李 鵬，周革強(qiáng)*，劉 熒，柴舜連，軒 永

(1. 中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心， 北京100094； 2. 國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院， 長(zhǎng)沙410073)

1 引言

艙外航天服天線是構(gòu)成無線通信系統(tǒng)的重要部件，將高頻信號(hào)電流轉(zhuǎn)換成自由空間中傳播的電磁波，同時(shí)也可以將自由空間傳播的電磁波轉(zhuǎn)換成高頻信號(hào)電流，實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)在自由空間的傳輸。

俄羅斯海鷹系列艙外航天服天線位于外側(cè)保護(hù)層之內(nèi)、隔熱層之外，采用編織成網(wǎng)狀柵格的導(dǎo)電纖維制作而成，導(dǎo)電織物覆蓋整個(gè)航天服，整個(gè)艙外航天服作為天線來使用，構(gòu)成所謂的形體天線，即“全身天線”。 優(yōu)點(diǎn)是與服裝整體共形，無凸出點(diǎn)，天線全向覆蓋性較好；缺點(diǎn)是全身天線生產(chǎn)研制困難較大，工藝較為復(fù)雜，需與整服相匹配[1]。

NASA 的EMU(Extravehicular Activity Unit)航天服在阿波羅登月服的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)化和優(yōu)化，其天線是硬質(zhì)材料天線，為獨(dú)立模塊，便于裝配，能夠縮短天線與通信機(jī)之間的連接電纜，減少電纜損耗。 為保證通信性能，天線安裝在背包頂部，便于覆蓋大部分空域，特別是上半空域，屬于單天線方案，空間覆蓋范圍有一定限制[2]。

NASA 近年來開展了月球和火星壓力服新技術(shù)研究，例如Mark III 和I-Suit 航天服。 該類服裝的天線安裝于背包頂部，由多天線構(gòu)成，采用外置式結(jié)構(gòu)，且增加了定位功能。 該天線方式與月球或火星表面開闊區(qū)域任務(wù)相匹配，但不適合在軌出艙活動(dòng)，可能造成行走障礙[3]。 最新推出的Z系列艙外航天服表面無外露天線，可以推測(cè)其采用了嵌入式天線，與服裝共形。 由此可見，天線嵌入服裝內(nèi)部，與服裝一體化設(shè)計(jì)是未來發(fā)展的趨勢(shì)。

神七任務(wù)中飛天艙外航天服采用嵌入式織物形式天線，實(shí)現(xiàn)了艙內(nèi)外短距離、小范圍無線通信。 待空間站建成后，航天員將執(zhí)行越來越多的艙外行走任務(wù)，出艙時(shí)間更長(zhǎng)、距離更遠(yuǎn)，面臨的通信環(huán)境更為惡劣和復(fù)雜，對(duì)艙外航天服天線覆蓋性和增益等指標(biāo)提出了更高的要求，因此亟需開展適合中國(guó)空間站任務(wù)的艙外航天服天線設(shè)計(jì)與研究，滿足空間站任務(wù)出艙活動(dòng)需求。

本文分析未來艙外航天服天線的需求，提出艙外航天服天線設(shè)計(jì)方案，并依據(jù)該方案進(jìn)行多個(gè)安裝位置的仿真驗(yàn)證，從通信覆蓋性指標(biāo)、全向性等角度進(jìn)行分析。

2 技術(shù)特點(diǎn)分析及整體方案

2.1 技術(shù)特點(diǎn)

與地面天線相比，由于使用環(huán)境的差異，艙外航天服天線具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

1)電磁波傳輸方式差異。 電磁波在地面?zhèn)鬏敃r(shí)，會(huì)遇到各種遮擋物，出現(xiàn)反射、折射、繞射等現(xiàn)象；在真空中(自由空間)傳播時(shí)以直射為主，也會(huì)出現(xiàn)傳播路徑被遮擋的情況(比如飛船、空間站艙體某些部位)，會(huì)產(chǎn)生反射、繞射現(xiàn)象，可以利用繞射現(xiàn)象擴(kuò)大電磁波覆蓋范圍，滿足艙外活動(dòng)范圍需要[4-5]。

