CN116544655A - 一种天线的热防护系统及其近场匹配设计方法 - Google Patents

一种天线的热防护系统及其近场匹配设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于航空航天技术领域，具体公开了一种天线的热防护系统及其近场匹配设计方法，天线包括基板及固定在基板上的辐射体，其特征在于，热防护系统包括：热防护片体，与天线相对且间隔设置，并将天线与外部热源相隔；槽体，开设在热防护片体上，辐射体向外部发生有天线近场，槽体的内壁与天线近场的边缘相适配，以降低热防护片体对天线的谐振频率的偏移；具有如下优点：通过减小热防护系统中间区域厚度或在热防护系统上刻蚀一定形状的槽，可以实现系统整体电性能和热防护性能的良好平衡。与传统平板热防护系统相比，在相同电性能时，可以提供更好的热防护性能，在相同热防护性能时，可以提供更好的电性能。

Description

一种天线的热防护系统及其近场匹配设计方法
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，具体而言，涉及一种天线的热防护系统及其近场匹配设计方法。
背景技术
考虑到气动因素，航天飞行器上的天线通常平装或内埋于飞行器表面，同时，为了保证天线可以承受再入过程中的高温环境，航天飞行器表面覆盖着一层厚的、有耗的热防护系统，在这种情况下，热防护系统应在保证内部设备温度的前提下，尽可能保持天线原有性能。
天线是航天飞行器的重要组成部分。大量研究表明，在天线附近放置一个厚的、有损耗的热防护系统会对天线的性能产生负面影响，例如改变谐振频率、恶化阻抗匹配、降低辐射效率、增加交叉极化水平等。
现有设计方法需要进行大量的仿真与测试，并对安装的天线进行相应的修改，以减少热防护系统的不利影响，为了使结果更可靠，在一些测试中需要使用极其昂贵的全尺寸机身。从理论上来看，该迭代设计过程仍然是一种工程方法，极少考虑天线与热防护系统间的相互作用机理。
为此提出一种天线的热防护系统及其近场匹配设计方法，以解决上述提出的问题。
发明内容
本发明旨在提供一种天线的热防护系统及其近场匹配设计方法，以解决或改善上述技术问题中的至少之一。
有鉴于此，本发明的第一方面在于提供一种天线的热防护系统。
本发明的第二方面在于提供一种近场匹配设计方法。
本发明的第一方面提供了一种天线的热防护系统，所述天线包括基板及固定在所述基板上的辐射体，所述热防护系统包括：热防护片体，与天线相对且间隔设置，并将所述天线与外部热源相隔；槽体，开设在所述热防护片体上，所述辐射体向外部发生有天线近场，所述槽体的内壁与所述天线近场的边缘相适配，以降低所述热防护片体对天线近场的扰动；其中，所述热防护片体除槽体以外的部位与天线近场不相交。
进一步地，所述槽体的内壁与天线近场的边缘重合。
进一步地，所述热防护片体为包含至少一层基层的片层结构；其中，所述基层由泡沫材料或陶瓷材料制成，且基层的介电常数为1.2-9。
进一步地，所述槽体具有一个曲面中心，所述曲面中心位于热防护片体的外部。
进一步地，所述天线为线极化天线，且所述天线近场为柱形结构；所述槽体在热防护片体上的开设腔体位于开设面的中部。
进一步地，所述天线为圆极化天线，且所述天线近场为球结构；以及所述槽体在热防护片体上的开设腔体具有一个曲面中心，所述曲面中心在开设面的垂直投影与开设面的中心重合。
本发明的第二方面提供了一种近场匹配设计方法，包括如下步骤：S1，基于所述天线与外部热源的位置关系，将热防护系统的热防护片体放置在天线与外部热源之间，并与天线间隔一定距离；S2，划定热防护片体的开设面，并将开设面与辐射体所在天线的端面平行设置；S3，获取天线的辐射体发射的天线近场的空间结构；S4，将热防护片体与天线近场的相交部位去除，以在开设面形成槽体。
