下载:
-
随着航天技术的快速发展，高压太阳电池阵列作为航天器的主电源，其对运行安全性的要求越来越高[1-2]，100 V及以上的高压电池阵列已经普遍应用于地球同步轨道（GEO）航天器。运行于GEO等离子体、高能电子环境的航天器，其高压太阳电池阵列易产生静电放电（ESD）[3-4]。ESD形成过程伴随有高电压、强电场以及瞬时大电流，其电流上升时间可短于1 ns，且电流上升过程中伴随有强电磁辐射，形成带宽达几MHz至几GHz的电磁脉冲（EMP），这种ESD EMP会诱发太阳电池阵列二次放电，造成太阳电池阵列功率损失甚至永久性短路。同时，ESD过程还会在短时间内释放大量的热能，导致太阳电池表面玻璃盖片的透明度下降进而降低太阳电池的转换效率，甚至可能烧断互连片造成太阳电池阵开路并致使回路损毁[5-6]。除此之外，EMP还可以通过线路、孔缝等路径耦合进入设备内部的敏感设备，可对航天器的电子设备、软件控制系统和电源系统等重要部组件造成严重干扰或损伤，降低电子设备工作的可靠性[7-8]。据美国航空航天局统计，导致GEO航天器在发射和运行过程中出现多起软、硬件故障的主要诱因是ESD，ESD EMP目前已成为航天器面临的主要电磁威胁[9]。因此，针对航天器高压太阳电池阵列ESD过程中辐射的EMP特性进行研究，对于了解航天器ESD特征以及对其进行抑制具有重大意义。
目前常见的用于航天器ESD电磁辐射探测的天线有单、偶极子天线[10-12]、Wi-Fi天线[13]、TEM喇叭天线、对数周期天线[14]和长线天线[15-16]等，它们可以稳定接收ESD电磁辐射信号，并且测量范围广，失真较小；但在应用过程中也存在缺点，如：现有的天线大多使用刚性结构，且纵向尺寸过大，安装时无法很好地与航天器的金属外壳共形，需要对航天器本身进行较复杂的结构改造才能稳妥安装；天线监测的频段与航天器ESD EMP信号的主要频段范围不一致；天线检测的灵敏度较低。
为克服上述ESD电磁辐射探测天线存在的缺点，本文进行了航天器高压太阳电池阵列ESD检测用柔性天线传感器的研究。采用矩形贴片天线等效技术、梯形地平面技术和CPW馈线指数渐近线化技术，利用ANSYSS HFSS软件构建柔性ESD电磁辐射检测天线三维电磁仿真模型，仿真获取天线在不同弯曲程度下的电压驻波比（VSWR）和增益特性参数并进行优化；根据仿真优化结果研制柔性天线传感器样品，利用矢量网络分析仪进行VSWR测试，并通过搭建的ESD模拟试验平台对该柔性天线传感器的ESD EMP检测性能进行实验分析。
-
天线部分由敷于介质板上的铜质椭圆平面单极子天线、梯形地平面和CPW馈线组成。
-
椭圆平面单极子天线由微带天线演变而来，具有结构简单、超宽带以及馈电网络可与天线本体结构集成等优点[17]，被广泛应用于军事和航空航天等领域。
椭圆平面单极子天线的椭圆辐射贴片的半长轴a和半短轴b由天线所感知的电磁波最大波长决定，其具体尺寸可根据矩形贴片天线的等效圆柱体振子的底面半径r和高度h计算得到[18]。具体计算方法如下：
分别用圆柱体振子的柱体表面积S柱和高度h等效椭圆辐射贴片的面积S面和椭圆长轴2a，即
$$ {\text{π}}ab = 2{\text{π}}rh \text{，} $$ (1) $$ 2a = h 。 $$ (2) 其中：h与天线所感知频段内电磁波最大波长λ的对应关系为
$$ h = \frac{{{r^2} - 0.24\lambda r}}{{0.24\lambda }} 。 $$ (3) 通过式(1)～式(3)可知，圆柱体振子感知的电磁波最大波长对应的最低工作频率f和椭圆辐射贴片半长轴a、半短轴b之间的关系为
$$ f=\frac{7.2}{2 a+b / 4}=\frac{28.2}{8 b+a} \text{，} $$ (4) 其中：椭圆轴a和b的单位为cm，频率f的单位为GHz。
当椭圆辐射贴片轴比（a/b）为1时，可将该椭圆辐射贴片视作特殊的圆形辐射贴片，则最低工作频率和椭圆辐射贴片尺寸的关系为
$$ f = \frac{{3.133}}{b} 。 $$ (5) -
梯形地平面采用盘锥天线平面化的思想[19]，取盘锥天线二维平面结构作为天线的地平面，使地平面继承盘锥天线超宽带、垂直线极化以及在水平面内全向辐射等优点[20]。并且盘锥天线的工作频带在UHF频段内驻波比小于2的宽度为8倍频带宽（倍频带宽BW=fH/fL），可有效贴合PD UHF信号300 MHz~3 GHz宽频带范围。
盘锥天线的方向特性Ψ(γ,θ)的计算公式为
$$ \varPsi (\gamma ,\theta ) = \sum {r{T_v}} (\theta ){Z_v}({k_{0\gamma }}) \text{，} $$ (6) 其中：Tv(θ)表示v阶第一类和第二类勒让德函数的一个线性组合；Zv(k0γ)表示广义v阶球贝塞尔函数；k0表示自由空间波数，
$ {k_0} = \omega {({\varepsilon _0}{\mu _0})^{1/2}} $ 。结合球贝塞尔函数和勒让德函数，将锥体外部内域和外域的函数分别取为：
$$ {A_1} = \sum {r{T_v}} (\theta ){J_v}({k_{0\gamma }}) \text{；} $$ (7) $$ {A_2} = \sum {n{B_n}{P_n}} (\cos \theta ){H_n}({k_{0\gamma }}) 。 $$ (8) 其中：
