等离子鞘套下电磁波极化特性及天线辐射特性研究

摘要

伴随着人类对地球外层空间不间断地探索，再入返回式飞行器作为开发空间的重要载体得到了迅速的发展。但是，当再入飞行器以10~25马赫的超高声速进入稠密大气层之中飞行时，飞行器巨大的动能不断地转化为热能，使飞行器驻点区防热材料和空气分子发生电离，形成一层包裹着飞行器的高温等离子体激波流体，对飞行器测控通信电磁信号产生类似金属鞘套的屏蔽效应，严重影响飞行器的信息传输，甚至会造成导航、数传、遥测、遥控和安控等信号传输的中断，使得飞行器与外界失去无线电联系，产生“黑障”现象，极大地危胁了飞行器的飞行安全。
　　“黑障”现象的本质是再入等离子鞘套使得电磁信号的发射和传输发生了阻碍和畸变，对电磁波传播特性和飞行器天线特性产生了巨大的影响。由于飞行轨迹存在一定的攻角以及飞行器的滚转运动，使得飞行器与地面测控站之间，以及飞行器与导航卫星之间建立的通信链路通常会位于飞行器天线的斜视方向上，导致飞行器天线发射和接收的信号通常会以某个角度斜入射穿过等离子鞘套。同时，等离子鞘套具有空间非均匀、频率色散等特性，且再入全程中参数跨度3到4个数量级，导致等离子鞘套下电磁波传播特性和天线特性与常规介质下的特性有较大差距。本文在研究实际再入等离子鞘套基本物理特性的基础上，研究了不同极化电磁波以任意角度入射等离子鞘套的透射幅频特性，研究了等离子鞘套对任意角度入射电磁波的去极化效应，以及与接收天线之间的极化失配损失，对再入全程中不同高度时天线的阻抗、不同方向角的功率辐射以及极化特性进行了全面的研究，最后提出了两种降低反射损耗的等离子体适应性方法。本文的主要创新点及贡献包括：
　　1、提出了不同极化电磁波以任意角度入射等离子鞘套的等效传输线计算方法，揭示了入射角对于不同极化电磁波透射特性的影响规律。基于斯涅耳定理，深入分析了等离子鞘套内非均匀平面折射波的等相位面和等振幅面的传播特性，并对其中的相位计算进行了修正。采用双高斯分布的等离子鞘套模型，计算了不同极化电磁波以不同角度入射等离子鞘套的透射幅频特性曲线，给出了等离子体电子密度、碰撞频率、电磁波频率、入射角与电磁波透射特性之间的关系。
　　2、基于电磁波极化分解与合成理论，提出了等离子鞘套下电磁波的极化特性理论,并建立了电磁波穿过等离子鞘套后与接收天线的极化失配模型。对目前测控导航常用的L、S、C、Ka频段电磁波进行研究，获得以上各频段电磁波以不同角度穿过等离子鞘套后的极化特性，以及与接收天线之间的极化失配损失，给出了等离子体参数和入射角度对电磁波极化特性和极化失配损失的影响规律，发现了电磁波从右旋变化为左旋的极化反转现象。计算结果表明：当电磁波入射角越大、碰撞频率越小、峰值电子密度对应的特征频率与电磁波频率越接近时，电磁波去极化效应越严重，电磁波接收极化失配损失越严重。
　　3、建立了能够模拟再入等离子鞘套非均匀分布特性的等离子体分层模型，提出了具有频率色散和高损耗特性的等离子鞘套覆盖下天线特性计算方法，对典型再入全程中等离子鞘套覆盖下GPS导航、S波段、C波段以及Ka波段测控天线的阻抗特性、工作频点偏移、空域辐射功率特性和极化特性进行了计算。计算结果表明：再入全程中天线与馈电系统之间出现明显的失配现象，天线阻抗在S mit h圆图上逆时针方向旋转，经历了在电容性和电感性电抗之间大幅度的变化过程，同时天线谐振频点偏移问题也经历了先向低频方向偏移，后向高频方向偏移的变化过程。再入全程中天线极化特性出现明显的恶化，在某些高度时天线极化特性甚至出现了从右旋向左旋的变化。天线增益方向图在前向方向角出现明显畸变，天线的辐射性能急剧下降，根据各频段测控天线功率辐射方向图的衰减结果，预测了各测控导航频段进出黑障的高度，与NASA报告中给出的实测数据相吻合。
　　4、基于阻抗匹配的理论，提出了两种降低反射损耗的等离子体适应性方法。针对天线阻抗失配问题，提出了一种不会干扰接收机的“双邻频点”天线阻抗测量方法，在此基础上研究了等离子体下天线“双邻频点”阻抗自适应补偿方法。针对等离子体对电磁波的反射损耗问题，提出了一种利用电磁超材料降低电磁波反射损耗的匹配方法。经过仿真验证这两种方法具有一定的可行性，同时这两种等离子体适应性方法方法可以结合使用，既增大馈电系统输出给天线的功率，又降低了有等离子鞘套反射回来的信号，同时有利于保护飞行器天线和发射机。
　　综上所述，本文的研究成果能够更加细致的分析再入电磁问题，可为再入电磁系统的设计提供一些参考数据，并且对于深入研究等离子鞘套对飞行器测控通信系统的影响机理，探索减缓“黑障”问题具有重要意义。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外相关研究进展概况

1.3论文内容安排

第二章 等离子体中电磁波传播理论基础

2.1引言

2.2再入等离子鞘套研究基础

2.3再入等离子体中电磁波传播理论

2.4小结

第三章 不同极化电磁波斜入射等离子鞘套的传播特性

3.1引言

3.2线极化波以不同角度入射非均匀等离子鞘套的传播特性

3.3圆极化波以不同角度入射等离子鞘套的传播特性

3.4典型再入全程中不同极化电磁波的透射特性

3.5讨论与小结

第四章 等离子鞘套下电磁波极化特性及极化失配损耗研究

4.1引言

4.2再入等离子鞘套下电磁波的极化特性

4.3再入等离子体下电磁波接收的极化失配损耗

4.4讨论与小结

第五章 再入等离子鞘套覆盖下不同频段天线特性研究

5.1引言

5.2再入等离子鞘套覆盖下天线的计算方法

5.3典型再入全程中不同频段天线特性研究

5.4讨论与小结

第六章 基于阻抗匹配的等离子体反射损耗降低方法

6.1引言

6.2基于双邻频点的天线阻抗自适应补偿技术

6.3基于波阻抗匹配降低等离子鞘套电波反射损耗的研究

6.4讨论与小结

第七章 结论和展望

7.1研究结论

7.2存在的问题与研究展望

参考文献

致谢

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