2)材料耐溫要求較高。 地面環(huán)境溫度變化相對(duì)較為緩慢，且溫度變化范圍一般在-50 ～＋60 ℃；而空間環(huán)境因太陽(yáng)輻照和背陰深冷帶來物體表面溫度劇變，變化范圍會(huì)達(dá)到-110 ～＋110 ℃[6]。 一般材料在低溫條件下會(huì)發(fā)生冷脆現(xiàn)象，且不能耐受溫度劇變。 因此，天線需選擇耐溫范圍寬的材料，必要時(shí)需進(jìn)行熱防護(hù)，滿足艙外活動(dòng)環(huán)境需要。

3)天線方向圖要求不同。 地面通信一般要求天線具有高增益、平面輻射的特點(diǎn)，使得無線傳輸距離越遠(yuǎn)越好，方向圖要求為扁平狀，水平方向覆蓋范圍大；而在軌出艙活動(dòng)是在一定范圍內(nèi)的立體空間進(jìn)行，在一定增益條件下電磁輻射方向圖要求盡可能為立體狀態(tài)(球形)，因此要求具有立體全向、低增益的特點(diǎn)，以滿足艙外活動(dòng)的需要。

2.2 技術(shù)分析

1)增益覆蓋性分析。 增益覆蓋性是天線性能的重要指標(biāo)參數(shù)，直接影響通信系統(tǒng)性能。出艙過程中艙外航天服的位置和姿態(tài)是不斷變化的，為了始終保持不間斷的高質(zhì)量通信聯(lián)絡(luò)，天線最理想效果是具有全向空間覆蓋能力和足夠的增益。 但是全向覆蓋性和增益是一對(duì)矛盾，因此在天線增益滿足系統(tǒng)指標(biāo)前提下，覆蓋性要盡可能高，以滿足全向要求。 為了保證艙外航天服與飛行器實(shí)現(xiàn)100%無線通信覆蓋性，需要對(duì)空間站天線和航天服天線的極化統(tǒng)籌考慮。 出艙航天員是“動(dòng)點(diǎn)”，飛行器是“定點(diǎn)”，目前飛行器天線采用圓極化設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)正交極化而通信中斷的情況，艙外航天服天線建議采用線極化設(shè)計(jì)，盡管有3 dB的極化失配損耗，但是可保障出艙航天員與空間站之間始終保持不間斷的高質(zhì)量通信聯(lián)絡(luò)。

2)天線尺寸分析。 中國(guó)飛天艙外航天服天線工作在UHF 頻段，該頻段電磁波波長(zhǎng)與飛行器尺寸相當(dāng)，當(dāng)航天員在飛行器天線未覆蓋的陰影區(qū)出艙活動(dòng)時(shí)可以通過電磁波繞射增加通信覆蓋性。

2.3 整體方案

天線類型繁多，對(duì)稱振子天線為最基本、最常用的天線。 振子天線帶寬較大，匹配容易，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，為首選的天線類型。 俄羅斯海鷹艙外航天服天線就是振子天線。

采用導(dǎo)電織物材料作為輻射體，可以根據(jù)艙外航天服輪廓形狀來彎曲、變形，嵌入在服裝內(nèi)部，與服裝共形。 為了簡(jiǎn)化天線安裝數(shù)量，采用收發(fā)天線共用同一天線層，只是發(fā)射饋電點(diǎn)和接收饋電點(diǎn)位于不同位置，達(dá)到了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和收發(fā)分離的目的，天線整體模型如圖1 所示。