$$ T_{v}(\theta)=C_{v} P_{v}(\theta)+D_{v} P_{v}({\text -}\cos \theta) \text{，} $$ (9) $$ {J_v}({k_{0\gamma }}) = {k_{0\gamma }}{j_v}({k_{0\gamma }}) \text{，} $$ (10) $$ {H_n}({k_{0\gamma }}) = {k_{0\gamma }}{h_n}({k_{0\gamma }}) 。 $$ (11) 式(8)～式(11)中：Pn(cosθ)表示勒让德方程的线性解；jv(k0γ)表示v阶第一类球贝塞尔函数在γ方向上的一个驻波；hn(k0γ)表示n阶第二类球汉克尔函数沿γ方向上的外向行波。其中，n为非零常数，v为待定常数，Bn、Cv、Dv为待定的展开系数。带入边界条件，可解得盘锥天线的方向图函数为
$$ f(\theta ) = \sum {n{j_n}} - {B_n}(\cos \theta ){P_n}(\cos \theta )\sin \theta 。 $$ (12) 通过式(12)可计算出天线接收电磁波集中的方向。
盘锥天线结构参数如图1所示，金属圆盘与锥体的同轴馈线相连，圆盘直径为D，锥体上、下端面的直径分别为Dmin和Dmax，锥体的锥角为θ0，母线长为L。
图 1 盘锥天线结构示意
Figure 1. Schematic of discone antenna
由于盘锥天线相当于由一个半张角为90°和一个半张角为θ0的锥体组成的双锥天线，所以其特性阻抗相当于双锥天线的1/2，即
$$ {Z_0}{\text{ = }}60\ln \left(\cot \frac{{{\theta _0}}}{2}\right) 。 $$ (13) 本文采取将盘锥天线的锥体部分平面化后作为接地面，以提高整体天线的阻抗带宽。与盘锥天线相连的馈线匹配阻抗是50 Ω，可按照匹配阻抗进行天线的尺寸设计：天线的锥体锥角不能过小，否则会导致天线的匹配阻抗随锥体母线L的改变而剧烈变化，因此锥角θ0的范围应在30°～60°之间；锥体母线L不能过短，以避免出现由于天线的辐射电阻变小而导致电抗分量变大，从而使得同轴馈线的匹配阻抗变差的问题，因此锥体母线L应略大于天线最低工作频率对应波长λmax的1/4，即
$$ L = k ( {\lambda _{\max }}/4) \text{，} $$ (14) 其中k的取值范围为1.3～1.5。
-
CPW馈线作为一种微波平面传输线，具有辐射损耗低、工作频带宽和结构简单等优点，常被应用在传输线和微波毫米波集成元件等方面。由于CPW馈线独特的平面结构，还可以将其应用在天线馈电方面，把空间中的电磁波能量转换成电磁信号[21]。
CPW馈线组成如图2所示，在介质板表面敷上中间导带和两边的接地面，导带宽度为w，导带与接地面之间的距离为d1，介质板厚度为h1。
图 2 CPW馈线组成示意
Figure 2. Schematic of CPW feeder
CPW馈线特性阻抗Z01的计算公式为
$$ {Z_{{\text{01}}}} = \frac{{30{\text{π}}K'(k)}}{{\sqrt {{\varepsilon _{{\text{re}}}}} K(k)}} \text{，} $$ (15) 式中：K′(k)表示第一类完全性椭圆余弦函数，K′(k)=K(k′)，
$ k' = \sqrt {1 - {k^2}} $ ，$ k = c/(c + 2w) $ ；K(k)表示第一类完全性椭圆函数；εre表示CPW馈线的有效介电常数。$$\begin{split} {{\varepsilon} _{\rm{re}}} = & \frac{{\varepsilon} _{\rm{r}} + 1}{2}\{ \tan \left[ {1.75 + 0.775\ln ({h_1}/{d_1})} \right] + \\ & \frac{{k_1}{d_1}}{h_1}[ 0.04 - 0.7{k_1} + 0.01(0.25 + k) \times \\ & (1 - 0.1{{\varepsilon} _{\rm{r}}}) ]\} \text{，} \end{split}$$ (16) 其中：εr表示介质板的相对介电常数。
当0≤k≤0.7时，
$$ \frac{{K(k)}}{{K'(k)}} = {\left[ {\frac{1}{{\text{π }}}\ln \left(2\frac{{1 + \sqrt {k'} }}{{1 - \sqrt {k'} }}\right)} \right]^{ {\text -} 1}} \text{；} $$ (17) 当0.7≤k≤1时，
$$ \frac{{K(k)}}{{K'(k)}} = \frac{1}{{\text{π }}}\ln \left(2\frac{{1 + \sqrt k }}{{1 - \sqrt k }}\right) 。 $$ (18) 经过上述计算可得，介质板厚度对CPW馈线的特性阻抗影响较大。使用CPW馈线技术既能达到增大天线带宽的目的，也可避免由于特性阻抗的剧烈波动而对天线进行复杂的结构改造。