进一步地，所述天线为线极化天线，且所述天线近场为柱形结构；以及所述槽体在热防护片体上的开设腔体采用下述规则：以所述柱形结构与热防护片体的相交部位去除，以形成槽体的开设腔体。
进一步地，所述天线为圆极化天线，且所述天线近场为球结构；以及所述槽体在热防护片体上的开设腔体采用下述规则：以所述球结构与热防护片体的相交部位去除，以形成槽体的开设腔体。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果：
通过减小热防护系统中间区域厚度或在热防护系统上刻蚀一定形状的槽，可以实现系统整体电性能和热防护性能的良好平衡。与传统平板热防护系统相比，在相同电性能时，可以提供更好的热防护性能，在相同热防护性能时，可以提供更好的电性能。
根据本发明的实施例的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过根据本发明的实施例的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明的热防护系统近场匹配方法示意图；
图2为本发明的天线及热防护系统放置关系示意图；
图3为本发明的实施例1的含热防护系统的线极化参考天线示意图；
图4为本发明的实施例1中热防护系统对线极化天线阻抗匹配的影响；
图5为本发明的实施例1中热防护系统对线极化天线远场性能的影响；
图6为本发明的实施例1的改进后的热防护系统示意图；
图7为本发明的实施例1的使用改进后热防护系统的天线性能；
图8为本发明的实施例2的含热防护系统的圆极化参考天线示意图；
图9为本发明的实施例2的加常规平板热防护系统前后的天线反射系数；
图10为本发明的本发明实施例2的加常规平板热防护系统前后的天线轴比；
图11为本发明的实施例2的改进后的热防护系统示意图；
图12为本发明的实施例2的改进后的热防护系统和贴片天线的性能；
图13为本发明的实施例2的改进前后的热防护系统的电性能对比；
图14为本发明的实施例2的改进前后的热防护系统的热防护性能对比。
具体实施方式
为了可以更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
请参阅图1-14，下面描述本发明一些实施例的一种天线的热防护系统及其近场匹配设计方法。
本发明第一方面的实施例提出了一种天线的热防护系统。在本发明的一些实施例中，如图2所示，提供了一种天线的热防护系统，该一种天线的热防护系统包括：
所述天线包括基板及固定在所述基板上的辐射体，所述热防护系统包括：
热防护片体，与天线相对且间隔设置，并将所述天线与外部热源相隔；
槽体，开设在所述热防护片体上，所述辐射体向外部发生有天线近场，所述槽体的内壁与所述天线近场的边缘相适配，以降低所述热防护片体对天线近场的扰动；
其中，所述热防护片体除槽体以外的部位与天线近场不相交。
本发明提供的一种天线的热防护系统，考虑天线近场的匹配作用，以解决在天线附近放置热防护系统的影响，根据天线近场分布，磁场分布在天线中间位置，因此，减小热防护系统中间部分厚度或在热防护系统中间部分开槽可有效减小热防护系统对天线电性能的影响。
上述任一实施例中，热防护片体为包含至少一层基层的片层结构；其中，基层由泡沫材料或陶瓷材料制成，且基层的介电常数为1.2-9。
上述任一实施例中，槽体具有一个中心，中心位于热防护片体的外部。
在该实施例中，为了保证热防护系统的基本性能，热防护系统需要保证一个最小厚度，在实施例中，这个厚度被设置为5mm，所以槽体的中心必须位于热防护系统的外部。
上述任一实施例中，天线为线极化天线，且天线近场为柱形结构；以及槽体在热防护片体上的开设腔体轴向位于开设面的中部。
上述任一实施例中，天线为圆极化天线，且天线近场为球结构；以及槽体在热防护片体上的开设腔体具有一个中心，中心沿开设面的法线投影与开设面的中心重合。