圖1 天線整體模型Fig.1 Schematic diagram of antenna

在充分借鑒俄羅斯海鷹艙外航天服天線的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)飛天艙外航天服的實(shí)際特點(diǎn)，提出了4 種設(shè)計(jì)方案，分別是全身方案、半身方案、掛包方案和背包方案。 經(jīng)過電磁仿真得到了天線的輻射方向圖與覆蓋性數(shù)據(jù)，選擇較優(yōu)的天線安裝位置和形式。

3 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1 天線整體模型，艙外航天服天線可以分為天線層、饋電結(jié)構(gòu)、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、電纜等部件。

3.1 天線層設(shè)計(jì)

艙外航天服熱防護(hù)層主要由外側(cè)保護(hù)層、隔熱層和內(nèi)側(cè)保護(hù)層構(gòu)成。 外側(cè)保護(hù)層有防輻射、防火、防微隕石、防靜電的功能，并且電磁波是可穿透的，因此天線層可以復(fù)合在外側(cè)保護(hù)層之內(nèi)，既能透射電磁波，又能對(duì)天線起著防護(hù)作用。 隔熱層包含鍍鋁薄膜等材料，具有一定導(dǎo)電性，對(duì)電磁波有一定的阻礙作用[7]，因此天線層必須在隔熱層外側(cè)。 如果天線層中的輻射體緊貼在隔熱層，將嚴(yán)重降低其輻射能力，甚至不能輻射電磁波。 因此在輻射體與隔熱層之間設(shè)置一定厚度的絕緣支撐層，保持二者間距；同時(shí)增加襯底層，作為輻射體的承載物，用于固定2 片輻射體的相對(duì)位置。 因此天線層包括輻射層、襯底層和支撐層，與服裝熱防護(hù)層復(fù)合結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 天線層與熱防護(hù)層復(fù)合層次結(jié)構(gòu)Fig.2 Composite structure of antenna layer and thermal protective layer

3.1.1 支撐層建模及設(shè)計(jì)

支撐層設(shè)計(jì)是整個(gè)天線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它直接影響天線的增益覆蓋性，駐波等性能指標(biāo)。

根據(jù)天線鏡像原理，支撐層厚度對(duì)天線輻射影響的分析模型如圖3 所示，電流元(長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的細(xì)電流)平行于導(dǎo)電面上，假設(shè)支撐層厚度為h，隔熱層近似為導(dǎo)電面。 輻射體上電流元的鏡像電流元位于- h 處，并且電流大小相等，方向相反。

對(duì)于較低頻率的電磁波，導(dǎo)電面在電流元輻射場(chǎng)的作用下將產(chǎn)生表面電流，從而形成二次輻射，使得原電流元的輻射場(chǎng)發(fā)生變化。

圖3 支撐層厚度影響分析模型Fig.3 Analysis model of thickness effect of supporting layer

取輻射場(chǎng)接收點(diǎn)P 在球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為P r，θ，φ( ) ，θ 為P 點(diǎn)與z 軸的夾角，φ 為P 點(diǎn)與x軸的夾角。 如圖4 所示，其中P′為P 點(diǎn)在xy 平面的投影。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，采用鏡像分析方法，可得P 處的總輻射電場(chǎng)為式(1)：

圖4 θ 與φ 在球坐標(biāo)關(guān)系圖Fig.4 Spherical coordinate diagram of θ and φ

輻射磁場(chǎng)為式(2)：

其中，η0為自由空間波阻抗；Ip為P 點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度；r 為P 點(diǎn)至電流元的距離； f θ( ) 為對(duì)稱振子的方向性函數(shù)。 k ＝2π/λ 為自由空間相移常數(shù)，λ 為自由空間波長(zhǎng)。