-
本文设计的ESD电磁辐射检测用柔性天线的工作频段为300 MHz～3 GHz，几乎可覆盖整个ESD频段。通过工作频段的最低工作频率来设计天线，并取1 GHz作为天线的中心频率。由第1章的计算公式可得：天线优化前的椭圆辐射贴片的半长轴a=90 mm、半短轴b=30 mm；梯形地平面的锥角θ0=30°、腰L=175 mm、上底Dmin=3 mm、下底Dmax=180 mm、高H=150 mm；CPW馈线导带宽w=2.5 mm，导带与接地面之间距离d1=0.1 mm、导带高H1=152 mm；天线介质板的厚度h1=0.28 mm。此时天线横向长A=180 mm、纵向长B=210 mm，尺寸较大，需进一步缩小优化。本文采用指数渐近线阻抗变换器技术对CPW馈线部分指数渐近线化处理[22]来实现天线的超宽带，同时通过ANSYSS HFSS软件对所设计的天线进行仿真优化，寻找最优参数来实现传感器的小型化。
-
在微带天线设计中，常通过使用微带阻抗变换器来达到降低驻波比、提高传输效率的目的。本文通过CPW馈线指数渐近线化处理，使得CPW馈线导带部分从下至上、由大到小分为无数节阶梯，并使每节阶梯的长度无限缩短。这时CPW馈线的宽度和特性阻抗连续变化，使得每节阶梯产生的反射相互抵消，最终实现天线在超宽频带内的阻抗匹配。CPW馈线的微带特性阻抗Zc沿阻抗变换器长度方向按指数规律变化的计算式为
$$ {Z_{\text c}} = {Z_{02}}{{\text e}^{\alpha {\textit{z}}}} \text{，} $$ (19) 式中：Z02为渐进线中心位置的微带特性阻抗；α为特性阻抗的变换常数；z表示特性阻抗。
通过Txline软件计算CPW馈线上底宽w1和下底宽w2两端匹配的微带特性阻抗Z1和Z2（Z1＞Z2），进而计算得到导带的长度l，
$$ l = \frac{{\lambda \ln ({Z_1} + {Z_2})}}{{8{\text{π}}{{\textit{Γ}} _1}}}\text{，} $$ (20) 式中：
$$ {Z_1} = {Z_{02}}{{\text e}^{ {\text -} \alpha l/2}} \text{；} $$ (21) $$ {Z_2} = {Z_{02}}{{\text e}^{\alpha l/2}} \text{；} $$ (22) Γ1为指数渐近线化阻抗变换器的电压反射系数，
$$ {{\textit{Γ}} _1}{\text{ = }}\frac{\lambda }{{8{\text{π}} l}}\ln \frac{{{Z_1}}}{{{Z_2}}} 。 $$ (23) 通过以上计算得到l=110 mm，因此可将地平面尺寸缩小，即将梯形地平面的高度H也近似取为110 mm来匹配CPW部分，相应的天线横向长A=180 mm、纵向长B=170 mm。
-
CPW馈线经过指数渐近线化处理后衍生出2个新变量——馈线导带上底宽w1和下底宽w2，此时天线尺寸仍然较大，须通过仿真优化在原来馈线宽w=2.5 mm的基础上寻找最优参数。影响单极子天线带宽的主要因素是单极子天线贴片的面积大小，分析天线结构可知，决定单极子天线面积的主要参数是A和B，其他参数（a、b、H、H1、Dmin、Dmax、w1、w2、d1）只需随着A和B的变化进行相应的变化。如果通过传统的参数扫描方法对全部11个参数进行优化，计算量将非常庞大。为保证工作的可实施性，本文先对参数A和B进行仿真寻找其最优值，并得出a、b、H等参数的大概范围，再对这些参数进行微调，最终确定11个参数的最优值。
先由电磁波在自由空间中对应的1/4波长确定参数
$$ L{\text{ = }}\frac{{\text{c}}}{{4{f_{\text{1}}}\sqrt {{\varepsilon _{{\text{re}}}}} }} \text{，} $$ (24) 其中：f1表示天线预设的工作频率；继而可确定参数A和B的优化域——A（120～170 mm），B（120～180 mm）。
根据设定的优化域，利用ANSYSS HFSS软件，首先对参数A进行仿真优化，得到的仿真结果如图3所示。从图中可以看出：随着A的减小，低频段的中心频率逐渐向右移动靠近目标中心频率，且带宽逐渐增大；当A减小到140 mm之后，带宽出现劣化变窄，因此确定优化取值为A=140 mm。
图 3 参数A优化仿真回波损耗曲线
Figure 3. Simulated return loss curve after the optimization of parameter A
确定参数A的优化值后，继续进行参数B的仿真优化，得到的仿真结果如图4所示。从图中可以看出：随着B的减小，中心频率的波动逐渐减少并向右移动靠近目标中心频率，且带宽也随着增大；当B减小到150 mm之后，带宽出现劣化变窄，因此确定优化取值为B=150 mm。
图 4 参数B优化仿真回波损耗曲线
Figure 4. Simulated return loss diagram after the optimization of parameter B
确定参数A和B的优化值后，以所得到的回波损耗中心频率与目标中心频率重合、带宽逼近极限宽为目标，对其他参数通过仿真优化进行微调，获得的最优回波损耗如图5所示。据此确定的天线最终结构如图6所示，其中梯形地平面的锥角θ0取32°。
