舱外航天服天线设计及仿真验证

李 鹏，周革强*，刘 荧，柴舜连，轩 永

(1. 中国航天员科研训练中心， 北京100094； 2. 国防科技大学电子科学学院， 长沙410073)

1 引言

舱外航天服天线是构成无线通信系统的重要部件，将高频信号电流转换成自由空间中传播的电磁波，同时也可以将自由空间传播的电磁波转换成高频信号电流，实现无线信号在自由空间的传输。

俄罗斯海鹰系列舱外航天服天线位于外侧保护层之内、隔热层之外，采用编织成网状栅格的导电纤维制作而成，导电织物覆盖整个航天服，整个舱外航天服作为天线来使用，构成所谓的形体天线，即“全身天线”。 优点是与服装整体共形，无凸出点，天线全向覆盖性较好；缺点是全身天线生产研制困难较大，工艺较为复杂，需与整服相匹配[1]。

NASA 的EMU(Extravehicular Activity Unit)航天服在阿波罗登月服的基础上进行简化和优化，其天线是硬质材料天线，为独立模块，便于装配，能够缩短天线与通信机之间的连接电缆，减少电缆损耗。 为保证通信性能，天线安装在背包顶部，便于覆盖大部分空域，特别是上半空域，属于单天线方案，空间覆盖范围有一定限制[2]。

NASA 近年来开展了月球和火星压力服新技术研究，例如Mark III 和I-Suit 航天服。 该类服装的天线安装于背包顶部，由多天线构成，采用外置式结构，且增加了定位功能。 该天线方式与月球或火星表面开阔区域任务相匹配，但不适合在轨出舱活动，可能造成行走障碍[3]。 最新推出的Z系列舱外航天服表面无外露天线，可以推测其采用了嵌入式天线，与服装共形。 由此可见，天线嵌入服装内部，与服装一体化设计是未来发展的趋势。

神七任务中飞天舱外航天服采用嵌入式织物形式天线，实现了舱内外短距离、小范围无线通信。 待空间站建成后，航天员将执行越来越多的舱外行走任务，出舱时间更长、距离更远，面临的通信环境更为恶劣和复杂，对舱外航天服天线覆盖性和增益等指标提出了更高的要求，因此亟需开展适合中国空间站任务的舱外航天服天线设计与研究，满足空间站任务出舱活动需求。

本文分析未来舱外航天服天线的需求，提出舱外航天服天线设计方案，并依据该方案进行多个安装位置的仿真验证，从通信覆盖性指标、全向性等角度进行分析。

2 技术特点分析及整体方案

2.1 技术特点

与地面天线相比，由于使用环境的差异，舱外航天服天线具有如下技术特点：

1)电磁波传输方式差异。 电磁波在地面传输时，会遇到各种遮挡物，出现反射、折射、绕射等现象；在真空中(自由空间)传播时以直射为主，也会出现传播路径被遮挡的情况(比如飞船、空间站舱体某些部位)，会产生反射、绕射现象，可以利用绕射现象扩大电磁波覆盖范围，满足舱外活动范围需要[4-5]。

2)材料耐温要求较高。 地面环境温度变化相对较为缓慢，且温度变化范围一般在-50 ～＋60 ℃；而空间环境因太阳辐照和背阴深冷带来物体表面温度剧变，变化范围会达到-110 ～＋110 ℃[6]。 一般材料在低温条件下会发生冷脆现象，且不能耐受温度剧变。 因此，天线需选择耐温范围宽的材料，必要时需进行热防护，满足舱外活动环境需要。

3)天线方向图要求不同。 地面通信一般要求天线具有高增益、平面辐射的特点，使得无线传输距离越远越好，方向图要求为扁平状，水平方向覆盖范围大；而在轨出舱活动是在一定范围内的立体空间进行，在一定增益条件下电磁辐射方向图要求尽可能为立体状态(球形)，因此要求具有立体全向、低增益的特点，以满足舱外活动的需要。