基于以上分析可知：當(dāng)支撐層厚度h ≈0.25λ 時(shí)，天線輻射最強(qiáng)。

實(shí)際上，隔熱層主要由鍍鋁薄膜構(gòu)成，其表面并不是理想導(dǎo)體面，而是有一定阻抗的導(dǎo)體面。而有阻抗的導(dǎo)體面對(duì)輻射體上電流元的鏡像作用遠(yuǎn)小于理想導(dǎo)體面。 因此從理論上分析，支撐層厚度可以遠(yuǎn)小于0.25λ。

由于隔熱層不是均勻結(jié)構(gòu)，其電導(dǎo)率無法通過簡(jiǎn)單測(cè)量確定，也不能通過仿真計(jì)算確定支撐層厚度，因此采用制作不同厚度支撐層天線進(jìn)行測(cè)試的方法來探求支撐層最小厚度。 經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試表明：當(dāng)支撐層厚度h ≈0.025λ 時(shí)，在工作頻段范圍內(nèi)電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)≤1.5，且天線能量輻射效率較高，可以滿足整個(gè)無線系統(tǒng)通信質(zhì)量要求；當(dāng)繼續(xù)減小支撐層厚度h 時(shí)，隔熱層的天線鏡像電流嚴(yán)重影響天線的輻射效率[9-10]，且在工作頻段范圍內(nèi)導(dǎo)致VSWR 過大，影響整個(gè)無線系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

3.1.2 輻射體尺寸設(shè)計(jì)

天線輻射方向取決于輻射體上高頻電流的幅度和相位分布，需要優(yōu)化電流分布，達(dá)到全向輻射，其主要通過輻射體尺寸和形狀來控制電流分布。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，對(duì)稱振子天線的歸一化場(chǎng)強(qiáng)方向性函數(shù)為式(3)：

其中：θ 為輻射方向垂直于振子軸線的角度，k ＝2π/λ 為自由空間相移常數(shù)，λ 為自由空間波長(zhǎng)，l 為對(duì)稱振子長(zhǎng)度(臂長(zhǎng))。

根據(jù)式(3)可得，對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)呈現(xiàn)出球面的特性，且l ≤λ/2 時(shí)，方向圖只有主瓣，無旁瓣，方向性較強(qiáng)。

工程上常用半波振子天線( l ＝λ/4)和全波振子天線( l ＝λ/2)。 由于半波振子天線在尺寸上較小，其輻射方向覆蓋范圍相對(duì)較大，因此艙外航天服天線選擇半波振子天線的設(shè)計(jì)方法，即輻射體尺寸(振子臂長(zhǎng))取λ/4 長(zhǎng)度即可。

3.1.3 輻射體材料分析

導(dǎo)電織物材料柔軟，易于裁剪縫制，是輻射體材料的最佳選擇方案。 經(jīng)過多年的研究發(fā)展，除了純金屬纖維織物材料外，還出現(xiàn)了金屬化織物，如含導(dǎo)電高分子涂層纖維及織物，表面鍍覆金屬的纖維及織物、含金屬纖維或金屬化纖維的織物等產(chǎn)品[11-12]。 表面鍍覆金屬的纖維及織物存在導(dǎo)電性差、涂層易脫落，不耐磨損等問題，因此不適用于天線設(shè)計(jì)，可從其它幾種金屬化織物中選擇適用于輻射體的材料[13-14]。

從導(dǎo)電率、耐溫性能、抗磨損性等重要指標(biāo)分析，純金屬絲網(wǎng)材料具有導(dǎo)電率高，耐溫性能好，材料種類多(如銅絲網(wǎng)，鎳絲網(wǎng)，不銹鋼網(wǎng)等)等優(yōu)勢(shì)，因此作為艙外航天服天線輻射體材料的首選。

3.2 饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線輻射體與饋線的連接處稱為饋電點(diǎn)，主要是從環(huán)境適應(yīng)性和阻抗匹配兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2.1 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

