弱電離塵埃等離子體環(huán)境下天線輻射特性研究

毛鵬榮 郜參觀* 徐彬 石雁祥

（1.伊犁師范大學(xué)電子與工程學(xué)院, 伊寧 835000；2.中國電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點實驗室, 青島 266107）

0 引 言

隨著航天科技的迅速發(fā)展，人們對火箭等飛行器的通信質(zhì)量要求越來越高.天線作為飛行器通訊系統(tǒng)的主要組成部件，其工作性能在很大程度上會受到周圍環(huán)境介質(zhì)的影響[1].近年來，特定環(huán)境下天線的性能以及不同環(huán)境中多頻段天線的電磁兼容問題受到廣泛關(guān)注[2-3].當(dāng)飛行器在大氣環(huán)境中飛行的速度達(dá)到十幾馬赫甚至更高時，天線輻射的信號會受到飛行器表面燃燒生成的塵埃等離子體的影響，使通信質(zhì)量變差，導(dǎo)致飛行器與地面之間的通信信號中斷，出現(xiàn)所謂的“黑障現(xiàn)象”[4-5].環(huán)境介質(zhì)的變化使天線輻射場分布發(fā)生改變，天線諧振頻點出現(xiàn)偏移，進(jìn)而使得天線工作的可靠性和穩(wěn)定性發(fā)生改變.為了提高天線的工作性能，研究不同環(huán)境介質(zhì)對天線輻射特性的影響尤為重要.解決這一問題需要對天線與天線周圍環(huán)境的復(fù)合模型進(jìn)行電磁學(xué)方面的仿真計算.本文利用三維電磁場仿真軟件對弱電離塵埃等離子體環(huán)境下天線的輻射特性進(jìn)行了研究，對比分析了單頻點工作的半波偶極子天線與雙頻段工作的微帶天線在加入塵埃等離子體前后的回波損耗、天線方向圖等參數(shù).結(jié)果表明，天線周圍的塵埃等離子體會使天線的工作頻率發(fā)生偏移，這可能是導(dǎo)致飛行器載入大氣層時產(chǎn)生“黑障現(xiàn)象”的一個原因.

1 弱電離塵埃等離子體中的天線輻射特性

飛行器在超高速飛行時，表面燃燒生成的塵埃顆粒其大小和濃度都會有所不同[6-7].這些塵埃顆粒會與燃燒產(chǎn)生的等離子體混合而形成弱電離塵埃等離子體[8].弱電離塵埃等離子體電磁特性與一般等離子體有很大的不同，它們在很大程度上影響著通訊的質(zhì)量.

弱電離塵埃等離子體的介電常數(shù)如下[9-11]：

式中：ε=8.85×10?12 F/m為真空介電常數(shù)；?rad/s為電子等離子體頻率，其中e=1.6×10?19C為基本電荷電量，為電子濃度，電子質(zhì)量me=9.11×10?31kg ； ω為天線的工作頻率；veff=VTeσnNn為中性分子與電子的有效碰撞頻率， 其中VTe=為電子的熱速度，K=1.38×10?23J·K?1為Boltzmann 常數(shù)，Te為電子溫度，取值23 210 K[12]，σn為電子與分子的有效碰撞截面，一般取5×10?21m2，Nn=P/(KTi)為中性分子的濃度，大氣壓P=105Pa[10,12]，Ti為飛行器做高超速飛行時表面燃燒生成的塵埃等離子體溫度，一般在1 700～2 200 K；充電響應(yīng)因子，其中為塵埃粒子濃度，為塵埃粒子半徑，vp≈c=3×108m/s為相速度； νch為充電頻率.

充電頻率 νch反映塵埃粒子表面電量恢復(fù)到平衡值的快慢程度，表達(dá)式為

式中：ωpi=為離子等離子體頻率，ni為離子濃度，當(dāng)電子濃度遠(yuǎn)大于塵埃粒子濃度時，電子濃度不會因電子的充電而發(fā)生明顯減少，計算時通常視離子濃度與電子濃度相等，為由空氣分子電離形成的等離子體質(zhì)量；VTi=為離子的熱速度；Zd為塵埃粒子的荷電荷數(shù)，其值可根據(jù)弱電離塵埃等離子體電中性條件和充電平衡條件得到[13].

在天線設(shè)計過程中，將天線諧振頻率代入式(1)，可計算出天線在弱電離塵埃等離子體環(huán)境中的相對介電常數(shù).假設(shè)某天線諧振頻率為2.0 GHz，取Ti=1 800 K，將其代入式(1)，得到弱電離塵埃等離子體環(huán)境的相對介電常數(shù)為0.894 2，進(jìn)而可通過仿真實驗給出天線的回波損耗、EH 面增益方向圖和三維輻射方向圖，將這些結(jié)果與空氣介質(zhì)中天線工作性能做對比，即可說明弱電離塵埃等離子體環(huán)境介質(zhì)對天線輻射特性的影響.

