等離子鞘套下電磁波極化特性及天線輻射特性研究.pdf

1、伴隨著人類對(duì)地球外層空間不間斷地探索，再入返回式飛行器作為開發(fā)空間的重要載體得到了迅速的發(fā)展。但是，當(dāng)再入飛行器以10~25馬赫的超高聲速進(jìn)入稠密大氣層之中飛行時(shí)，飛行器巨大的動(dòng)能不斷地轉(zhuǎn)化為熱能，使飛行器駐點(diǎn)區(qū)防熱材料和空氣分子發(fā)生電離，形成一層包裹著飛行器的高溫等離子體激波流體，對(duì)飛行器測(cè)控通信電磁信號(hào)產(chǎn)生類似金屬鞘套的屏蔽效應(yīng)，嚴(yán)重影響飛行器的信息傳輸，甚至?xí)斐蓪?dǎo)航、數(shù)傳、遙測(cè)、遙控和安控等信號(hào)傳輸?shù)闹袛?，使得飛行器與外界失去無(wú)

2、線電聯(lián)系，產(chǎn)生“黑障”現(xiàn)象，極大地危脅了飛行器的飛行安全。
　　“黑障”現(xiàn)象的本質(zhì)是再入等離子鞘套使得電磁信號(hào)的發(fā)射和傳輸發(fā)生了阻礙和畸變，對(duì)電磁波傳播特性和飛行器天線特性產(chǎn)生了巨大的影響。由于飛行軌跡存在一定的攻角以及飛行器的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使得飛行器與地面測(cè)控站之間，以及飛行器與導(dǎo)航衛(wèi)星之間建立的通信鏈路通常會(huì)位于飛行器天線的斜視方向上，導(dǎo)致飛行器天線發(fā)射和接收的信號(hào)通常會(huì)以某個(gè)角度斜入射穿過(guò)等離子鞘套。同時(shí)，等離子鞘套具有空間非均

3、勻、頻率色散等特性，且再入全程中參數(shù)跨度3到4個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致等離子鞘套下電磁波傳播特性和天線特性與常規(guī)介質(zhì)下的特性有較大差距。本文在研究實(shí)際再入等離子鞘套基本物理特性的基礎(chǔ)上，研究了不同極化電磁波以任意角度入射等離子鞘套的透射幅頻特性，研究了等離子鞘套對(duì)任意角度入射電磁波的去極化效應(yīng)，以及與接收天線之間的極化失配損失，對(duì)再入全程中不同高度時(shí)天線的阻抗、不同方向角的功率輻射以及極化特性進(jìn)行了全面的研究，最后提出了兩種降低反射損耗的等離子體

4、適應(yīng)性方法。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)及貢獻(xiàn)包括：
　　1、提出了不同極化電磁波以任意角度入射等離子鞘套的等效傳輸線計(jì)算方法，揭示了入射角對(duì)于不同極化電磁波透射特性的影響規(guī)律?；谒鼓ɡ?，深入分析了等離子鞘套內(nèi)非均勻平面折射波的等相位面和等振幅面的傳播特性，并對(duì)其中的相位計(jì)算進(jìn)行了修正。采用雙高斯分布的等離子鞘套模型，計(jì)算了不同極化電磁波以不同角度入射等離子鞘套的透射幅頻特性曲線，給出了等離子體電子密度、碰撞頻率、電磁波頻率、入射角與電

5、磁波透射特性之間的關(guān)系。
　　2、基于電磁波極化分解與合成理論，提出了等離子鞘套下電磁波的極化特性理論,并建立了電磁波穿過(guò)等離子鞘套后與接收天線的極化失配模型。對(duì)目前測(cè)控導(dǎo)航常用的L、S、C、Ka頻段電磁波進(jìn)行研究，獲得以上各頻段電磁波以不同角度穿過(guò)等離子鞘套后的極化特性，以及與接收天線之間的極化失配損失，給出了等離子體參數(shù)和入射角度對(duì)電磁波極化特性和極化失配損失的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了電磁波從右旋變化為左旋的極化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。計(jì)算結(jié)果表明

6、：當(dāng)電磁波入射角越大、碰撞頻率越小、峰值電子密度對(duì)應(yīng)的特征頻率與電磁波頻率越接近時(shí)，電磁波去極化效應(yīng)越嚴(yán)重，電磁波接收極化失配損失越嚴(yán)重。
　　3、建立了能夠模擬再入等離子鞘套非均勻分布特性的等離子體分層模型，提出了具有頻率色散和高損耗特性的等離子鞘套覆蓋下天線特性計(jì)算方法，對(duì)典型再入全程中等離子鞘套覆蓋下GPS導(dǎo)航、S波段、C波段以及Ka波段測(cè)控天線的阻抗特性、工作頻點(diǎn)偏移、空域輻射功率特性和極化特性進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：再

7、入全程中天線與饋電系統(tǒng)之間出現(xiàn)明顯的失配現(xiàn)象，天線阻抗在S mit h圓圖上逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，經(jīng)歷了在電容性和電感性電抗之間大幅度的變化過(guò)程，同時(shí)天線諧振頻點(diǎn)偏移問(wèn)題也經(jīng)歷了先向低頻方向偏移，后向高頻方向偏移的變化過(guò)程。再入全程中天線極化特性出現(xiàn)明顯的惡化，在某些高度時(shí)天線極化特性甚至出現(xiàn)了從右旋向左旋的變化。天線增益方向圖在前向方向角出現(xiàn)明顯畸變，天線的輻射性能急劇下降，根據(jù)各頻段測(cè)控天線功率輻射方向圖的衰減結(jié)果，預(yù)測(cè)了各測(cè)控導(dǎo)航頻段進(jìn)

8、出黑障的高度，與NASA報(bào)告中給出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相吻合。
　　4、基于阻抗匹配的理論，提出了兩種降低反射損耗的等離子體適應(yīng)性方法。針對(duì)天線阻抗失配問(wèn)題，提出了一種不會(huì)干擾接收機(jī)的“雙鄰頻點(diǎn)”天線阻抗測(cè)量方法，在此基礎(chǔ)上研究了等離子體下天線“雙鄰頻點(diǎn)”阻抗自適應(yīng)補(bǔ)償方法。針對(duì)等離子體對(duì)電磁波的反射損耗問(wèn)題，提出了一種利用電磁超材料降低電磁波反射損耗的匹配方法。經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證這兩種方法具有一定的可行性，同時(shí)這兩種等離子體適應(yīng)性方法方法可以結(jié)