天線輻射體位于艙外航天服隔熱層之外，在外太空熱真空環(huán)境中，溫度范圍可以達(dá)到-110 ～＋110 ℃。 輻射體材料完全能夠適應(yīng)真空熱環(huán)境要求，但電纜及電連接器能夠承受的溫度有限，使用溫度范圍為-55 ～＋125 ℃。 因此天線電纜、電連接器必須位于航天服熱防護(hù)層內(nèi)，以確保工作環(huán)境能夠滿足要求。 采用壓片式的饋電點(diǎn)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)饋線與輻射體的“線-面”之間可靠轉(zhuǎn)換，具備“外-內(nèi)”不同溫度環(huán)境轉(zhuǎn)換的導(dǎo)電連接功能。

3.2.2 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

天線阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)主要調(diào)節(jié)天線的輸入阻抗，使得天線阻抗?jié)M足無線系統(tǒng)的特征阻抗要求，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，以減小反射，減小駐波比。

天線阻抗匹配措施有：串聯(lián)四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器法、支節(jié)匹配法等。 從確保結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及可靠的角度，采用支節(jié)匹配法實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，即：在饋電點(diǎn)處并聯(lián)一根傳輸線支節(jié)，通過調(diào)節(jié)該支節(jié)的輸入阻抗，實(shí)現(xiàn)天線阻抗匹配[5]。

根據(jù)支節(jié)匹配原理，對(duì)艙外航天服天線阻抗匹配進(jìn)行建模，如圖5 所示，該圖可表示為特征阻抗導(dǎo)納為Y0的無線傳輸天線連接一個(gè)阻抗導(dǎo)納為YL的通信負(fù)載。 其中，Yin為天線總輸入導(dǎo)納，Yin1為與通信終端的距離為l 位置的輸入導(dǎo)納，Yin2為與匹配端終端的距離為l′ 位置的輸入導(dǎo)納。

圖5 支節(jié)匹配示意圖Fig.5 Schematic diagram of branch matching

實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)整體阻抗匹配，即通過支節(jié)匹配裝置實(shí)現(xiàn)Yin＝Y(jié)L＝Y(jié)0，達(dá)到阻抗匹配的目的，見式(4)：

在傳輸線上任意點(diǎn)的輸入阻抗導(dǎo)納可表示為復(fù)數(shù)，其表達(dá)式為Y ＝G ＋jB。

在整個(gè)饋電傳輸線上總能找到一些位置，其輸入導(dǎo)納的實(shí)部等于傳輸線特性導(dǎo)納。 一般選距離終端最近的位置(假設(shè)與終端的距離為l)，可表示為式(5)：

在該位置并聯(lián)一個(gè)支節(jié)(即匹配支節(jié))，一般選用短路支節(jié)(即Y′L＝0)，使其支節(jié)的阻抗導(dǎo)納的實(shí)部為0，虛部為負(fù)數(shù)，可表示為式(6)。

當(dāng)此處的阻抗導(dǎo)納Yin1和Yin2的虛部相等時(shí)，天線總輸入導(dǎo)納可表示為式(7)：

從而實(shí)現(xiàn)了天線自身阻抗與無線傳輸系統(tǒng)的阻抗匹配。

4 安裝位置仿真分析

本文采用基于有限元的電磁場(chǎng)數(shù)值仿真方法，采用四面體網(wǎng)格剖分方法，精細(xì)模擬天線安裝位置、熱防護(hù)服和艙外航天服的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，采用自適應(yīng)迭代法求解數(shù)值方法進(jìn)行微分形式麥克斯韋方程組的求解。 快速、準(zhǔn)確地解決天線、熱防護(hù)服和艙外航天服大尺寸、多材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)電磁仿真問題。

4.1 全身方案與仿真結(jié)果

借鑒俄羅斯海鷹艙外航天服天線設(shè)計(jì)，將輻射體布滿整個(gè)艙外航天服(除了面部和雙腳)，構(gòu)成“形體天線”。 如圖6 所示，綠色部分為服裝本體結(jié)構(gòu)，黃色部分為天線層。 在腰部位置將天線層分為上下兩部分，通過左右兩側(cè)的饋電點(diǎn)連接，形成上下形式的不規(guī)則粗柱體振子天線。

