本文關(guān)鍵詞：等離子鞘套下電磁波極化特性及天線輻射特性研究

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【摘要】：伴隨著人類對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,飛行器巨大的動能不斷地轉(zhuǎn)化為熱能,使飛行器駐點區(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,對飛行器測控通信電磁信號產(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、遙控和安控等信號傳輸?shù)闹袛?使得飛行器與外界失去無線電聯(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的發(fā)射和傳輸發(fā)生了阻礙和畸變,對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)運動,使得飛行器與地面測控站之間,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)射和接收的信號通常會以某個角度斜入射穿過等離子鞘套。同時,等離子鞘套具有空間非均勻、頻率色散等特性,且再入全程中參數(shù)跨度3到4個數(shù)量級,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,對再入全程中不同高度時天線的阻抗、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適應(yīng)性方法。本文的主要創(chuàng)新點及貢獻(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算方法,揭示了入射角對于不同極化電磁波透射特性的影響規(guī)律。基于斯涅耳定理,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,并對其中的相位計算進(jìn)行了修正。采用雙高斯分布的等離子鞘套模型,計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等離子鞘套后與接收天線的極化失配模型。對目前測控導(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。計算結(jié)果表明:當(dāng)電磁波入射角越大、碰撞頻率越小、峰值電子密度對應(yīng)的特征頻率與電磁波頻率越接近時,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算方法,對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波段測控天線的阻抗特性、工作頻點偏移、空域輻射功率特性和極化特性進(jìn)行了計算。計算結(jié)果表明:再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Smith圓圖上逆時針方向旋轉(zhuǎn),經(jīng)歷了在電容性和電感性電抗之間大幅度的變化過程,同時天線諧振頻點偏移問題也經(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)各頻段測控天線功率輻射方向圖的衰減結(jié)果,預(yù)測了各測控導(dǎo)航頻段進(jìn)出黑障的高度,與NASA報告中給出的實測數(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。針對天線阻抗失配問題,提出了一種不會干擾接收機的“雙鄰頻點”天線阻抗測量方法,在此基礎(chǔ)上研究了等離子體下天線“雙鄰頻點”阻抗自適應(yīng)補償方法。針對等離子體對電磁波的反射損耗問題,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)過仿真驗證這兩種方法具有一定的可行性,同時這兩種等離子體適應(yīng)性方法方法可以結(jié)合使用,既增大饋電系統(tǒng)輸出給天線的功率,又降低了有等離子鞘套反射回來的信號,同時有利于保護(hù)飛行器天線和發(fā)射機。綜上所述,本文的研究成果能夠更加細(xì)致的分析再入電磁問題,可為再入電磁系統(tǒng)的設(shè)計提供一些參考數(shù)據(jù),并且對于深入研究等離子鞘套對飛行器測控通信系統(tǒng)的影響機理,探索減緩“黑障”問題具有重要意義。
【關(guān)鍵詞】：等離子鞘套 電磁波傳播 極化特性 天線特性
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V443.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 符號對照表14-16
• 縮略語對照表16-20
• 第一章 緒論20-30