图 5 最优回波损耗图
Figure 5. Optimal return loss diagram
图 6 ESD EMP检测用天线结构示意
Figure 6. Structure diagram of ESD EMP detection antenna
-
目前常见的柔性基底材料主要有聚酰亚胺（polyimide, PI）[23]、聚二甲硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）[24]、聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene, PTFE）[25]等，表1给出了这3种材料的性能参数。本文采用的PI具有高介电常数以及低介电损耗等优点，可以保证天线信号传输的高效率；另外其良好的绝缘性、延展性和柔性可以保证传感器在航天器内设置的灵活、稳定。但由于空间ESD检测用天线长期暴露在等离子体、高能电子等恶劣环境下，会导致PI天线出现被腐蚀、绝缘破坏等问题，所以需要研究针对PI材料的改性方法来提高其空间环境适应能力[3, 26]。
表 1 柔性材料电性能
Table 1. Electrical properties of flexible materials
材料 介电常数 介电损耗 击穿场强/(kV·mm-1) PI 3.5 0.004～0.007 300 PDMS 2.7 0.001～0.004 20 PTFE 2.2 0.001～0.005 200 将天线印制在长方形PI介质板上，介质板尺寸为150 mm×140 mm×0.28 mm。采用射频连接器SMA-KE接口连接SMA CPW馈线进行馈电，天线实物如图7所示。
图 7 ESD检测柔性天线
Figure 7. Flexible antenna for ESD detection
-
VSWR表示波腹电压和波节电压的比值，通常用VSWR低于某一规定值时的频带宽度定义天线的阻抗带宽。这样做既可以反映天线阻抗的频率特性，也可以反映天线与馈线之间的匹配效果，一般把VSWR＜2的频带作为ESD检测用传感器的有效频带。VSWR计算式为
$$ \text{VSWR}=\frac{1+\left|\varGamma\right|}{1-\left|\varGamma\right|} \text{，} $$ (25) 其中Г为天线的反射系数。
航天器的金属外壳多为弧状结构，根据电压等级和制造工艺的不同，其外壳弯曲半径一般在150～500 mm之间。本文通过ANSYS HFSS软件建立ESD电磁辐射检测用柔性天线三维电磁仿真模型，在300 MHz～2 GHz频段内对柔性天线在不弯曲以及弯曲半径分别为100、300、500 mm时进行扫频分析，仿真所得VSWR曲线见图8。仿真结果显示：柔性天线未发生形变时，在340 MHz～2 GHz频段内VSWR＜2。不同程度弯曲形变后，天线VSWR会有微小的波动，但波动幅度很小——弯曲半径为100、300 mm时，天线在340 MHz～2 GHz频段内VSWR＜2；弯曲半径为500 mm时，天线在500～750 MHz频段内VSWR＜2.5，在750 MHz～2 GHz频段内VSWR＜2。
图 8 ESD检测柔性天线VSWR仿真曲线
Figure 8. VSWR simulation curve of ESD detection for flexible antenna
利用矢量网络分析仪对天线实物的VSWR进行实测，测试结果见图9。可以看到，天线在不弯曲以及弯曲半径分别为100、300、500 mm时，除在300～650 MHz频段内VSWR＜3，在650 MHz～3 GHz频段内VSWR均＜2，说明天线弯曲形变后VSWR基本不变。
图 9 实测的天线VSWR曲线
Figure 9. Measured VSWR curves of the antenna
对比天线VSWR的仿真和实测结果可以发现，实测VSWR在低频段和仿真结果存在一定的出入，这是由于天线制作和焊接工艺精度的影响以及测试环境无法避免地存在一定金属导体的干扰，导致实测VSWR低频段带宽变窄，在高频段出现振荡，但整体效果符合天线设计要求。
-
辐射方向图表示在天线的远场范围内，辐射场的相对场强随方向的变化，用以反映天线的增益效果。在0.5、1.0、1.5和2.0 GHz 共4个频点下，本文设计的柔性天线（弯曲半径为100、300、500 mm以及不弯曲时）的H面（yOz面）和E面（xOy面）的辐射方向图见图10和图11。
图 10 不同频点下的柔性天线H面辐射方向图
Figure 10. H-plane radiation patterns of the flexible antenna at different frequencies
图 11 不同频点下的柔性天线E面辐射方向图
Figure 11. E-plane radiation patterns of the flexible antenna at different frequencies
