飛行器再入段電磁波傳播與天線特性研究.pdf

1、飛行器以極高速度再入大氣層的過程中，會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)電波損耗急劇增大的現(xiàn)象。飛行器與大氣層相互作用時(shí)產(chǎn)生的等離子體，是引起電波損耗劇增，甚至導(dǎo)致通信中斷的主要原因。本文對(duì)飛行器再入段的電磁波傳播與天線特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，通過理論分析、數(shù)值仿真和測量實(shí)驗(yàn)等方法分析了等離子體產(chǎn)生的電波損耗，并提出了降低電波損耗的方法。
　　飛行器再入時(shí)產(chǎn)生的等離子體是一種具有高電子密度與高碰撞頻率的導(dǎo)電流體，具有色散介質(zhì)的性質(zhì)。等離子體導(dǎo)致的電波

2、損耗主要包括：等離子體對(duì)電磁波的吸收與反射衰減，以及等離子體中天線阻抗失配造成的增益下降。在分析等離子體對(duì)電磁波與天線的作用時(shí)，為描述等離子體的宏觀性質(zhì)，采用Drude散射模型來模擬。為研究等離子體對(duì)電磁波的衰減作用，對(duì)電磁波垂直入射均勻等離子體、斜入射均勻等離子體以及垂直入射非均勻等離子體進(jìn)行了理論分析，對(duì)電磁波的功率吸收系數(shù)與功率反射系數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬。再入等離子體覆蓋在飛行器天線上，會(huì)改變原已調(diào)諧好的天線參數(shù)，為研究覆蓋等離子體的

3、天線性能，對(duì)等離子體中對(duì)稱振子天線的輻射與阻抗特性進(jìn)行了理論分析，對(duì)輸入阻抗、反射損耗與方向圖進(jìn)行了仿真研究。為適應(yīng)實(shí)際的飛行器情況，建立了覆蓋等離子體的喇叭天線模型，分析了天線的反射損耗、電場分布與方向圖。
　　為驗(yàn)證理論與仿真分析，本文提出了一種測量等離子體中電波損耗的地面實(shí)驗(yàn)方案，該方案采用多根低壓氣體放電等離子體管組成了等離子體平板，模擬了再入段等離子體分布特性，確定了平均等離子體密度，將等離子體平板覆蓋在發(fā)射天線上，利用

4、收發(fā)對(duì)置的喇叭天線測量了等離子體造成的電磁波衰減與天線特性參數(shù)的改變。
　　降低等離子體產(chǎn)生的電波損耗對(duì)保障高速飛行器的通信十分重要?；诘入x子體的流體性質(zhì)，本文提出了一種改進(jìn)再入段等離子體分布特性的結(jié)構(gòu)，建立了相應(yīng)的等離子體分布模型。該模型保持總體電子數(shù)不變，在電磁波極化方向上呈高低電子密度周期排列。為應(yīng)用微波網(wǎng)絡(luò)理論對(duì)所提出的降低電波損耗方法進(jìn)行驗(yàn)證，建立了收發(fā)對(duì)置喇叭天線仿真模型，其中發(fā)射天線覆蓋有等離子體層。在對(duì)等離子體模

5、型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，對(duì)各頻段天線的阻抗特性與輻射特性進(jìn)行了仿真分析。采用這種等離子體模型后，電磁波的吸收與反射衰減有明顯減少，天線的反射損耗減小而增益增大。地面實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果表明所提出的方法可顯著降低等離子體產(chǎn)生的電波損耗，改善天線的阻抗匹配特性。
　　對(duì)于一些具有等離子體噴焰的高速飛行器，提出了一種利用高電子密度射流構(gòu)成等離子體天線的方法。利用高電子密度等離子體的類似金屬性質(zhì)，基于金屬天線理論，對(duì)等離子體單極天線的阻抗特性與輻射

6、特性進(jìn)行了理論分析，通過適當(dāng)?shù)酿侂姺绞脚c結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，構(gòu)成了飛行器上使用的等離子體天線。為分析等離子體天線的基本性能，對(duì)同軸線饋電的柱形與錐形等離子體天線進(jìn)行了仿真研究。結(jié)合再入環(huán)境中的情況，研究了等離子體層覆蓋地板的柱形等離子體天線。為適應(yīng)飛行器上應(yīng)用，建立了環(huán)耦合饋電的柱形等離子體天線模型，提出了在饋電環(huán)與等離子體之間加入介質(zhì)環(huán)套的方法，以防止高溫對(duì)饋電環(huán)金屬的燒蝕，并對(duì)等離子體包圍的環(huán)耦合饋電等離子體天線進(jìn)行了研究。本文制作并測量了環(huán)

7、耦合饋電的等離子天線，結(jié)果表明利用等離子體可實(shí)現(xiàn)天線的輻射性能。由于現(xiàn)階段應(yīng)用的等離子體天線帶寬較窄，為適應(yīng)寬帶測控系統(tǒng)的需要，基于圓盤單極子理論，提出了圓盤與橢圓盤形等離子體單極天線。對(duì)其阻抗與輻射特性進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明新型的等離子體天線有效地拓展了帶寬。
　　本文詳細(xì)分析了飛行器在再入段中高速飛行時(shí)的電磁波傳播與天線特性，提出了降低電波損耗的方法，進(jìn)行了理論分析、仿真研究與地面測量,為飛行試驗(yàn)提供了理論參考與借鑒。