面向航天器表面靜電放電檢測(cè)的柔性天線傳感器設(shè)計(jì)

張國(guó)治，余坤泉，王 海，張曉星

（1.湖北工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430068；2.北京東方計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100094）

0 引言

航天器在軌運(yùn)行時(shí)，其表面會(huì)與空間等離子體和高能電子發(fā)生電荷相互作用，可能引起不同電位表面之間的靜電放電（electrostatic discharge, ESD）[1]，從而造成航天器部件損壞[2-3]甚至威脅航天器在軌安全[4-5]。因此對(duì)于航天器靜電放電進(jìn)行有效實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有重要工程意義。

目前針對(duì)航天器ESD 檢測(cè)的研究還較少，更多地關(guān)注于航天器ESD 放電信號(hào)的變化規(guī)律和影響因素，如：仇恒抗等[6]通過研究產(chǎn)生一次放電和二次放電的電壓閾值并采取相應(yīng)的防護(hù)措施，提出設(shè)計(jì)太陽電池陣合理的防護(hù)措施來控制靜電放電的發(fā)生；郝建紅等[7]對(duì)航天器表面充電效應(yīng)及電流分布特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)航天器各部位總體電流變化各不相同；Okumura 等[8]開展了航天器太陽電池陣列的靜電放電實(shí)驗(yàn)，研究了溫度對(duì)靜電放電產(chǎn)生頻率和放電起始閾值的影響。有研究表明，航天器發(fā)生ESD 時(shí)會(huì)輻射電磁脈沖信號(hào)，其具有較寬的頻譜，頻段一般為100 MHz～10 GHz[9]，通常會(huì)超過1 GHz[10]。目前已有地面模擬航天器靜電放電實(shí)驗(yàn)得出電磁脈沖信號(hào)當(dāng)中存在特高頻段（L、S 波段）信號(hào)，且在1～3 GHz 有顯著跡象[11]。采用特高頻天線傳感器檢測(cè)方法，可有效接收到靜電放電所產(chǎn)生的電磁脈沖信號(hào)[12]。

目前常用于檢測(cè)航天器ESD 輻射脈沖信號(hào)的天線傳感器有對(duì)數(shù)周期天線[12]、單極子和偶極子天線[12-14]、貼片天線[12]、Wi-Fi 天線[15]、長(zhǎng)線天線[16-17]等。但是這些天線存在以下缺點(diǎn)：主要檢測(cè)低頻段的靜電放電輻射，難以覆蓋高頻以上的信號(hào)；天線的尺寸過大，不利于安裝和使用，再加之現(xiàn)有天線大多以剛性材料作為基底而不易彎曲，難于與航天器的曲形金屬外殼貼合，不利于電磁脈沖信號(hào)的檢測(cè)。因此有必要對(duì)天線傳感器進(jìn)行系統(tǒng)性優(yōu)化，設(shè)計(jì)一種既能滿足航天器ESD 輻射的電磁脈沖信號(hào)的檢測(cè)頻段要求，又能適應(yīng)航天器曲形金屬外殼的天線。

本文提出一種新型的、將柔性平面等角螺旋天線與阿基米德螺旋天線相結(jié)合的、以柔性介質(zhì)為基底的特高頻天線傳感器的設(shè)計(jì)方法；利用ANSYS HFSS 三維有限元仿真軟件構(gòu)建靜電放電電磁脈沖信號(hào)檢測(cè)柔性天線仿真模型，對(duì)仿真得到的天線駐波比和增益等參數(shù)進(jìn)行分析；并對(duì)柔性天線傳感器的ESD 檢測(cè)性能進(jìn)行實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的天線傳感器檢測(cè)電磁脈沖信號(hào)的有效性。