本发明第二方面的实施例提出了一种近场匹配设计方法。在本发明的一些实施例中，如图2所示，提供了一种近场匹配设计方法，该一种近场匹配设计方法包括如下步骤：
S1，基于天线与外部热源的位置关系，将热防护系统的热防护片体放置在天线与外部热源之间，并与天线间隔一定距离；
S2，划定热防护片体的开设面，并将开设面与辐射体所在天线的端面平行设置；
S3，获取天线的辐射体发射的天线近场的空间结构；
S4，将热防护片体与天线近场的相交部位去除，以在开设面形成槽体。
本发明提供的一种近场匹配设计方法，通过减小热防护系统中间区域厚度或在热防护系统上刻蚀一定形状的槽，可以实现系统整体电性能和热防护性能的良好平衡。与传统平板热防护系统相比，在相同电性能时，可以提供更好的热防护性能，在相同热防护性能时，可以提供更好的电性能。
进一步地，所述一定距离为考虑飞行器气动性能，这个距离为小于1/2波长；
上述任一实施例中，天线为线极化天线，且天线近场为柱形结构；以及槽体在热防护片体上的开设腔体采用下述规则：以柱形结构的轴截面为开槽面，并沿柱形结构的轴线方向延伸，将与热防护片体相交部位去除，以形成槽体的开设腔体；其中，开设腔体轴向位于开设面的中部。
上述任一实施例中，天线为圆极化天线，且天线近场为球结构；以及槽体在热防护片体上的开设腔体采用下述规则：以球结构包含球心的截面为开槽面，并沿开设面包含球心的法线为轴线旋转，将与热防护片体相交部位去除，以形成槽体的开设腔体；其中，热防护片体的中心位于法线上。
本发明第一方面的另一实施例提出了一种天线的热防护系统。在本发明的一些实施例中，如图3-7所示，提供了一种天线的热防护系统，该一种天线的热防护系统考虑参考天线为线极化天线的情况：
参考天线为线极化微带天线，如图3所示，在本实施例中，该线极化微带天线各个相关参数的尺寸示例性设置如下：
Lg＝80mm,Wg＝60mm,Lp＝39mm,Wp＝26mm,Ls＝80mm,Ws＝60mm,
Ts＝10mm,t＝12mm。
使用热防护系统会影响参考天线的反射系数、方向性和增益，热防护系统的介电常数为4.5，损耗角正切为0.05。结果表明，热防护系统的使用显著降低了线极化贴片天线的阻抗匹配性能，谐振频率向低频移动30MHz，反射系数幅值由-20dB恶化到-9dB，如图4所示。此外，由于热防护系统有损耗，天线增益比其方向性小约0.45dB，天线的辐射效率降低为原先的90％，如图5所示。
线极化热防护系统的形状可以通过减去一个圆柱体来改进，如图6所示，D1＝120mm，D2＝120mm。圆柱体的方向与线极化贴片天线的极化方向平行，以拟合辐射方向图的波束形状。改进的热防护系统得到了类似无热防护系统的近场磁场分布，可以显著降低电磁波散射。该技术有利于热防护系统的优化，称为近场匹配技术。
使用改进后的热防护系统，结果如图7所示。可以看到，使用改进的热防护系统后的线极化贴片天线的反射系数与图4的结果相比有了很大的提高，即谐振频率的偏移有所缓解，谐振深度在-10dB以下。此外，改进设计的天线增益也提高了约0.5dBi。在这两个指标的基础上，改进热防护系统后的线极化贴片天线的整体性能可以与不使用热防护系统的微带贴片天线媲美。换句话说，基于近场匹配方法对热防护系统结构进行修改是解决热防护系统负面影响的有效途径。
本发明第一方面的另一实施例提出了一种天线的热防护系统。在本发明的一些实施例中，如图8-14所示，提供了一种天线的热防护系统，该一种天线的热防护系统考虑参考天线为圆极化天线的情况：
参考天线为圆极化微带天线，如图8所示，该圆极化天线即为通过切角和馈电偏移构成的微带圆极化天线的基础形式。
在本实施例中，该圆极化微带天线各个相关参数的尺寸示例性设置如下：
Lg＝90mm,Wg＝90mm,Lp＝38.4mm,Wp＝38.4mm,Ls＝90mm,
