等离子鞘套下相控阵天线辐射特性及波束指向偏差修正方法

The communication interruption caused by plasma sheath has been restricting the development of hypersonic vehicles in near space. Recently, adopting satellite relay combination with on-board phased array antenna is a practical and feasible method to suppress the communication “blackout problem” and to ensure the TT&C in whole flight. However, plasma sheath has a great influence on the radiation characteristics of phased array antenna. This project is to solve this problem. According to the spatial distribution of plasma sheath, the electromagnetic simulation model of plasma sheath and phased array antenna is established, and high precision numerical solution method is developed. Through studying on the influence mechanism of plasma sheath on radiation characteristics and port reflectance characteristics of phased array antenna, a beam pointing error correction method based on phased array antenna impedance is proposed. By designing of antenna measurement experiment system in plasma environment, the theoretical model and the beam pointing error method are verified by experiments. This project provides theoretical and technical support for the use of satellite relay combined with phased array to suppress the communication "black barrier" problem and ensure the whole TT&C of aircraft.

等离子鞘套造成的通信中断问题一直制约着临近空间高超声速飞行器的发展。采用卫星中继结合飞行器相控阵天线抑制通信中断问题和保证全程测控通信是最近被提出一种切实可行的方法，但是等离子鞘套对高速飞行器相控阵天线辐射特性产生较大影响。本项目针对这一问题，根据等离子鞘套的空间分布特性，建立等离子鞘套与相控阵天线的电磁仿真模型，发展高精度的数值求解方法，研究等离子鞘套对相控阵天线的辐射特性和端口反射特性的影响机理，提出基于相控阵天线阻抗特性的波束指向偏差修正方法，搭建等离子体环境下天线测量实验系统，通过实验验证理论模型和波束偏差修正方法，为采用卫星中继结合相控阵抑制通信“黑障”问题和实现飞行器全程测控提供坚实的理论和技术支撑。

等离子鞘套造成的通信中断问题一直制约着临近空间高超声速飞行器的发展。采用卫星中继结合飞行器相控阵天线抑制通信中断问题和保证全程测控通信是最近被提出一种切实可行的方法，但是等离子鞘套对高速飞行器相控阵天线辐射特性产生较大影响。.本项目针对这一问题，开展等离子鞘套下相控阵天线辐射特性及波束指向偏差修正的研究，建立了等离子鞘套和相控阵天线的一体化电磁计算模型，基于时域有限差分方法提出了等离子鞘套覆盖下相控阵天线辐射特性的数值求解方法，计算了等离子鞘套覆盖下相控阵天线辐射方向图特性，研究了等离子鞘套对相控阵天线辐射特性的影响机理，建立了等离子鞘套特性与相控阵天线不同扫描时波束宽度、波束指向偏差、以及极化特性的关系模型；研究了等离子鞘套覆盖下相控阵天线的端口反射和互耦效应，建立了等离子鞘套电子密度、碰撞频率及其分布参数与阵元的阻抗、阵元间互耦特性的关系模型，提出了基于阵元阻抗以及阵元互阻抗特性的等离子鞘套参数感知方法；研究了等离子鞘套下阵列天线的波达方向估计方法及估计误差模型，建立了等离子鞘套下相控阵天线波束指向偏差和来波方向估计的关联性数学模型，提出了基于来波方向估计和等离子鞘套参数感知的相控阵波束指向偏差修正方法；搭建了等离子体环境下相控阵天线测量实验系统，提出了等离子体下相控阵天线不同波束指向时功率方向图、阵元阻抗及阵元互阻抗特性测量实验方法，开展了等离子体下相控阵天线不同波束指向时功率方向图测量、天线阵元阻抗和阵元互阻抗特性测量实验，并通过离线处理方式对等离子体下相控阵天线波束指向偏差修正方法进行了验证。.本项目等离子鞘套下相控阵天线辐射特性及波束指向偏差修正的研究成果，可以为飞行器相控阵天线设计提供参考，为采用卫星中继结合相控阵天线抑制“黑障”问题提供技术支撑，同时还可以为弹载相控阵雷达在高超声速平台的使用提供技术储备，具有一定的理论意义和应用价值。