由图10和图11可以看到：H面辐射方向图在4个频点下均呈倒“8”字型；E面辐射方向图在0.5、1.0和1.5 GHz频点下呈倒“8”字型。这表明，除个别频点外，柔性天线均可较好地接收ESD EMP信号，且H面的信号接收效果更好。同时可以看出：在相同弯曲半径下，柔性天线H面的接收信号效果随着频率的升高而增强；在相同频率下，柔性天线H面辐射方向特性受天线弯曲形变的影响较小。这是由于柔性天线主体是单极子天线，而本文设计的单极子天线主要沿H面呈对称结构，故其主要接收信号的方向在H面，这就导致天线E面增益劣化。由于天线安装以后本身就是其H面朝向ESD电磁辐射信号发射方向，因此E面增益劣化并不影响天线本身的感知性能。针对ESD产生的EMP信号检测更加关注天线本身的灵敏度，因此本文仅实测了天线VSWR[27-28]。
-
为验证本文所设计的柔性天线检测EMP信号的性能，搭建了ESD EMP检测试验平台，如图12所示。通过静电屏蔽箱屏蔽外界大部分静电干扰，并在箱中设置静电脉冲点火器模拟静电放电源。将研制的ESD检测用柔性天线放置在屏蔽箱中进行ESD EMP信号感知性能检测，信号采集设备使用高性能数字示波器。
图 12 ESD EMP检测试验平台
Figure 12. ESD EMP test platform
脉冲点火器发生ESD时，产生的瞬态电流脉冲为几百 ns，峰值幅度为4.94 V，同时伴有光、热现象。放电过程是脉冲点火器充电静电能的释放过程，放电电压的波形特征类似于衰减振荡，呈现为幅度逐渐衰减的振铃波，如图13所示。
图 13 脉冲点火器发生的ESD EMP信号
Figure 13. ESD EMP signal generated by the pulse igniter
使用MatLab软件工具编写程序对空间ESD 300 ns内5000个点的时域数据（示波器采样率6.25 GS·s-1）进行快速傅里叶变换，计算得到该次ESD电压的频域特征如图14所示。
图 14 ESD EMP信号频域特征
Figure 14. Frequency domain characteristics of ESD EMP signals
由图14中可知，ESD EMP信号频段主要位于57.5～452.2 MHz范围，并于83.7 MHz达到峰值，处于柔性天线的有效检测频段内，且天线检测效果良好，具有较高的灵敏度。
-
本文开展航天器高压太阳电池阵列ESD检测用柔性天线传感器的研制，引入PI材料作为天线柔性基底，并通过对天线检测ESD信号的性能进行有限元仿真和分析仪实测进行验证，得出结论如下：
1）在300 MHz～2 GHz频段内，采用矩形贴片天线等效、梯形地平面和CPW馈线指数渐近线化3种技术来降低天线VSWR并扩大带宽。仿真结果显示：弯曲半径分别为100、300、500 mm以及不弯曲条件下，天线均能保持在300～650 MHz频段内VSWR＜3；在650 MHz～2 GHz频段内VSWR＜2，并具有良好的全向辐射特性。
2）根据仿真优化结果制作天线实物。通过矢量网络分析仪进行驻波比测试，结果表明该天线能够稳定地检测ESD过程辐射的EMP信号，具有监测航天器ESD的潜力。
3）搭建ESD模拟试验平台对柔性天线的EMP信号检测性能进行测试，结果表明柔性天线在弯曲后可以有效检测到ESD EMP信号，且具有较高的灵敏度。
受实验条件的限制，本文未涉及长期暴露在GEO恶劣环境下的空间ESD检测用天线本身易被腐蚀、绝缘破坏等问题，后续会进行相关研究。
Flexible antenna sensor for ESD detection of spacecraft high voltage solar cell array
-
摘要: 为完善地球同步轨道（GEO）航天器静电放电（ESD）风险评估手段，文章根据空间ESD辐射电磁波频带特性，利用三维电磁场仿真软件ANSYSS HFSS，采用矩形贴片天线等效技术、梯形地平面技术和CPW馈线指数渐近线化技术开展航天器高压太阳电池阵列ESD检测用柔性天线传感器研究。采用聚酰亚胺（PI）作为柔性天线基底，其厚度为0.28 mm；柔性天线在弯曲半径分别为100、300、500 mm以及不弯曲条件下，300 MHz～2 GHz频带范围电压驻波比（VSWR）小于3，其中在650 MHz～2 GHz频段范围VSWR小于2。通过搭建的ESD模拟试验平台对传感器的电磁脉冲（EMP）信号检测性能进行实测分析，结果表明传感器能够有效地检测到高压太阳电池阵列表面的ESD EMP信号，具有用于航天器ESD故障预警的潜力。
-
关键词:
- 航天器；高压太阳电池阵列 /
- 静电放电 /
- 柔性天线传感器 /
- 电磁脉冲检测 /
- 单极子天线