1 天線設(shè)計(jì)原理

1.1 平面等角螺旋天線

平面等角螺旋天線是一種形狀只取決于角度的天線，具有良好的非頻變和圓極化等特性[18]；常見的形式有單臂、雙臂和四臂[19]。天線每一臂有一定寬度，且每一臂都是由2 條起始相位角不同的螺旋線相交組成。本文天線設(shè)計(jì)采用雙臂等角螺旋結(jié)構(gòu)，2 條螺旋臂由4 條起始相位角不一樣的螺旋線相交組成（如圖1 所示）。

其中組成1 條螺旋臂的2 條等角螺旋曲線方程為

式中：φ為旋轉(zhuǎn)角；r0為φ=0 時(shí)的矢徑；a為螺旋增長(zhǎng)率；δ為2 條螺旋線起始角的相角差。另一螺旋臂方程可繞軸旋轉(zhuǎn)180°得到：

當(dāng)δ=π/2 時(shí)，導(dǎo)體螺旋臂與螺旋間隙形成自互補(bǔ)結(jié)構(gòu)[19-20]，由巴比涅原理可知，這樣的結(jié)構(gòu)可以使天線在較寬頻帶上的阻抗穩(wěn)定，有利于阻抗匹配，提高輻射效率。

對(duì)于螺旋增長(zhǎng)率a來說，當(dāng)a減少時(shí)，螺旋臂曲度增大，電流沿螺旋臂衰減變快。通常a取值為0.12～1.2[21]，當(dāng)螺旋臂長(zhǎng)≥1 個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，天線開始呈現(xiàn)出非頻變天線特性。

螺旋線的內(nèi)半徑r0與最外緣半徑rM共同決定了平面等角螺旋線的工作頻帶范圍[22]，一般取值為

式中λH和λL分別為最高頻率和最低頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。

1.2 阿基米德螺旋天線

阿基米德螺旋天線具有良好的寬頻帶、圓極化、非頻變等特性[23-24]，它由具有一定寬度的2 條螺旋臂組成，每臂由內(nèi)外兩側(cè)2 條起始半徑不同的阿基米德螺旋線構(gòu)成，如圖2 所示，其中：w為螺旋臂臂寬；d為2 條螺旋臂的間距。

圖2 阿基米德螺旋天線結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of Archimedes spiral antenna

其中一條螺旋臂曲線方程為

式中：r0′為天線起始半徑；φ為方位角。天線的兩臂是以中心為對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，因此天線的另一臂方程可繞軸旋轉(zhuǎn)180°所得：

當(dāng)w=d時(shí)，天線形成了自互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，更好地實(shí)現(xiàn)了寬頻帶阻抗匹配。

阿基米德螺旋天線的工作頻率由螺旋線的內(nèi)徑和外徑共同決定。螺旋線內(nèi)徑2r0與天線最高工作頻率有關(guān)，螺旋線外徑2rM與天線最低工作頻率有關(guān)，一般取值為

由此可見，如何根據(jù)航天器靜電放電產(chǎn)生的電磁脈沖信號(hào)頻段確定合理的螺旋天線的內(nèi)外徑長(zhǎng)度是天阿基米德螺旋線傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2 天線的設(shè)計(jì)

2.1 柔性天線的本體設(shè)計(jì)

由平面螺旋天線基本理論可知：對(duì)于等角螺旋天線，當(dāng)螺旋臂長(zhǎng)≥1 個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，天線開始呈現(xiàn)出非頻變特性；而阿基米德螺天線的主輻射區(qū)在螺旋的周長(zhǎng)=1 個(gè)波長(zhǎng)處。因此，當(dāng)工作在較低頻率時(shí)這兩種天線尺寸都比較大?？紤]到阿基米德螺旋和平面等角螺旋的幾何特點(diǎn)，在同樣的螺旋臂長(zhǎng)條件下，等角螺旋天線的外徑將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于阿基米德螺旋天線的外徑，因此將這二者相結(jié)合：在天線的中心始端采用等角螺旋天線，使整個(gè)天線具有等角螺旋天線的特性；天線外端采用阿基米德螺旋天線，使得螺旋臂長(zhǎng)=1 個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，天線外徑仍具有較小尺寸，從而使整個(gè)天線尺寸顯著減小[22]。