圖6 全身方案天線模型Fig.6 Whole-body antenna model

全身方案收發(fā)天線三維仿真方向圖如圖7、圖8 所示，可見天線全向性和增益覆蓋性較好，在艙外航天服后方局部角度區(qū)域有較深零深(相對(duì)于周圍增益較小的區(qū)域)，這是由于饋電點(diǎn)在前方，電流比較集中在饋電點(diǎn)附近的緣故。

4.2 半身方案與仿真結(jié)果

從減小工程實(shí)現(xiàn)難度考慮，提出半身方案。半身方案的輻射體覆蓋面積較小，天線層主要放置在腰部位置。 如圖9 所示，綠色部分為服裝本體結(jié)構(gòu)，黃色部分為天線層。 在腰部位置將天線層分為上下兩部分，通過饋電點(diǎn)連接，同樣形成上下形式的不規(guī)則粗柱體振子天線。

半身方案收發(fā)天線三維仿真方向圖如圖10、圖11 所示，在某些增益點(diǎn)的覆蓋性差，但整體增益覆蓋性較好，在艙外航天服后上某些區(qū)域有較深零深，主要是饋電點(diǎn)在身體前側(cè)，艙外航天服背后上方受到軀干和頭部的遮擋，出現(xiàn)部分零深。

圖7 全身方案發(fā)射天線三維方向圖Fig.7 Three-dimensional pattern of the whole-body transmitting antenna

圖8 全身方案接收天線三維方向圖Fig.8 Three-dimensional pattern of the whole-body receiving antenna

圖9 半身方案天線模型Fig.9 Half-body antenna model

4.3 掛包方案與仿真結(jié)果

飛天艙外航天服掛包安裝于服裝背后下部[6]，其特點(diǎn)為獨(dú)立性好，將天線與其共形，可以隨掛包拆裝和維護(hù)。 如圖12 所示，綠色部分為掛包本體結(jié)構(gòu)，黃色部分為天線層。 天線層將掛包外表面包裹覆蓋，采用左右對(duì)稱的設(shè)計(jì)方式，饋電裝置分別放置在底部和背部，形成左右形式的不規(guī)則振子天線。

圖10 半身方案發(fā)射天線三維方向圖Fig.10 Three-dimensional pattern of the half-body transmission antenna

圖11 半身方案接收天線三維方向圖Fig.11 Three-dimensional pattern of the half-body receiving antenna

圖12 掛包天線模型Fig.12 Hanging-bag antenna model

掛包方案收發(fā)天線仿真三維方向圖如圖13、圖14 所示，天線全向性和增益覆蓋性也較好，其覆蓋范圍偏下方。 在艙外航天服上方部分角度區(qū)域有較深零深，主要是饋電點(diǎn)在掛包的底部和后部，受到艙外航天服裝背包和身體遮擋而造成的。

4.4 背包方案與仿真結(jié)果

飛天艙外航天服采用背入式，背包位于服裝背后上部[6]，其外觀平整的，面積較大，是艙外航天服天線較優(yōu)的安裝位置。 如圖15 所示，綠色部分為背包本體結(jié)構(gòu)，黃色部分為天線層。 天線層覆蓋整個(gè)背包表面，采用上下設(shè)計(jì)方式結(jié)構(gòu)，兩個(gè)饋電點(diǎn)位于背包中間位置，形成上下形式的不規(guī)則的振子天線。

圖13 掛包方案發(fā)射天線三維方向圖Fig.13 Three-dimensional pattern of the hangingbag transmission antenna

圖14 掛包方案接收天線三維方向圖Fig.14 Three-dimensional pattern of the hangingbag receiving antenna.