2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了能更加貼近工程應(yīng)用，這里介紹兩款不同的天線具體結(jié)構(gòu)形式.根據(jù)天線不同的工作環(huán)境，通過改變提供仿真邊界的空氣盒子介電常數(shù)，模擬天線在加入塵埃等離子體前后的工作性能.

2.1 半波偶極子天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

半波偶極子天線由兩根直徑和長度都相等的直導(dǎo)線組成，每根導(dǎo)線的長度為1/4 個工作波長.導(dǎo)線的直徑遠(yuǎn)小于工作波長，在中間的兩個端點上由等幅反相的電壓激勵，中間端點之間的距離遠(yuǎn)小于工作波長，可以忽略不計.對于半波偶極子天線，利用鏡像法引入接地面，將半波偶極子天線的長度減少一半，即可得到1/4 波長單極子天線，如圖1(a)所示.1/4 波長單極子天線利用鏡像法可以得到半波偶極子天線結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示.

圖1 偶極子天線及其等效Fig.1 Dipole antenna and its equivalent

設(shè)計的半波偶極子天線模型如圖2 所示，天線沿著z軸方向放置，中心位于坐標(biāo)原點，天線材質(zhì)使用理想導(dǎo)體，其中心頻率為3 GHz，總長度為0.48 λ，半徑為λ/4.天線饋電采用集總端口激勵方式，端口距離為0.24 mm，輻射邊界和天線的距離為λ/4.

圖2 半波偶極子天線結(jié)構(gòu)Fig.2 Half-wave dipole antenna structure

2.2 雙頻微帶天線設(shè)計

為使矩形微帶天線雙頻工作，貼片的長度L和寬度W應(yīng)該對應(yīng)不同的諧振頻率并將饋電點置于貼片對角線的一角，在TMmn模式的諧振頻率fmn表達(dá)式為[14]

式中：c為光速； εm為介質(zhì)板等效介電常數(shù)，

εn為介質(zhì)基板介電常數(shù)，h為天線介質(zhì)基板厚度.

圖3(a)所示為雙頻微帶天線平面模型，x軸上的A(x, 0)點為激發(fā)天線TM10工作模式的50 ?同軸饋電點，y軸上B(0,y)點為激發(fā)TM01模式的50 ?同軸饋電點，由于A、B兩點恰好位于矩形輻射貼片x、y方向的中心線上，因此不會激發(fā)出其他模式.如果將同軸饋電點置于輻射貼片C點位置，則天線可以同時激發(fā)TM01和TM10兩種模式，并且都可以得到50 ?的輸入阻抗.圖3(b)是在電磁仿真軟件下設(shè)計的雙頻微帶天線三維結(jié)構(gòu).

圖3 雙頻微帶天線結(jié)構(gòu)Fig.3 Dual-frequency microstrip antenna structure

3 仿真結(jié)果與分析

結(jié)合塵埃等離子體的介電特性與兩款天線具體設(shè)計方法，仿真分析兩款天線在不同環(huán)境下的工作性能.將半波偶極子天線、雙頻微帶天線分別放置在空氣介質(zhì)和不同介電常數(shù)的塵埃等離子體環(huán)境中，得到天線回波損耗、EH 面增益方向圖和三維輻射方向圖等參數(shù).

3.1 天線回波損耗

如前所述，公式(1)給出的弱電離塵埃等離子體介電常數(shù)實際存在溫度色散和頻率色散特性，圖4所示為不同溫度與頻率條件下弱電離塵埃等離子體的介電常數(shù).

圖4 不同條件下弱電離塵埃等離子體介電常數(shù)Fig.4 Dielectric constant of weakly ionized dust plasma under different conditions

半波偶極子天線回波損耗仿真結(jié)果如圖5 所示.天線在未加入塵埃等離子體時其工作頻率從2.79 GHz 覆蓋到3.24 GHz，?10 dB 帶寬約為0.45 GHz，天線的中心頻率3 GHz 處回波損耗S11值為?62.27 dB，S11＜?10 dB 的相對帶寬為15%；天線在加入塵埃等離子體后，隨著溫度與頻率的改變，弱電離塵埃等離子體介電常數(shù)發(fā)生變化，天線諧振點產(chǎn)生偏移.當(dāng)溫度為1 800 K 時，其諧振頻率偏移至3.25 GHz，回波損耗為?46.25 dB；溫度為2 000 K 時，其諧振頻率偏移至3.22 GHz，回波損耗為?43.41 dB；溫度為2 200 K 時，其諧振頻率偏移至3.19 GHz，回波損耗為?47.62 dB.