Abstract: In order to improve the electrostatic discharge (ESD) risk assessment method for geosynchronous orbit (GEO) spacecraft, research on flexible antenna sensors for spacecraft ESD radiation detection were carried out in this article. Based on the frequency band characteristics of space ESD radiation electromagnetic wave, the means applied included the three-dimensional electromagnetic field simulation software ANSYSS HFSS, the equivalent technology of rectangular patch antenna, the trapezoidal ground plane technology and the CPW feeder exponential asymptotic technology. Polyimide (PI) was used as the base of the flexible antenna, and its thickness was 0.28 mm. The voltage standing wave ratio (VSWR) was less than 3 in the 300 MHz to 2 GHz frequency band range when the bending radius was 100, 300, 500 mm and no bending, of which the VSWR was less than 2 in the 650 MHz to 2 GHz frequency band range. The electromagnetic pulse (EMP) signal detection performance was measured and analyzed by the ESD simulation test platform. The results show that the designed antenna can detect ESD EMP signal effectively, with the potential to be used for spacecraft ESD fault warning. -
图 3 参数A优化仿真回波损耗曲线
Figure 3. Simulated return loss curve after the optimization of parameter A
图 4 参数B优化仿真回波损耗曲线
Figure 4. Simulated return loss diagram after the optimization of parameter B
图 8 ESD检测柔性天线VSWR仿真曲线
Figure 8. VSWR simulation curve of ESD detection for flexible antenna
图 10 不同频点下的柔性天线H面辐射方向图
Figure 10. H-plane radiation patterns of the flexible antenna at different frequencies
图 11 不同频点下的柔性天线E面辐射方向图
Figure 11. E-plane radiation patterns of the flexible antenna at different frequencies
表 1 柔性材料电性能
Table 1. Electrical properties of flexible materials
材料 介电常数 介电损耗 击穿场强/(kV·mm-1) PI 3.5 0.004～0.007 300 PDMS 2.7 0.001～0.004 20 PTFE 2.2 0.001～0.005 200 
下载: 导出CSV
-
参考文献
[1] 李存惠, 柳青, 杨生胜, 等. 高压太阳电池阵静电放电产生脉冲信号的特性研究[J]. 航天器环境工程, 2017, 34(2): 190-194 LI C H, LIU Q, YANG S H, et al. Characteristics of electrostatic discharge signal on the high voltage solar array[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(2): 190-194 [2] 李凯, 王立, 秦晓刚, 等. 地球同步轨道高压太阳电池阵充放电效应研究[J]. 航天器环境工程, 2008, 25(2): 125-128 LI K, WANG L, QIN X G, et al. Charging and discharging effects on high-voltage solar array in GEO[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2008, 25(2): 125-128 [3] 王立, 张庆祥. 我国空间环境及其效应监测的初步设想[J]. 航天器环境工程, 2008, 25(3): 215-219 WANG L, ZHANG Q X. On the monitoring of space environment effects in China[J]. Spacecraft Environmental Engineering, 2008, 25(3): 215-219 [4] 王春琴, 张鑫, 张立国, 等. 