再入飞行器天线窗口局部电波传播与天线辐射特性

论文摘要

当再入式飞行器以10~25马赫的速度返回大气层时,会出现5~10分钟的通信中断,即所谓的“黑障”现象。出现这种现象的原因主要有两个,一方面是由于高温致使天线窗口出现烧蚀、气解,材料的介电性能发生变化,降低了材料的透波率;另一方面是由于空气受到飞行器的挤压形成激波,空气中的分子发生电离,在飞行器表面形成一层等离子鞘套,严重阻碍了飞行器与外界的通信。等离子体鞘套、高温天线窗口、天线等多方面互相耦合,造成电磁波的衰减增大、相位延迟增加,以及天线增益降低、阻抗失配、方向图畸变等影响,严重降低了信号的传输质量。为探究再入飞行器天线窗口局部的电磁波传播特性与天线辐射特性,本文开展了以下研究工作:1.探讨了高温环境下天线窗口的介电特性与透波特性。对二氧化硅、氮化硅、C/C复合材料三种透波材料的热电行为规律进行了分析比较,给出了介电性能随温度变化的规律,计算了在温度达到2500K时天线窗口的透波性能。2.研究了电磁波透射等离子鞘套与天线窗口材料的传播特性。由于天线窗口在高温时发生烧蚀、气解,部分材料分子进入空气中发生电离,改变了等离子鞘套的参数,进而影响鞘套的介电特性。分析了电磁波在等离子鞘套与天线窗口中传播的复杂过程,探讨了材料烧蚀对等离子鞘套参数的影响,提出了电磁波传播的计算模型,并对典型再入状态下的电磁波幅频特性和相位延迟特性进行了计算分析。计算结果可以看出,由于电磁波在天线窗口与等离子鞘套的界面上会发生多次反射与透射,呈现出频率谐振效应,同时相位出现频率非线性效应。3.进行了天线窗口局部建模仿真及天线辐射特性计算。研究等离子体与天线窗口对天线辐射特性的影响,对飞行器再入过程中的天线窗口局部进行建模,对典型再入状态下天线辐射特性进行了仿真计算,分析了不同飞行高度下等离子体与天线窗口介电特性变化对天线性能的影响。本文对再入过程中等离子鞘套与天线窗口耦合下电磁波传播特性以及天线辐射特性作了理论研究与仿真分析,电磁波在等离子鞘套与天线窗口之间的界面上发生多次反射,造成严重的能量衰减,同时会使得天线的回波损耗增大、增益降低、方向图恶化。本文的工作对电磁波在复杂环境下的传播问题作了理论探索,对再入飞行器地面模拟实验的开展提供一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号对照表
• 缩略语对照表
• 第一章 绪论
•   1.1 论文的研究背景和意义
•   1.2 国内外相关研究现状
•     1.2.1 等离子体中电磁波的传播
•     1.2.2 天线窗口的热透波问题
•     1.2.3 窗口覆盖下的天线辐射特性
•   1.3 本文主要研究内容及论文章节安排
• 第二章 等离子鞘套下电磁波的传播特性
•   2.1 等离子体的基本理论
•     2.1.1 等离子体的基本概念
•     2.1.2 等离子体的基本参数
•   2.2 等离子体的介电特性
•     2.2.1 等离子体对电磁波的影响机理
•     2.2.2 典型再入飞行器等离子鞘套分布
•     2.2.3 等离子体鞘套介电特性
•   2.3 等效传输线法
•   2.4 典型再入状态等离子体中电磁波传播特性
•     2.4.1 平行极化波斜入射等离子鞘套的透射特性
•     2.4.2 垂直极化波斜入射等离子鞘套的透射特性
•   2.5 本章小结
• 第三章 高温环境下天线窗口的电磁透波特性
•   3.1 热透波材料概述
•   3.2 高温环境下天线窗口的介电特性
•     3.2.1 热透波材料高温下的介电参数计算模型
•     3.2.2 二氧化硅材料热电行为规律
•     3.2.3 氮化硅材料的热电行为规律
•     3.2.4 C/C复合材料的热电行为规律
•   3.3 天线窗口的透波特性
•   3.4 本章小结
• 第四章 电磁波入射等离子体-天线窗口耦合下的传播特性
•   4.1 等离子体与天线窗口的耦合机理
•   4.2 天线窗口局部的介质分析模型
•   4.3 电磁波入射等离子鞘套与天线窗口的透射幅频特性
•     4.3.1 等离子体与二氧化硅材料天线窗口的透射幅频特性
•     4.3.2 等离子体与氮化硅材料天线窗口的透射幅频特性
•     4.3.3 等离子体与C/C复合材料天线窗口的透射幅频特性
•   4.4 电磁波斜入射等离子鞘套与天线窗口的相位延迟特性
•     4.4.1 等离子体与二氧化硅材料天线窗口的相位延迟特性
•     4.4.2 等离子体与氮化硅材料天线窗口的相位延迟特性
•     4.4.3 等离子体与C/C复合材料天线窗口的相位延迟特性
•   4.5 本章小结
• 第五章 典型飞行状态下天线辐射特性
•   5.1 传输线矩阵法
•   5.2 再入飞行器天线窗口局部仿真模型
•   5.3 典型飞行环境下等离子体与天线窗口局部天线辐射特性
•     5.3.1 二氧化硅天线窗口下的天线辐射特性
•     5.3.2 氮化硅天线窗口下天线辐射特性
•     5.3.3 C/C复合材料天线窗口下天线辐射特性
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 本文的研究工作总结
•   6.2 存在的问题与工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 孙朋飞

导师: 刘彦明

关键词: 等离子鞘套,天线窗口,热透波,电磁波传播,天线辐射特性

来源: 西安电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,航空航天科学与工程,航空航天科学与工程,无线电电子学

单位: 西安电子科技大学

分类号: O441.4;V443.4;V419.2

DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.002376

总页数: 95

文件大小: 4373K

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