CN103531897A - 克服临近空间等离子壳套通信黑障的磁窗天线 - Google Patents

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陈如山
丁大志
樊振宏
陶诗飞
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Abstract

本发明公开了一种克服临近空间等离子壳套通信黑障的磁窗天线。该天线包括一个介质基板，一个辐射金属片，辐射金属片固定在介质基板的上表面，一个金属接地板，印刷在介质基板的下表面，一条金属馈线，链接金属辐射片和金属接地板，作为天线电波的馈入接口，固定碳纳米管线圈的盒子，内有多个碳纳米管线圈。通过对碳纳米管线圈进行通电，使线圈附近产生恒定的强磁场，天线附近的等离子体将会被磁化，由于电磁波在磁化后的等离子体内传播衰减小，使得天线的接收和发射能力得到提高，克服临近空间高速飞行器再入过程中的通信黑障问题。

Description

克服临近空间等离子壳套通信黑障的磁窗天线
技术领域
本发明属于临近空间通信技术领域，具体是一种克服临近空间等离子壳套通信黑障的磁窗天线。 
背景技术
临近空间逐步成为世界各国争夺的战略高地。临近空间是距地面20-100km高度的空间区域，包括大部分大气平流层、全部中间层和部分热层的区域，介于卫星和航空平台之间，是迄今为止有待开发的区域。临近空间是航天器往返外太空的必经之地，而且可作为对地高分辨率观测、空间科学实验研究、跟踪中继、灾区应急通信等平台的理想部署区域，也是未来全球高速载人飞行器的飞行走廊，研究如何开发和利用临近空间将现阶段重要的课题。
临近空间高速飞行器与传统航空、航天飞行器相比，有几方面的独特优势：其一，飞行速度快，可实现全球快速到达。利用临近空间高速载人飞行器，地球上任何两个城市间的飞行时间都在2小时之内。其二，发射成本低。临近空间飞行器不需要规模庞大、设备复杂的航天发射场和长时间的发射前准备，也不易受发射窗口的限制，发射费用估计只有航天飞机的1/5。其三，运载成本低，可天地重复往返运输。临近空间含有燃烧必需的氧气，飞行器可省去庞大的燃料箱，增加有效载荷。据目前估计，空天飞机的运输费用至少可降到目前航天飞机的1/10。总之，临近空间高速飞行器所具有的高速度、低成本、可重复使用等特点，使其成为快速进出临近空间、全球快速到达，甚至往返太空的重要运输载体，是世界各国竞争的热点。
临近空间通信“黑障效应”是指飞行器以超高声速再入大气层时，由于气动加热导致其表面及周围空气产生热电离，形成等离子体鞘套，鞘套等离子体频率大于飞行器上通讯设备的载波频率,使通信信号被反射或严重衰减，从而发生通信中断的现象。由于再入飞行器需与地面和在轨卫星之间进行着多种通信，如GPS导航定位、遥感遥测、语音通信等，而通信黑障的发生必将导致相关信号的实时传输受到干扰或中断，这将对飞行器的实时控制和安全性带来严重影响。黑障将严重威胁临近空间高速飞行器的可靠信息传输，是制约其发展的难点和瓶颈问题。如何有效克服等离子鞘套的影响，实现信息的可靠传输，已成为刻不容缓的研究课题。
 
发明内容
本发明的目的在于提供一种克服临近空间等离子壳套通信黑障的磁窗天线，该天线通过改变高超声速飞行器与临近空间环境相互作用形成的“次生环境”向着有利于飞行器通讯的方向发展，消除、减缓和压缩“黑障效应”时间。
实现本发明目的的技术方案是：任意一种贴片天线，包括一个介质基板，一个辐射金属片，辐射金属片固定在介质基板上的上表面上，一个金属接地板，印刷在介质基板的下表面，尺寸和介质基板一样大，一条金属馈线，链接金属辐射片和金属接地板，作为天线电波的馈入接口。固定碳纳米管线圈的恒温装备，内有多个碳纳米管线圈。
电磁波在等离子体中传播能量衰减大，而通过对碳纳米管线圈进行通电，使线圈附近产生恒定的强磁场，天线附近的等离子体将会被磁化，由于电磁波在磁化后的等离子体内传播衰减小，使得天线的接受和发射能力得到提高。
本发明与现有技术相比，其具有显著优点：（1）极低温环境下，电磁线圈处于超导状态，线圈中的电流可以不断循环流动，热损耗小。（2）碳纳米管作为电磁线圈材料，使得整个装置的体积和质量均较小。 
附图说明
图1是超导条件下碳纳米管电磁线圈产生强磁场天线装置示意图。
图2是贴片天线的结构示意图。
图3是加强静磁场前后S11参数比较图。
图4是加强静磁场前后E面方向图的比较图。
图5是加强静磁场前后H面方向图的比较图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
采用电路板刻蚀技术，如图1所示的微带天线结构中，在介质基板1上分别刻蚀出金属接地板2、辐射金属片3和金属线4，金属线4作为天线的电波信号馈入源。连接金属接地板2和辐射金属片3.金属接地板2下面为固定碳纳米管线圈的恒温装备，内有多个碳纳米管线圈。碳纳米管线也采用刻蚀技术刻蚀在绝缘棒上，与绝缘棒一起组成碳纳米管线圈。对碳纳米管线圈进行通电，碳纳米管线圈及天线周围将产生强磁场，磁场强度的大小由线圈内电流强度的大小决定，如图1所示。
将上述磁窗天线用体面积分方程进行分析，体面积分方程是一种常见的分析金属介质混合目标散射及辐射问题的电磁数值计算方法。
实施例：
贴片几何尺寸为5.0cm*3.4cm，其位于厚度为0.08779cm、相对介电常数为2.17、损耗正切为0.0015的介质基板上，该介质基板位于7.5cm*5.1cm*0.087cm的长方体腔内，腔体镶嵌在一个导电平面内。该贴片由一个电流探针激励，探针位于（x=1.22cm,y=0.85cm）处，如图2所示。假设其涂敷一层长宽高尺寸为7.5cm*5.1cm*0.087cm的等离子体，对碳纳米管线圈进行通电，使得等离子体磁化。图3是强静磁场前后S11参数比较，发现包裹等离子体后贴片天线的谐振频率发生了偏移，而无等离子体包裹情形和包裹磁化后等离子体情形下贴片天线的谐振频率基本一致。图4和图5是强静磁场前后，E面和H面方向图的比较，发现包裹等离子体时贴片天线辐射性能大大降低，而强加磁场使得等离子体磁化后，天线的辐射性能与接近于无等离子包裹时天线的辐射性能。可见本发明提出的磁窗天线可以克服临近空间高速飞行器再入过程中的通信黑障问题。

Claims (2)

1.一种克服临近空间等离子壳套通信黑障的磁窗天线，其特征在于：包括介质基板（1）、辐射金属片（2）、金属接地板（3）、金属馈线（4）、充满液氮的恒温装备（5）和碳纳米管线圈（6）；辐射金属片（2）固定在介质基板（1）的上表面，金属接地板（3）印刷在介质基板（1）的下表面，一条金属馈线（4）链接金属辐射片（2）和金属接地板（3），作为天线电波的馈入接口，内有多个碳纳米管线圈（6）的恒温装备（5）位于贴片天线金属接地板（3）的正下面。
2.根据权利要求1所述的克服临近空间等离子壳套通信黑障的磁窗天线，其特征在于：对固定碳纳米管线圈（6）的恒温装备（5）中的碳纳米管线圈进行通电，天线附近产生强磁场，覆盖在天线周围的等离子体会被磁化。
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