圖5 半波偶極子天線回波損耗Fig.5 Half wave dipole antenna return loss

雙頻微帶天線回波損耗仿真結(jié)果如圖6 所示.天線在未加入塵埃等離子體時其諧振頻率為1.9 GHz 和2.45 GHz，S11值分別為?26.26 dB 和?27.37 dB.天線在加入不同介電常數(shù)的塵埃等離子體后，諧振頻率點仍然會發(fā)生偏移.當(dāng)溫度為1 800 K 時，其諧振頻率偏移至1.95 GHz 和2.5 GHz，S11值分別為?9.82 dB 和?13.85 dB；溫度為2 000 K 時，其諧振頻率偏移至1.92 GHz 和2.53 GHz，S11值分別為?15.48 dB 和?15.01 dB；溫度為2 200 K 時，其諧振頻率偏移至1.93 GHz 和2.48 GHz，S11值分別為?13.12 dB 和?11.92 dB.由于弱電離塵埃等離子體介電常數(shù)實際存在頻率色散，使得天線回波損耗在不同頻率點處產(chǎn)生不同變化，后續(xù)研究將嘗試通過改變時延使駐波性能加以改善.

圖6 雙頻微帶天線回波損耗Fig.6 Dual-frequency microstrip antenna return loss

3.2 天線EH 面增益方向圖

天線EH 面增益方向圖是表征天線工作性能的一個重要參數(shù)，其中E 面是指通過天線最大輻射方向并平行于電場矢量的平面，H 面是指通過天線最大輻射方向并平行于磁場矢量的平面.圖7 所示為仿真的半波偶極子天線的E 面增益方向圖.將工作頻率為3 GHz 的半波偶極子天線分別放置在相對介電常數(shù)為1.000 6 的空氣介質(zhì)和介電常數(shù)為0.936 2（取Ti=1 800 K）的塵埃等離子環(huán)境中，諧振頻點處天線輻射出的方向圖曲線關(guān)于θ=0°對稱，表明半波偶極子天線在加入塵埃等離子體前后在各自諧振頻點方向性良好.

圖7 半波偶極子天線E 面增益方向圖Fig.7 Gain pattern of half-wave dipole antenna E-plane

圖8 所示為仿真的雙頻微帶天線的EH 面增益方向圖.將諧振頻率為1.9 GHz 和2.45 GHz 的雙頻微帶天線放置在相對介電常數(shù)為1.000 6 的空氣介質(zhì)中天線方向性良好；此后將天線分別放置于介電常數(shù)為0.888 5（取Ti=1 800 K，對應(yīng)低頻段諧振頻率為1.9 GHz）和介電常數(shù)為0.916 3（取Ti=1 800 K，對應(yīng)高頻段諧振頻率為2.45 GHz）的塵埃等離子環(huán)境中，天線所形成的EH 面增益方向沿θ=0°曲線方向出現(xiàn)了不規(guī)則的變形，旁瓣面積增大，在之后的研究中將通過調(diào)整天線結(jié)構(gòu)來改善此類問題.

3.3 天線三維輻射方向圖

圖9 為仿真的半波偶極子天線的三維輻射方向圖.可以看出，天線加入塵埃等離子體前后，在各自諧振頻點輻射出的電磁波能量主要集中在中心軸線附近，主瓣輪廓清晰，所表現(xiàn)出的方向性最強(qiáng).

圖9 半波偶極子天線三維輻射方向圖Fig.9 3D radiation direction of a half-wave dipole antenna

圖10 為仿真的雙頻微帶天線的三維輻射方向圖.可以看出，當(dāng)加入塵埃等離子體后，天線方向圖在不同頻段諧振頻點出現(xiàn)了不規(guī)則的變形，主瓣所占面積逐漸減小而旁瓣面積增大.

圖10 雙頻微帶天線三維輻射方向圖Fig.10 3D radiation pattern of dual-frequency microstrip antenna

4 結(jié) 論

天線作為遙感探測等通信系統(tǒng)的重要部件，會受到周圍環(huán)境的影響.天線周圍的導(dǎo)體、介質(zhì)會使天線輻射場的空間分布發(fā)生改變.本文分析表明，弱電離塵埃等離子體環(huán)境會使兩種天線的諧振頻率發(fā)生偏移，其偏移量會受到環(huán)境溫度的影響；其帶寬也會相應(yīng)地發(fā)生變化.弱電離塵埃等離子體介電系數(shù)的頻率色散會使得天線在不同頻率點處產(chǎn)生不同的回波損耗.因此，在塵埃等離子體環(huán)境中建立通信系統(tǒng)時, 除了要考慮塵埃等離子體對電波衰減的影響，還應(yīng)考慮不同溫度下，塵埃等離子體對天線的回波損耗及諧振點變化的影響.此外，高增益及非均勻塵埃等離子體環(huán)境下天線方向圖的變化值得進(jìn)一步關(guān)注.