地球同步轨道系列卫星自主空间辐射环境监测及应用[J]. 上海航天, 2017, 34(4): 85-95 WANG C Q, ZHANG X, ZHANG L G, et al. Space radiation environment observations and applications based on GEO satellites[J]. Aerospace Shanghai, 2017, 34(4): 85-95 [5] YUAN Q Y, SUN Y W, CAO H F. Electrostatic discharge effects on the high-voltage solar array[J]. Journal of High Voltage Engineering, 2013, 39(10): 2392-2397 [6] YADLOWSKY E J, CHURCHILL R J, HAZELTON R C. Laboratory simulation of irradiation-induced dielectric breakdown in spacecraft charging[D]. Fort Collins: Colorado State University, 1980: 1-3 [7] IVANOV V A, MOROZOV E P. Experimental investigation and method of mathematical modeling of electrostatic discharges[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2011, 48(2): 266-270 doi: 10.2514/1.49537 [8] 原青云, 孙永卫, 张希军, 等. 航天器带电理论及防护[M].北京: 国防工业出版社, 2016: 42-50 [9] 胡小锋, 陈洪雨, 范亚杰, 等. 温度对GEO轨道太阳电池阵静电放电影响规律研究[J]. 装备环境工程, 2020, 17(6): 86-94 HU X F, CHEN H Y, FAN Y J, et al. Influences of temperature on static discharge pattern of GEO orbit solar array[J]. Equipment Environmental Engineering, 2020, 17(6): 86-94 [10] ZHANG G Z, LI C H, ZHANG X X, et al. Optimized sleeve monopole antenna for detection of electrostatic discharge radiation of spacecraft solar array[J]. Review of Scientific Instruments, 2019, 90(1): 1-7 [11] 杨垂柏, 梁宝金, 王世金. 地球同步轨道航天器太阳电池阵静电放电监测方法初探[J]. 太阳能学报, 2008, 29(2): 135-138 YANG C B, LIANG B J, WANG S J. Monitoring method for solar PV array ESD of GEO spacecraft[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2008, 29(2): 135-138 [12] SHEN M M, STERMOVSKY Z, GARZELLI A, et al. Electrostatic model for antenna signal generation from dust impacts[J]. Journal of Geophysical Research-space Physics, 2021, 126: 9 [13] ANDERSEN A, DEMNISON J. R. Wireless antenna detection of electrostatic discharge events[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2019, 47(8): 3867-3871 doi: 10.1109/TPS.2019.2907587 [14] LEUNG P. Discharge characteristics of a simiulated solar cell array[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1983, 30(6): 4311-4315 doi: 10.1109/TNS.1983.4333129 [15] ADAMO R, MATARRESE J. Transient pulse monitor data from the SCATHA/P78-2 spacecraft[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 1983, 20: 432-437 doi: 10.2514/3.25624 [16] ROBSON R R, WILLIAMSON W S. Flight model discharge system: AD-A169 423[R], 1985: 33-73 [17] RAFIQUE U, DIN S U, KHALIL H. Compact CPW-fed super wideband planar elliptical antenna[J]. International Journal of Microwave and Wireless Technologies, 2020, 13(4): 407-414 [18] 张厚. 