特高頻段為300 MHz～3 GHz，將最低頻率代入式(6)，計(jì)算可得天線的外徑2rM為397.89 mm，這個(gè)尺寸過大，不便于攜帶以及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用，因此需要對(duì)天線進(jìn)行小型化處理。

由研究可知，由于曲折化后天線兩臂上相鄰兩點(diǎn)的電流相位特性仍保持不變，所以曲折化處理不影響天線的方向圖和增益特性[23-24]。目前常用的小型化加載方式有正弦波、鋸齒波和三角波等函數(shù)[25-28]。本文對(duì)天線采用的是正弦波曲折化處理，正弦波曲折臂方程為

2.2 正弦加載小型化處理

式中：b為正弦波振幅；c為每圈螺旋線所含的正弦波周期數(shù)。

最終天線結(jié)構(gòu)如圖3 所示。天線的中心始端前1.5 圈為平面等角螺旋線，經(jīng)過參數(shù)仿真確定天線正弦波螺旋圈數(shù)為5 圈，即從第1.5 圈至第6.5 圈仍采用標(biāo)準(zhǔn)阿基米德螺旋；在第1.5 圈后對(duì)等角螺旋線做平滑處理，將平面等角螺旋線平滑地接在阿基米德螺旋線上。

圖3 天線本體結(jié)構(gòu)Fig.3 Antenna body structure

為了使天線工作頻率能平滑的向低頻段過渡，從第6.5 圈后才開始進(jìn)行正弦波加載。天線本體結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)見表1。

表1 天線本體結(jié)構(gòu)基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of antenna body structure

2.3 柔性基底

本研究引用柔性基底以解決剛性基底天線不能與航天器金屬外殼貼合的問題。正弦加載使天線直徑縮小，便于安裝，而柔性材料具有可彎曲和質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步增加了天線的靈活性和安裝的便捷性。

目前常用的柔性基底材料主要有聚酰亞胺（polyetherimide, PI）[29]、聚 四 氟 乙 烯（poly tetra fluoroethylene, PTFE）[30]和 聚 二 甲 基 硅 氧 烷（polydimethylsiloxane, PDMS）[31]等。表2 給出了PI 和常見剛性基地材料FR-4 的基本性能參數(shù)。PI 柔性材料具有較低的介電常數(shù)和介電損耗，可以有效地提高天線傳輸信號(hào)的速度和效率、降低信號(hào)延遲及損耗。因此，本研究選擇柔性材料PI 作為介質(zhì)基地，將天線印制在直徑144 mm、厚度0.35 mm 的圓形PI 柔性介質(zhì)底板上。

表2 材料PI 和FR-4 的基本性能參數(shù)Table 2 Basic performance parameters of materials PI and FR-4

2.4 饋電巴倫

本文所設(shè)計(jì)的平面螺旋天線為平衡結(jié)構(gòu)，因此給天線進(jìn)行饋電時(shí)也應(yīng)該是平衡饋電。但常見的同軸 連 接 器BNC（Bayonet Nut Connector）和SMA（SubMiniature version A）同軸線屬于非平衡饋電線，且其同軸線特性阻抗一般為50 Ω和75 Ω。通過仿真可知，本文中所設(shè)計(jì)的天線輸入阻抗為140 Ω，與同軸線輸入阻抗不匹配，因此需要解決平衡-不平衡變換和阻抗變換的問題。

常見的天線饋電巴倫結(jié)構(gòu)有瑪春德·巴倫（Marchand Balun[32]）、圓環(huán)型巴倫[33]和指數(shù)漸變微帶巴倫[34-35]等。本研究采用指數(shù)漸變微帶巴倫饋電結(jié)構(gòu)，其指數(shù)漸變線具有良好性能，阻抗沿指數(shù)漸變線均勻變化，頻帶極寬且反射系數(shù)小[36]。