2.2 技术分析

1)增益覆盖性分析。 增益覆盖性是天线性能的重要指标参数，直接影响通信系统性能。出舱过程中舱外航天服的位置和姿态是不断变化的，为了始终保持不间断的高质量通信联络，天线最理想效果是具有全向空间覆盖能力和足够的增益。 但是全向覆盖性和增益是一对矛盾，因此在天线增益满足系统指标前提下，覆盖性要尽可能高，以满足全向要求。 为了保证舱外航天服与飞行器实现100%无线通信覆盖性，需要对空间站天线和航天服天线的极化统筹考虑。 出舱航天员是“动点”，飞行器是“定点”，目前飞行器天线采用圆极化设计，避免出现正交极化而通信中断的情况，舱外航天服天线建议采用线极化设计，尽管有3 dB的极化失配损耗，但是可保障出舱航天员与空间站之间始终保持不间断的高质量通信联络。

2)天线尺寸分析。 中国飞天舱外航天服天线工作在UHF 频段，该频段电磁波波长与飞行器尺寸相当，当航天员在飞行器天线未覆盖的阴影区出舱活动时可以通过电磁波绕射增加通信覆盖性。

2.3 整体方案

天线类型繁多，对称振子天线为最基本、最常用的天线。 振子天线带宽较大，匹配容易，并且结构简单，加工方便，为首选的天线类型。 俄罗斯海鹰舱外航天服天线就是振子天线。

采用导电织物材料作为辐射体，可以根据舱外航天服轮廓形状来弯曲、变形，嵌入在服装内部，与服装共形。 为了简化天线安装数量，采用收发天线共用同一天线层，只是发射馈电点和接收馈电点位于不同位置，达到了结构简单和收发分离的目的，天线整体模型如图1 所示。

图1 天线整体模型Fig.1 Schematic diagram of antenna

在充分借鉴俄罗斯海鹰舱外航天服天线的基础上，结合中国飞天舱外航天服的实际特点，提出了4 种设计方案，分别是全身方案、半身方案、挂包方案和背包方案。 经过电磁仿真得到了天线的辐射方向图与覆盖性数据，选择较优的天线安装位置和形式。

3 天线结构设计

根据图1 天线整体模型，舱外航天服天线可以分为天线层、馈电结构、阻抗匹配网络、电缆等部件。

3.1 天线层设计

舱外航天服热防护层主要由外侧保护层、隔热层和内侧保护层构成。 外侧保护层有防辐射、防火、防微陨石、防静电的功能，并且电磁波是可穿透的，因此天线层可以复合在外侧保护层之内，既能透射电磁波，又能对天线起着防护作用。 隔热层包含镀铝薄膜等材料，具有一定导电性，对电磁波有一定的阻碍作用[7]，因此天线层必须在隔热层外侧。 如果天线层中的辐射体紧贴在隔热层，将严重降低其辐射能力，甚至不能辐射电磁波。 因此在辐射体与隔热层之间设置一定厚度的绝缘支撑层，保持二者间距；同时增加衬底层，作为辐射体的承载物，用于固定2 片辐射体的相对位置。 因此天线层包括辐射层、衬底层和支撑层，与服装热防护层复合结构如图2 所示。

图2 天线层与热防护层复合层次结构Fig.2 Composite structure of antenna layer and thermal protective layer

3.1.1 支撑层建模及设计

支撑层设计是整个天线设计的基础，它直接影响天线的增益覆盖性，驻波等性能指标。

根据天线镜像原理，支撑层厚度对天线辐射影响的分析模型如图3 所示，电流元(长度远小于波长的细电流)平行于导电面上，假设支撑层厚度为h，隔热层近似为导电面。 辐射体上电流元的镜像电流元位于- h 处，并且电流大小相等，方向相反。

对于较低频率的电磁波，导电面在电流元辐射场的作用下将产生表面电流，从而形成二次辐射，使得原电流元的辐射场发生变化。

图3 支撑层厚度影响分析模型Fig.3 Analysis model of thickness effect of supporting layer

取辐射场接收点P 在球坐标系中的坐标为P r，θ，φ( ) ，θ 为P 点与z 轴的夹角，φ 为P 点与x轴的夹角。 如图4 所示，其中P′为P 点在xy 平面的投影。

