波動幅度很小——彎曲半徑為100、300 mm 時，天線在340 MHz～2 GHz 頻段內VSWR＜2；彎曲半徑為500 mm 時，天線在500～750 MHz 頻段內VSWR＜2.5，在750 MHz～2 GHz 頻段內VSWR＜2。

圖8 ESD 檢測柔性天線VSWR 仿真曲線Fig.8 VSWR simulation curve of ESD detection for flexible antenna

利用矢量網絡分析儀對天線實物的VSWR 進行實測，測試結果見圖9。可以看到，天線在不彎曲以及彎曲半徑分別為100、300、500 mm 時，除在300～650 MHz 頻段內VSWR＜3，在650 MHz～3 GHz 頻段內VSWR 均＜2，說明天線彎曲形變后VSWR 基本不變。

圖9 實測的天線VSWR 曲線Fig.9 Measured VSWR curves of the antenna

對比天線VSWR 的仿真和實測結果可以發現，實測VSWR 在低頻段和仿真結果存在一定的出入，這是由于天線制作和焊接工藝精度的影響以及測試環境無法避免地存在一定金屬導體的干擾，導致實測VSWR 低頻段帶寬變窄，在高頻段出現振蕩，但整體效果符合天線設計要求。

3.2 輻射方向圖

輻射方向圖表示在天線的遠場范圍內，輻射場的相對場強隨方向的變化，用以反映天線的增益效果。在0.5、1.0、1.5 和2.0 GHz 共4 個頻點下，本文設計的柔性天線（彎曲半徑為100、300、500 mm 以及不彎曲時）的H 面（yOz面）和E 面（xOy面）的輻射方向圖見圖10 和圖11。

圖10 不同頻點下的柔性天線H 面輻射方向圖Fig.10 H-plane radiation patterns of the flexible antenna at different frequencies

圖11 不同頻點下的柔性天線E 面輻射方向圖Fig.11 E-plane radiation patterns of the flexible antenna at different frequencies

由圖10 和圖11 可以看到：H 面輻射方向圖在4 個頻點下均呈倒“8”字型；E 面輻射方向圖在0.5、1.0 和1.5 GHz 頻點下呈倒“8”字型。這表明，除個別頻點外，柔性天線均可較好地接收ESD EMP信號，且H 面的信號接收效果更好。同時可以看出：在相同彎曲半徑下，柔性天線H 面的接收信號效果隨著頻率的升高而增強；在相同頻率下，柔性天線H 面輻射方向特性受天線彎曲形變的影響較小。這是由于柔性天線主體是單極子天線，而本文設計的單極子天線主要沿H 面呈對稱結構，故其主要接收信號的方向在H 面，這就導致天線E 面增益劣化。由于天線安裝以后本身就是其H 面朝向ESD 電磁輻射信號發射方向，因此E 面增益劣化并不影響天線本身的感知性能。針對ESD 產生的EMP 信號檢測更加關注天線本身的靈敏度，因此本文僅實測了天線VSWR[27-28]。

4 柔性天線性能檢測及驗證

4.1 ESD EMP 檢測試驗平臺

為驗證本文所設計的柔性天線檢測EMP 信號的性能，搭建了ESD EMP 檢測試驗平臺，如圖12所示。通過靜電屏蔽箱屏蔽外界大部分靜電干擾，并在箱中設置靜電脈沖點火器模擬靜電放電源。將研制的ESD 檢測用柔性天線放置在屏蔽箱中進行ESD EMP 信號感知性能檢測，信號采集設備使用高性能數字示波器。

圖12 ESD EMP 檢測試驗平臺Fig.12 ESD EMP test platform

脈沖點火器發生ESD 時，產生的瞬態電流脈沖為幾百 ns，峰值幅度為4.94 V，同時伴有光、熱現象。放電過程是脈沖點火器充電靜電能的釋放過程，放電電壓的波形特征類似于衰減振蕩，呈現為幅度逐漸衰減的振鈴波，如圖13 所示。

圖13 脈沖點火器發生的ESD EMP 信號Fig.13 ESD EMP signal generated by the pulse igniter

使用MatLab 軟件工具編寫程序對空間ESD 300 ns 內5000 個點的時域數據（示波器采樣率6.25 GS·s-1）進行快速傅里葉變換，計算得到該次ESD 電壓的頻域特征如圖14 所示。

圖14 ESD EMP 信號頻域特征Fig.14 Frequency domain characteristics of ESD EMP signals

由圖14 中可知，ESD EMP 信號頻段主要位于57.5～452.2 MHz 范圍，并于83.7 MHz 達到峰值，處于柔性天線的有效檢測頻段內，且天線檢測效果良好，具有較高的靈敏度。

5 結束語

本文開展航天器高壓太陽電池陣列ESD 檢測用柔性天線傳感器的研制，引入PI 材料作為天線柔性基底，并通過對天線檢測ESD 信號的性能進行有限元仿真和分析儀實測進行驗證，得出結論如下：

1）在300 MHz～2 GHz 頻段內，采用矩形貼片天線等效、梯形地平面和CPW 饋線指數漸近線化3 種技術來降低天線VSWR 并擴大帶寬。仿真結果顯示：彎曲半徑分別為100、300、500 mm 以及不彎曲條件下，天線均能保持在300～650 MHz 頻段內VSWR＜3；在650 MHz～2 GHz 頻段內VSWR＜2，并具有良好的全向輻射特性。

2）根據仿真優化結果制作天線實物。通過矢量網絡分析儀進行駐波比測試，結果表明該天線能夠穩定地檢測ESD 過程輻射的EMP 信號，具有監測航天器ESD 的潛力。

3）搭建ESD 模擬試驗平臺對柔性天線的EMP信號檢測性能進行測試，結果表明柔性天線在彎曲后可以有效檢測到ESD EMP 信號，且具有較高的靈敏度。

受實驗條件的限制，本文未涉及長期暴露在GEO 惡劣環境下的空間ESD 檢測用天線本身易被腐蝕、絕緣破壞等問題，后續會進行相關研究。