所設(shè)計(jì)的巴倫結(jié)構(gòu)如圖4 所示，其始端W0和W1接50 Ω 同軸饋電線，末端W2接140 Ω 螺旋天線；其基本參數(shù)見表3。巴倫印制在FR-4 剛性介質(zhì)底板上；介質(zhì)的介電系數(shù)為4.4，底板厚度為3 mm。

表3 巴倫結(jié)構(gòu)基本參數(shù)Table 3 Basic parameters of the Balun structure

圖4 設(shè)計(jì)的天線饋電巴倫結(jié)構(gòu)Fig.4 Feed Balun structure of the designed antenna

電壓駐波比（VSWR）是指波腹和波節(jié)電壓的比值，是用來表征傳輸線特性阻抗與天線輸入阻抗匹配程度的參數(shù)，表示為：

當(dāng)VSWR=1，即Γ=0 時(shí)，天線輸入處無反射，為理想的匹配狀態(tài)，但這在實(shí)際工程中是不可能實(shí)現(xiàn)的；當(dāng)VSWR=∞，即Γ=1 時(shí)，呈全反射，為失配狀態(tài)。電壓駐波比是衡量饋線和天線阻抗匹配狀態(tài)優(yōu)劣的重要指標(biāo)，一般認(rèn)為：當(dāng)VSWR＜2 時(shí)，系統(tǒng)匹配情況優(yōu)秀；當(dāng)VSWR＜3時(shí)，系統(tǒng)匹配情況良好。

為更好地模擬航天器曲型外殼，使用ANSYS HFSS 三維有限元電磁仿真軟件在0～3 GHz 頻率范圍內(nèi)對(duì)天線進(jìn)行仿真，得到的電壓駐波比曲線如圖5 所示?？梢钥闯觯涸趶澢霃椒謩e為0、150 mm

圖5 仿真VSWR 曲線Fig.5 Simulation curve of VSWR

3 天線性能

3.1 駐波比

條件下，天線在0.05～3 GHz 頻率范圍內(nèi)其VSWR＜5，在0.1～3 GHz 頻率范圍內(nèi)VSWR＜2，能覆蓋全部頻率范圍，整體效果符合工程要求。由此可知本文設(shè)計(jì)的天線即便發(fā)生彎曲，其駐波比并不受影響，仍具有良好的輻射特性，能很好地適應(yīng)航天器的曲面外殼。

3.2 天線增益

天線增益是指在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。它定量地描述一個(gè)天線把輸入功率集中輻射的程度。

天線方向圖是表示天線的輻射參量在空間中不同方向分布的圖形。在實(shí)際工程中，天線向空間中輻射并不是均勻的。本文測(cè)試了天線在6 個(gè)頻點(diǎn)（0.8、1、1.5、2、2.5 和3 GHz）下兩個(gè)相互垂直的E面和H面的方向圖，分別如圖6 和圖7所示。

圖6 天線E 面方向圖Fig.6 E-plane radiation pattern of the antenna

圖7 H 面方向圖Fig.7 H-plane radiation pattern of the antenma

由圖6 和圖7 可以看出：在彎曲半徑為0、150 mm 條件下，天線在E面與H面方向圖呈倒“8”字型，整體分布較好；在同一彎曲條件下，天線增益隨頻率增加而提高，6 個(gè)頻點(diǎn)下的增益均大于0，在2.5 GHz 下增益能達(dá)到5.18 dB；在同一頻點(diǎn)下，天線在不同彎曲條件下對(duì)天線增益的影響不明顯，可以很好地接收靜電放電產(chǎn)生的電磁輻射脈沖信號(hào)。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

為驗(yàn)證柔性天線檢測(cè)航天器靜電放電信號(hào)的實(shí)際性能，搭建了ESD 模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（如圖8 所示），設(shè)置靜電放電脈沖點(diǎn)火器來模擬ESD 源，信號(hào)采集裝備為泰克高性能數(shù)字示波器（Tektronix*MS044，采樣率6.25 GS/s，帶寬1.5 GHz）。

