超高音速GPS天線罩的仿真與分析*

王麗黎，張 琳，席曉莉

(西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，西安710048)

超音速飛行器，由于高馬赫數(shù)的飛行速度，需要加天線罩以防止惡劣環(huán)境對(duì)飛行器內(nèi)部GPS天線通信設(shè)備的影響，此時(shí)天線罩的材料不僅要起到防熱、承載、導(dǎo)流的作用，還要特別考慮的是天線罩的透波能力。普通設(shè)計(jì)好的天線在加罩后各項(xiàng)性能會(huì)不同程度惡化。本文對(duì)單層平板的電磁特性分析作為理論分析，在此基礎(chǔ)上使用HFSS軟件進(jìn)行仿真并分析平板天線罩的點(diǎn)電性能。

1 天線罩特性

天線罩的位置處在天線近場(chǎng)區(qū)域，它的存在必然對(duì)天線的輻射和散射特性產(chǎn)生影響。衡量天線罩的電性能主要有透波率、瞄準(zhǔn)誤差、插入相位延遲、交叉極化電平等［1-2］。

目前對(duì)天線罩的分析方法主要有幾何光學(xué)法、物理光學(xué)法、矩量法、平面譜法及有限元法等［2-3］，考慮到精度及計(jì)算復(fù)雜性，本文選取基于幾何光學(xué)近似的射線跟蹤法。根據(jù)幾何光學(xué)理論，電磁波的波動(dòng)可用射線跟蹤技術(shù)來代替，即在平面波中一條射線照射在平面上，通過邊界場(chǎng)的連續(xù)性條件，求得反射波與透射波的射線位置、大小，方向。天線俯視圖如圖1所示。

圖1 GPS L1頻段天線俯視圖

2 GPS天線罩的數(shù)值分析

2.1 天線罩電介質(zhì)的平板特性

設(shè)均勻介質(zhì)的單層平板由介質(zhì)db組成，相對(duì)介電常數(shù)為εb，損耗角正切 tanδb。由圖3可見，一次反射線與零次反射線之間的行程差，或傳播因子為Fb，可推導(dǎo)出電波在介質(zhì) b中的傳播因子 Fb=Abejφb。

其中，Ab為吸收因子，φb為程差因子。

天線罩系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 天線-罩系統(tǒng)示意圖

圖3 單層介質(zhì)的傳輸特性

2.2 單層平板的等效折射率［3］

對(duì)于垂直入射和水平入射情況，反射系數(shù)rab有相同的形式:rab=rab0e-jφab，其中

nab為等效折射系數(shù)，kab為等效相位滯后因子，ψab取主模。

2.3 無損半波長(zhǎng)平板的最佳厚度與性能

式(3)是無耗半波長(zhǎng)平板最佳罩壁厚度公式，圖4給出了三種無耗材料情況下，GPS L1波段半波長(zhǎng)天線罩對(duì)于不同入射角的罩體厚度隨介電常數(shù)的曲線圖。

圖4選用了三種無耗高溫?zé)岱啦牧希?］，相對(duì)介電常數(shù)分別為4.0、4.5、5.6。可看出，對(duì)于同一介電常數(shù)，隨波入射角的增大，半波長(zhǎng)罩壁變厚;在相同入射角時(shí)，罩厚隨著介電常數(shù)的減小而變厚。

圖4 最佳半波長(zhǎng)天線罩厚與介質(zhì)的關(guān)系

2.4 GPS L1波段半波長(zhǎng)天線罩的透波率

圖5為單層平板結(jié)構(gòu)天線罩在1 GHz～2 GHz范圍內(nèi)透波率的情況。天線罩材料為εr=4.5，tanδ=0.001，圖5分別給出垂直極化和水平極化兩種情況下，天線罩介質(zhì)厚度在最佳厚度時(shí)的透波率。

圖5 天線罩透波率

分析看出:相同入射角時(shí)，平行極化比垂直的透波率好;且每種極化情況都隨入射角的增大透波率變差。此外，由于其材料厚度選用的是GPS L1頻率對(duì)應(yīng)的介質(zhì)的半波長(zhǎng)，所以，這種罩體出現(xiàn)頻率選擇特性。

2.5 薄壁罩的傳輸特性

由于半波長(zhǎng)壁厚結(jié)構(gòu)，使得天線罩壁過厚，這樣不便于安裝，也引起相應(yīng)的承重的負(fù)擔(dān)［5-6］。所以，這里采用薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行天線罩壁厚設(shè)計(jì)。其功率傳輸系數(shù)的有效近似公式如下:

由此看出，當(dāng)罩壁厚度越小的情況下，功率傳輸系數(shù)越大，所以在滿足力學(xué)要求、熱防性能、防燒蝕性能的情況下，設(shè)計(jì)使得罩壁厚度越小越好。薄壁罩的水平極化與垂直極入射時(shí)的傳輸系數(shù)如圖6所示。

圖6 傳輸系數(shù)示意圖

3 GPS L1頻段天線罩系統(tǒng)的仿真

3.1 GPS L1頻段圓極化微帶天線的仿真特性

由于剖面低及易于共性等因素，微帶廣泛應(yīng)用與GPS衛(wèi)星天線［7-8］，本文選用圖1所示圓形微帶貼片天線，其介質(zhì)的 εr=6.15，tanδ=0.002 5，介質(zhì)厚度3.175 mm，圓形貼片半徑21.46 mm，接地基板尺寸為L(zhǎng)×L=75 mm×75 mm，采用50 Ω 的同軸饋電。各項(xiàng)電性能如表1所示。

表1 GPS L1頻段天線的電特性

3.2 天線罩系統(tǒng)仿真

這里選擇天線罩的尺寸為200 mm×200 mm的單層平板結(jié)構(gòu)，考慮到GPS的俯仰角為水平面上5°以上，所以限制天線的口徑面高度H＜sin5°=0.0872×100=8.72 mm。在HFSS 11軟件內(nèi)進(jìn)建模，設(shè)置1/4波導(dǎo)波長(zhǎng)作為空氣腔，進(jìn)行加罩仿真，主要考慮天線罩材料，罩壁厚度Hr，天線口徑面高度H及接地板大小L等因素。

3.3 仿真結(jié)果分析

薄壁結(jié)構(gòu)，罩壁的電氣厚度小于0.05倍的波長(zhǎng)，材料為目前熱防材料的研究重點(diǎn)氮化硼陶瓷的一種，IPBN，其分解溫度達(dá)到3 000℃，常溫時(shí)εr=3.1，tanδ=0.000 3;1 000 ℃時(shí) εr=3.3，tanδ=0.000 8［9-10］。

表2是經(jīng)過仿真后的部分?jǐn)?shù)據(jù)，天線罩厚度Hr從3 mm到7 mm進(jìn)行變化，天線罩體系的仿真結(jié)果在S11、增益，特別是軸比有不同程度的惡化，通過增大天線接地板的尺寸，可以改善天線罩對(duì)電磁波的反射影響，從而得出性能良好的天線罩體系。表2中第四組數(shù)據(jù)為較好的一組結(jié)果(AR代表軸比)。

表2 天線罩仿真數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文從兩個(gè)方面分析討論了GPS天線罩的特性，第一部分基于幾何光學(xué)-射線追蹤法理論分析GPS單層天線罩的透射與傳輸特性，第二部分模擬實(shí)際情況下的超高速飛行器下天線罩的電磁環(huán)境，使用Ansoft HFSS軟件建模仿真，分析影響天線罩的參數(shù)的特性得出性能良好單層平板薄壁GPS罩結(jié)構(gòu)，給出了仿真結(jié)果并進(jìn)行了分析。

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