• 1.1 研究背景20-23
• 1.2 國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展概況23-27
• 1.2.1 等離子體中電磁波傳播特性23-25
• 1.2.2 等離子體下電磁波極化特性25-26
• 1.2.3 等離子體下天線特性及補償研究26-27
• 1.3 論文內(nèi)容安排27-30
• 第二章 等離子體中電磁波傳播理論基礎(chǔ)30-44
• 2.1 引言30
• 2.2 再入等離子鞘套研究基礎(chǔ)30-37
• 2.2.1 再入等離子鞘套的基本概念30-31
• 2.2.2 再入等離子鞘套的基本參數(shù)31-33
• 2.2.3 再入等離子鞘套的分布特性33-37
• 2.3 再入等離子體中電磁波傳播理論37-42
• 2.3.1 等離子體物理模型37-38
• 2.3.2 等離子體介質(zhì)特性38-39
• 2.3.3 均勻等離子體中電磁波傳播特性39-41
• 2.3.4 非均勻等離子鞘套中電波傳播的計算方法41-42
• 2.4 小結(jié)42-44
• 第三章 不同極化電磁波斜入射等離子鞘套的傳播特性44-68
• 3.1 引言44
• 3.2 線極化波以不同角度入射非均勻等離子鞘套的傳播特性44-57
• 3.2.1 等離子鞘套內(nèi)折射波的傳播特性44-46
• 3.2.2 線極化波斜入射等離子鞘套的等效傳輸線計算方法46-48
• 3.2.3 算法驗證48-51
• 3.2.4 平行極化波以不同角度入射再入等離子體的透射特性51-54
• 3.2.5 垂直極化波以不同角度入射再入等離子體的透射特性54-57
• 3.3 圓極化波以不同角度入射等離子鞘套的傳播特性57-63
• 3.3.1 右旋圓極化波斜入射等離子鞘套的計算方法57-59
• 3.3.2 左旋圓極化波斜入射等離子鞘套的計算方法59-60
• 3.3.3 圓極化波以不同角度入射再入等離子體的透射特性計算60-63
• 3.4 典型再入全程中不同極化電磁波的透射特性63-65
• 3.4.1 典型再入全程中線極化波的透射特性63-64
• 3.4.2 典型再入全程中圓極化波的透射特性64-65
• 3.5 討論與小結(jié)65-68
• 第四章 等離子鞘套下電磁波極化理論及極化失配損耗研究68-88
• 4.1 引言68
• 4.2 再入等離子鞘套下電磁波的極化理論68-81
• 4.2.1 再入等離子鞘套下線極化波的極化特性69-70
• 4.2.2 再入等離子鞘套下圓極化波的極化特性70-72
• 4.2.3 再入等離子鞘套下不同頻段電磁波極化特性的計算72-81
• 4.3 再入等離子體下電磁波接收的極化失配損耗81-87
• 4.3.1 等離子體下電磁波接收的極化失配模型81-83
• 4.3.2 等離子體下電磁波與接收天線的極化失配損失計算83-87
• 4.4 討論與小結(jié)87-88
• 第五章 再入等離子鞘套覆蓋下不同頻段天線特性研究88-106
• 5.1 引言88
• 5.2 再入等離子鞘套覆蓋下天線的計算方法88-92
• 5.2.1 基于有限積分算法的天線分析方法88-90
• 5.2.2 非均勻等離子鞘套分層結(jié)構(gòu)模型90-92
• 5.2.3 等離子鞘套覆蓋下天線特性計算模型92
• 5.3 典型再入全程中不同頻段天線特性研究92-104
• 5.3.1 阻抗特性與工作頻點偏移92-99
• 5.3.2 空域輻射功率特性99-102
• 5.3.3 空域輻射極化特性102-104
• 5.4 討論與小結(jié)104-106
• 第六章 基于阻抗匹配的等離子體反射損耗降低方法106-120
• 6.1 引言106
• 6.2 基于雙鄰頻點的天線阻抗自適應(yīng)補償技術(shù)106-112
• 6.2.1 等離子體下導(dǎo)航天線雙鄰頻點自適應(yīng)補償方法106-107
• 6.2.2 等離子體下導(dǎo)航天線雙鄰頻點阻抗測量方法107-108
• 6.2.3 等離子體下導(dǎo)航天線雙鄰頻點阻抗測量方法仿真驗證108-110
• 6.2.4 等離子體下導(dǎo)航天線雙鄰頻點補償方法仿真驗證110-112
• 6.3 基于波阻抗匹配降低等離子鞘套電波反射損耗的研究112-118
• 6.3.1 基于電磁超材料的波阻抗匹配原理112-114
• 6.3.2 多層電磁超材料特性的構(gòu)造114-115
• 6.3.3 多層電磁超材料參數(shù)優(yōu)化選取115-116
• 6.3.4 多層電磁超材料特性的增透特性仿真116-118
• 6.4 討論與小結(jié)118-120
• 第七章 結(jié)論和展望120-122
• 7.1 研究結(jié)論120-121
• 7.2 存在的問題與研究展望121-122
• 參考文獻(xiàn)122-130
• 致謝130-132
• 作者簡介132-134

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