共面波导馈电平面天线[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2014: 74-79 [19] 李佳明. VHF/UHF宽带车载天线研究[D]. 桂林: 桂林电子科技大学, 2020: 10-13 [20] LIU A, LU Y. A super wide bandwidth low-profile monocone antenna with dielectric loading[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2019, 67(6): 4173-4177 doi: 10.1109/TAP.2019.2907818 [21] ANSAL K A, RAJAN C S, RAGAMALIKA C S, et al. A CPW fed monopole antenna for UWB/KU band applications[J]. Materials Today: Proceedings, 2022, 51(3): 585-590 [22] 南敬昌, 王明寰. 超宽带阶梯型微带单极子天线的设计与研究[J]. 电波科学学报, 2021, 36(2): 225-230 NAN J C, WANG M H. Design and research of ultra-wideband stepped microstrip monopole antenna[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2021, 36(2): 225-230 [23] 郑博仁, 冯全源, 郑宗良. 一种基于聚酰亚胺的超宽带紧凑型柔性天线[J]. 应用科技, 2021, 48(3): 51-56 ZHENG B R, FENG Q Y, ZHENG Z L. A novel polyimide-based compact flexible antenna for UWB applications[J]. Applied Science and Technology, 2021, 48(3): 51-56 [24] 付靖娟, 姚俊. 基于柔性PDMS柔性微带天线的制作与测试[J]. 传感器与微系统, 2021, 40(11): 88-90 FU J J, YAO J. Fabrication and test of flexible microstrip antenna based on flexible PDMS[J]. Transducer and Microsystem Technology, 2021, 40(11): 88-90 [25] VILESH V L, SANTHE N, SUBODH G. Influence of Li2MoO4 and polytetrafluorethylene addition on the cold sintering process and dielectric properties of BaBiLiTeO6 ceramics[J]. Ceramics International, 2021, 47(21): 30756-30763 doi: 10.1016/j.ceramint.2021.07.255 [26] IRINA G Z, EITAN G, RONEN V, et al. Advances in polyimide-based materials for space applications[J]. Advanced Materials, 2019, 31(18): 1807738 doi: 10.1002/adma.201807738 [27] 侯翔宇. 小型化超宽带多陷波微带天线研究[D]. 重庆: 重庆理工大学, 2022: 21-29 [28] 刘桂凤, 杜彪, 何应然. 基于超表面的超宽带低剖面双极化天线[J]. 无线电工程, 2022, 52(2): 268-273 LIU G F, DU B, HE Y R. A low profile ultra-wideband dual-polarized antenna based on metasurface[J]. Radio Engineering, 2022, 52(2): 268-273 -
点击查看大图
图(14) / 表ll (1)
计量
- PDF下载量: 3
- 文章访问数: 38
- HTML全文浏览量: 6