Ws＝90mm,Ts＝10mm,t＝12mm，Wc＝90mm,h＝3mm。
如图9、图10所示，单独的圆极化贴片天线在阻抗匹配和轴比方面的性能良好。在圆极化贴片天线上方加入了常规平板热防护系统热防护系统的介电常数为4.5，损耗角正切为0.05，在图9、图10中可以观察到其影响。热防护系统的引入使反射系数和轴比恶化。常规平板热防护系统的圆极化贴片天线轴比很差，实际应用中需要加以解决。
为了缓解热防护系统的影响，提出了一种不同的热防护系统形状来匹配近场分布，如图11所示。热防护系统的修改是将原先的平板热防护系统减去一个大球体，D＝180mm，得到的结构是旋转对称的，适合圆极化贴片天线。同时，热防护系统仍然能够有效的提供隔热保护。热防护系统的改进对提高天线性能有明显的效果，如图12所示，圆极化贴片天线的阻抗匹配性能有所改善，轴比也降低了约2dB。
通过对常规热防护系统的电性能和热保护性能的比较，验证了该设计的优越性。该热防护系统的电性能与厚度为6.6mm的常规热防护系统相似，如图13所示，但可以提供类似于厚度为8mm的热防护系统的热保护，如图14所示。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种天线的热防护系统，所述天线包括基板及固定在所述基板上的辐射体，其特征在于，所述热防护系统包括：
热防护片体，与天线相对且间隔设置，并将所述天线与外部热源相隔；
槽体，开设在所述热防护片体上，所述辐射体向外部发生有天线近场，所述槽体的内壁与所述天线近场的边缘相适配，以降低所述热防护片体对天线近场的扰动；
其中，所述热防护片体除槽体以外的部位与天线近场不相交。
2.根据权利要求1所述的一种天线的热防护系统，其特征在于，所述槽体的内壁与天线近场的边缘重合。
3.根据权利要求1所述的一种天线的热防护系统，其特征在于，所述热防护片体为包含至少一层基层的片层结构；
其中，所述基层由泡沫材料或陶瓷材料制成，且基层的介电常数为1.2-9。
4.根据权利要求1所述的一种天线的热防护系统，其特征在于，所述槽体具有一个曲面中心，所述曲面中心位于热防护片体的外部。
5.根据权利要求1所述的一种天线的热防护系统，其特征在于，所述天线为线极化天线，且所述天线近场为柱形结构；
所述槽体在热防护片体上的开设腔体位于开设面的中部。
6.根据权利要求1所述的一种天线的热防护系统，其特征在于，所述天线为圆极化天线，且所述天线近场为球结构；以及
所述槽体在热防护片体上的开设腔体具有一个曲面中心，所述曲面中心在开设面的垂直投影与开设面的中心重合。
7.用于设计如权利要求1-6所述的一种天线的热防护系统的近场匹配设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，基于所述天线与外部热源的位置关系，将热防护系统的热防护片体放置在天线与外部热源之间，并与天线间隔一定距离；
S2，划定热防护片体的开设面，并将开设面与辐射体所在天线的端面平行设置；
S3，获取天线的辐射体发射的天线近场的空间结构；
S4，将热防护片体与天线近场的相交部位去除，以在开设面形成槽体。
8.根据权利要求7所述的近场匹配设计方法，其特征在于，所述天线为线极化天线，且所述天线近场为柱形结构；以及
所述槽体在热防护片体上的开设腔体采用下述规则：
以所述柱形结构与热防护片体的相交部位去除，以形成槽体的开设腔体。
9.根据权利要求7所述的近场匹配设计方法，其特征在于，所述天线为圆极化天线，且所述天线近场为球结构；以及
所述槽体在热防护片体上的开设腔体采用下述规则：
以所述球结构与热防护片体的相交部位去除，以形成槽体的开设腔体。
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