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，會在一段時間內出現(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產(chǎn)生的等離子體，是引起電波損耗劇增，甚至導致通信中斷的主要原因。本文對飛行器再入段的電磁波傳播與天線特性進行了系統(tǒng)的研究，通過理論分析、數(shù)值仿真和測量實驗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電流體，具有色散介質的性質。等離子體導致的電波

2、損耗主要包括：等離子體對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。在分析等離子體對電磁波與天線的作用時，為描述等離子體的宏觀性質，采用Drude散射模型來模擬。為研究等離子體對電磁波的衰減作用，對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行了理論分析，對電磁波的功率吸收系數(shù)與功率反射系數(shù)進行了數(shù)值模擬。再入等離子體覆蓋在飛行器天線上，會改變原已調諧好的天線參數(shù)，為研究覆蓋等離子體的

3、天線性能，對等離子體中對稱振子天線的輻射與阻抗特性進行了理論分析，對輸入阻抗、反射損耗與方向圖進行了仿真研究。為適應實際的飛行器情況，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驗方案，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)生的電波損耗對保障高速飛行器的通信十分重要?；诘入x子體的流體性質，本文提出了一種改進再入段等離子體分布特性的結構，建立了相應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。為應用微波網(wǎng)絡理論對所提出的降低電波損耗方法進行驗證，建立了收發(fā)對置喇叭天線仿真模型，其中發(fā)射天線覆蓋有等離子體層。在對等離子體模

5、型參數(shù)進行優(yōu)化設計后，對各頻段天線的阻抗特性與輻射特性進行了仿真分析。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。地面實驗測量結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，基于金屬天線理論，對等離子體單極天線的阻抗特性與輻射

6、特性進行了理論分析，通過適當?shù)酿侂姺绞脚c結構設計，構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，對同軸線饋電的柱形與錐形等離子體天線進行了仿真研究。結合再入環(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。為適應飛行器上應用，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環(huán)套的方法，以防止高溫對饋電環(huán)金屬的燒蝕，并對等離子體包圍的環(huán)耦合饋電等離子體天線進行了研究。本文制作并測量了環(huán)

7、耦合饋電的等離子天線，結果表明利用等離子體可實現(xiàn)天線的輻射性能。由于現(xiàn)階段應用的等離子體天線帶寬較窄，為適應寬帶測控系統(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。對其阻抗與輻射特性進行了仿真分析，結果表明新型的等離子體天線有效地拓展了帶寬。
　　本文詳細分析了飛行器在再入段中高速飛行時的電磁波傳播與天線特性，提出了降低電波損耗的方法，進行了理論分析、仿真研究與地面測量,為飛行試驗提供了理論參考與借鑒。