楊小勇 牛小龍

(北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

1 引言

在衛(wèi)星天線分系統(tǒng)研制過程中,多采用全尺寸輻射模型星(RM 星)[1]測試的方式對初樣電性設(shè)計結(jié)果進(jìn)行試驗驗證。該項測試在天線分系統(tǒng)的研制過程中起到了非常重要的作用。但是,由于RM 測試具有試驗周期長、試驗成本高、獲取數(shù)據(jù)量有限等缺點,隨著型號研制任務(wù)的增多,已不允許對每顆衛(wèi)星天線分系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行RM 測試。在這樣的條件下,各種電磁場仿真軟件應(yīng)運而生。環(huán)境減災(zāi)-1A、1B[2]采用了CST-MWS 軟件[3]。CST-MWS 軟件是目前唯一一種采用全波分析方法進(jìn)行電大尺寸問題分析的仿真軟件,它采用時域有限積分法[4],能對100個波長以內(nèi)的電磁場問題進(jìn)行全波分析求解。通過CST-M WS 軟件分析是否能夠取代部分RM 測試的工作,起到設(shè)計驗證的作用,同時節(jié)約研制成本,縮短研制周期,是亟待回答的問題。本文通過將分析結(jié)果與測試結(jié)果進(jìn)行對比的方式回答以上問題。

2 論證過程設(shè)計

2.1 流程設(shè)計

論證過程分兩大部分:

1)軟件仿真分析,包括單元天線仿真和星體仿真;

2)對仿真模型進(jìn)行驗證測試,包括單元天線方向圖測試和星體方向圖測試。其中星體方向圖的仿真與測試包括增益方向圖和軸比方向圖。

2.2 模型的選擇

驗證模型選擇了某衛(wèi)星全向天線,該天線為S頻段背射雙線螺旋天線[5]。單元天線及星體仿真模型如圖1～3 所示。

圖1 天線仿真模型Fig.1 Antenna simulation model

圖2 衛(wèi)星仿真模型Fig.2 Simulation model of satellite

該衛(wèi)星采用的是我國東方紅三號衛(wèi)星平臺,衛(wèi)星突出于星體的設(shè)備很多,全向天線的電磁邊界復(fù)雜。

為確保驗證的有效性,以上模型均完全按照真實設(shè)計結(jié)果進(jìn)行建模。由于天線為半球覆蓋波束,星體安裝面的另一面對天線輻射特性的影響可以忽略,所以在最終計算模型中將另一半星體截掉,不影響分析結(jié)果。衛(wèi)星仿真模型圖中-Y 方向為Φ=0°, +Z 方向為Φ=90°。

星體測試模型直接選用了該衛(wèi)星的完整結(jié)構(gòu)進(jìn)行,星體表面設(shè)備完整。

2.3 測試驗證設(shè)計

單元天線的測試在半開口暗室進(jìn)行,測試采用圓極化天線照明[6],直接得到天線單元的圓極化方向圖。

星體方向圖的測試選擇在緊縮場進(jìn)行[7],該測試場經(jīng)過各方驗收,專門用于衛(wèi)星條件下天線系統(tǒng)性能的測試工作。測試通過對兩個正交線極化分量測試結(jié)果進(jìn)行線-圓變換,得到需要的覆蓋增益特性及軸比特性。

3 單元天線增益仿真與測試對比

確保單元天線的仿真分析精度是星體仿真分析的前提和基礎(chǔ)。單元天線增益測試結(jié)果與仿真結(jié)果比較如圖4 所示,由圖可知其一致性很好,滿足星體仿真條件。

圖4 單元仿真與測試(圓極化)(f=2 220M Hz)Fig.4 Test result and analysis result for unit(f=2 220MHz)

4 星體條件下增益仿真與測試對比

圖5～12 分別為每間隔22.5°不同子午面的增益方向圖測試與分析結(jié)果,其中左側(cè)為測試結(jié)果,右 側(cè)為仿真分析結(jié)果。

圖5 φ=0°面測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比Fig.5 Test result and analysis result of gain for φ=0°plane

圖7 φ=45°面測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比Fig.7 Test result and analysis result of gain for φ=45°plane

圖8 φ=67.5°面測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比Fig.8 Test result and analysis result of gain for φ=67.5°plane

圖9 φ=90°面測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比Fig.9 Test result and analysis result of gain for φ=90°plane

圖10 φ=112.5°面測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比Fig.10 Test result and analysis result of gain for φ=112.5°plane

圖11 φ=135°面測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比Fig.11 Test result and analysis result of φ=135°plane

圖12 φ=157.5°面測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比Fig.12 Test result and analysis result of gain for φ=157.5°plane

由測試與分析的比較結(jié)果可以看出,軟件分析結(jié)果準(zhǔn)確地反映出了天線位于星體上的增益覆蓋特性。仿真分析精度滿足天線設(shè)計驗證工程應(yīng)用要求。

5 星體條件下軸比特性仿真與測試對比

圖13～20 分別為每間隔22.5°不同子午面的主瓣方向軸比方向圖測試與分析結(jié)果,圖中虛線為仿真分析結(jié)果,實線為測試結(jié)果。

由測試與分析的比較結(jié)果可以看出,軟件分析結(jié)果準(zhǔn)確地反映出了天線位于星體上的軸比特性。仿真分析精度滿足天線設(shè)計驗證工程應(yīng)用要求。

6 結(jié)論

圖13 φ=90°面軸比特性仿真與測試比較Fig.13 Test result and analysis result of AR for φ=90°plane

本文對比了某衛(wèi)星全向天線的CST-MWS 軟件分析結(jié)果和RM 測試結(jié)果,通過比較可知,在仿真模型精度能夠得到保證的前提下,CS T 軟件RM仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性滿足RM 星設(shè)計驗證要求。環(huán)境減災(zāi)-1A、1B 衛(wèi)星天線分系統(tǒng)完成的RM 星仿真分析結(jié)果是正確的,用CS T 軟件仿真分析替代部分RM 測試工作也是可行的。將CS T-M WS 軟件工具廣泛應(yīng)用于寬波束天線的星體覆蓋特性的仿真分析,對于提高航天器天線研制水平,節(jié)約研制成本,進(jìn)一步縮短研制周期,具有重要意義。

圖14 φ=112.5°面軸比特性仿真與測試比較Fig.14 Test result and analysis result of AR for φ=112.5°plane

圖15 φ=135°面軸比特性仿真與測試比較Fig.15 Test result and analysis result of A R for φ=135°plane

圖16 φ=157.5°面軸比特性仿真與測試比較Fig.16 Test result and analysis result of AR for φ=157.5°plane

圖17 φ=180°面軸比特性仿真與測試比較Fig.17 Test result and analysis result of AR for φ=180°plane

圖18 φ=202.5°面軸比特性仿真與測試比較Fig.18 Test result and analysis result of A R for φ=202.5°plane

圖19 φ=225°面軸比特性仿真與測試比較Fig.19 Test result and analysis result of AR for φ=225°plane

圖20 φ=247.5°面軸比特性仿真與測試比較Fig.20 Test result and analysis result of AR for φ=247.5°plane

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[1]譚維熾, 胡金剛.航天器系統(tǒng)工程[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社, 2009

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