圖15 背包方案(上下形式）天線模型Fig.15 Backpack(upper-lower）antenna model

背包方案收發(fā)天線仿真三維方向圖如圖16和圖17 所示，天線全向性和增益覆蓋性均很好，只在個(gè)別位置由于局部遮擋點(diǎn)存在有零深。

4.5 仿真結(jié)果分析

1)增益覆蓋性分析。 4 種方案的增益覆蓋性仿真數(shù)據(jù)如表1、表2 所示。 在增益≥-8 dBi 的覆蓋性差異較為明顯，尤其是半身方案，受到服裝胸前產(chǎn)品、肢體位置等影響，導(dǎo)致收發(fā)增益覆蓋性較小，增益覆蓋性還不到30%。 背包方案的輻射面無遮擋，且電磁信號(hào)可以通過繞射到服裝前部，因此收發(fā)增益覆蓋性較好，在增益≥-8 dBi 時(shí)，覆蓋性可以達(dá)到60% 和80% 以上； 在增益≥-12 dBi，覆蓋性擴(kuò)大到90%以上。

圖16 背包方案(上下形式）發(fā)射天線三維方向圖Fig.16 Three-dimensional pattern of the backpack(upper-lower）transmission antenna.

圖17 背包方案(上下形式）三維接收天線方向圖Fig.17 Three-dimensional pattern of the backpack(upper-lower）receiving antenna

表1 發(fā)射天線增益覆蓋性仿真數(shù)據(jù)比較Table 1 Comparison of simulation data for gain coverage of transmitting antennas /%

表2 接收天線增益覆蓋性仿真數(shù)據(jù)比較Table 2 Comparison of simulation data for gain coverage of receiving antennas /%

2)三維方向圖分析。 從4 種方案的方向圖可以看出半身方案和掛包方案的三維方向圖凹點(diǎn)相對(duì)較多，增益覆蓋性不平衡。 半身方案受到服裝形狀和軀干遮擋的影響較大，雖然增益整體覆蓋性較好，但在空間行走過程中會(huì)出現(xiàn)通信位置正好為零深點(diǎn)的極端情況，通信可能會(huì)出現(xiàn)時(shí)斷時(shí)續(xù)的現(xiàn)象；掛包方案由于其安裝在服裝的背后下部，因此其在服裝上部的增益覆蓋性較差，影響通信質(zhì)量。全身方案和背包方案的三維仿真圖近似于球形，其增益覆蓋性較為均衡，通信質(zhì)量較好。

5 結(jié)論

1)本文針對(duì)艙外航天服天線的特殊應(yīng)用環(huán)境和需求進(jìn)行分析，采用與服裝共形的織物天線方案作為艙外航天服天線的研究方向。 針對(duì)艙外航天服天線輻射體安裝位置，分別設(shè)計(jì)了全身方案、半身方案、掛包方案和背包方案，并進(jìn)行了電磁仿真和比較分析，其中“背包方案”三維方向圖較為均衡，且增益在≥-12 dBi 時(shí)收發(fā)天線的覆蓋性可以達(dá)到90%以上。

2)采用天線輻射體與服裝熱防護(hù)層復(fù)合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了與服裝共形；對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了艙外溫度適應(yīng)性設(shè)計(jì)，將艙外航天服天線結(jié)構(gòu)分成了內(nèi)外兩部分，使得電纜和電連接器等耐溫性能差的部件放在隔熱層內(nèi)側(cè)，滿足其工作溫度要求；采用支節(jié)法進(jìn)行阻抗匹配調(diào)節(jié)，簡(jiǎn)單、可靠、便捷。

3)隨著通信技術(shù)的發(fā)展，智能天線技術(shù)成為新一代通信的核心[15]，未來艙外航天服及登月服無線通信系統(tǒng)可以采用這些先進(jìn)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無線定位，為未來探月活動(dòng)技術(shù)提供思路和技術(shù)方案。

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