圖8 航天器ESD 信號(hào)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.8 Experimental platform for spacecraft ESD signal detection

4.2 天線性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證彎曲半徑分別為0 mm 和150 mm 的天線傳感器的ESD 信號(hào)檢測(cè)性能。將柔性天線傳感器置于距離模擬ESD 源3 m 處，當(dāng)模擬ESD 源發(fā)出靜電放電信號(hào)時(shí)，柔性天線傳感器采集到的放電信號(hào)波形分別如圖9(a)和圖9(b)所示，可見：當(dāng)彎曲半徑分別為0 mm 和150 mm 時(shí)，天線傳感器采集到的放電信號(hào)幅值最大值分別為0.15 V 和0.18 V，且均在2 μs 后衰減至背景水平。

圖9 柔性天線彎曲半徑分別為0 mm 和150 mm 時(shí)的實(shí)測(cè)ESD 信號(hào)Fig.9 ESD signals of the flexible antenna measured at bending radii of 0 mm and 150 mm respectively

實(shí)驗(yàn)表明，不同彎曲半徑的柔性天線傳感器都能很好地接收ESD 信號(hào)，并清楚地識(shí)別出ESD 信號(hào)和背景噪聲信號(hào)，且接收的信號(hào)衰減特征相同。因此，所設(shè)計(jì)的柔性天線傳感器能明顯地檢測(cè)到放電信號(hào)，且不同的彎曲半徑對(duì)柔性天線傳感器的檢測(cè)性能沒有明顯影響。

進(jìn)一步對(duì)柔性天線傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。圖10 所示為背景噪聲頻譜，可知電磁噪聲主要干擾頻點(diǎn)為100 MHz 和1.56 GHz。圖11所示為柔性天線在彎曲半徑分別為0 mm 和150 mm時(shí)的電磁ESD 信號(hào)頻譜，其中，模擬ESD 源所輻射信號(hào)主要為30～600 MHz。頻譜分析表明，所設(shè)計(jì)的柔性天線傳感器在ESD 信號(hào)頻段內(nèi)的響應(yīng)良好，可以精確獲取ESD 信號(hào)特征，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 背景噪聲頻譜Fig.10 Background noise spectrum

圖11 實(shí)測(cè)ESD 信號(hào)頻譜Fig.11 Measured spectrum of ESD signals

5 結(jié)束語

航天器在發(fā)射和在軌運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生靜電放電現(xiàn)象，此過程中會(huì)輻射出電磁脈沖信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器ESD 的監(jiān)測(cè)，本文提出一種柔性天線傳感器的設(shè)計(jì)：采用特高頻法；將平面等角螺旋天線和阿基米德螺旋天線相結(jié)合，并引入PI 柔性材料作為天線基底。通過仿真和實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)論：

1）天線在彎曲半徑分別為0 mm 和150 mm 條件下，在50 MHz～3 GHz 頻段內(nèi)均能保持VSWR＜5，在100 MHz～3 GHz 頻段內(nèi)均能保持VSWR＜2，能完全覆蓋靜電放電產(chǎn)生的電磁輻射脈沖信號(hào)的頻段；且增益在多個(gè)頻點(diǎn)上均大于0，具有良好的輻射特性，靈敏度較高，滿足ESD 信號(hào)檢測(cè)需求；

2）實(shí)測(cè)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的柔性天線傳感器在彎曲半徑分別為0 mm 和150 mm 時(shí)均能有效檢測(cè)ESD 信號(hào)，可應(yīng)用于實(shí)際工程。

本文所設(shè)計(jì)的天線克服了以往天線不能彎曲的不足，為設(shè)備內(nèi)置式天線傳感器設(shè)計(jì)提供了新思路；但仍具有較大的巴倫結(jié)構(gòu)。下一步還需繼續(xù)優(yōu)化柔性天線本體螺旋結(jié)構(gòu)，降低天線輸入阻抗，減小巴倫結(jié)構(gòu)，使其更便于安裝和使用。