根据文献[8]，采用镜像分析方法，可得P 处的总辐射电场为式(1)：

图4 θ 与φ 在球坐标关系图Fig.4 Spherical coordinate diagram of θ and φ

辐射磁场为式(2)：

其中，η0为自由空间波阻抗；Ip为P 点电场强度；r 为P 点至电流元的距离； f θ( ) 为对称振子的方向性函数。 k ＝2π/λ 为自由空间相移常数，λ 为自由空间波长。

基于以上分析可知：当支撑层厚度h ≈0.25λ 时，天线辐射最强。

实际上，隔热层主要由镀铝薄膜构成，其表面并不是理想导体面，而是有一定阻抗的导体面。而有阻抗的导体面对辐射体上电流元的镜像作用远小于理想导体面。 因此从理论上分析，支撑层厚度可以远小于0.25λ。

由于隔热层不是均匀结构，其电导率无法通过简单测量确定，也不能通过仿真计算确定支撑层厚度，因此采用制作不同厚度支撑层天线进行测试的方法来探求支撑层最小厚度。 经试验测试表明：当支撑层厚度h ≈0.025λ 时，在工作频段范围内电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)≤1.5，且天线能量辐射效率较高，可以满足整个无线系统通信质量要求；当继续减小支撑层厚度h 时，隔热层的天线镜像电流严重影响天线的辐射效率[9-10]，且在工作频段范围内导致VSWR 过大，影响整个无线系统的通信质量。

3.1.2 辐射体尺寸设计

天线辐射方向取决于辐射体上高频电流的幅度和相位分布，需要优化电流分布，达到全向辐射，其主要通过辐射体尺寸和形状来控制电流分布。

根据文献[8]，对称振子天线的归一化场强方向性函数为式(3)：

其中：θ 为辐射方向垂直于振子轴线的角度，k ＝2π/λ 为自由空间相移常数，λ 为自由空间波长，l 为对称振子长度(臂长)。

根据式(3)可得，对称振子的辐射场呈现出球面的特性，且l ≤λ/2 时，方向图只有主瓣，无旁瓣，方向性较强。

工程上常用半波振子天线( l ＝λ/4)和全波振子天线( l ＝λ/2)。 由于半波振子天线在尺寸上较小，其辐射方向覆盖范围相对较大，因此舱外航天服天线选择半波振子天线的设计方法，即辐射体尺寸(振子臂长)取λ/4 长度即可。

3.1.3 辐射体材料分析

导电织物材料柔软，易于裁剪缝制，是辐射体材料的最佳选择方案。 经过多年的研究发展，除了纯金属纤维织物材料外，还出现了金属化织物，如含导电高分子涂层纤维及织物，表面镀覆金属的纤维及织物、含金属纤维或金属化纤维的织物等产品[11-12]。 表面镀覆金属的纤维及织物存在导电性差、涂层易脱落，不耐磨损等问题，因此不适用于天线设计，可从其它几种金属化织物中选择适用于辐射体的材料[13-14]。

从导电率、耐温性能、抗磨损性等重要指标分析，纯金属丝网材料具有导电率高，耐温性能好，材料种类多(如铜丝网，镍丝网，不锈钢网等)等优势，因此作为舱外航天服天线辐射体材料的首选。

3.2 馈电网络结构设计

天线辐射体与馈线的连接处称为馈电点，主要是从环境适应性和阻抗匹配两方面进行设计。

3.2.1 环境适应性设计

天线辐射体位于舱外航天服隔热层之外，在外太空热真空环境中，温度范围可以达到-110 ～＋110 ℃。 辐射体材料完全能够适应真空热环境要求，但电缆及电连接器能够承受的温度有限，使用温度范围为-55 ～＋125 ℃。 因此天线电缆、电连接器必须位于航天服热防护层内，以确保工作环境能够满足要求。 采用压片式的馈电点转换结构，实现馈线与辐射体的“线-面”之间可靠转换，具备“外-内”不同温度环境转换的导电连接功能。

3.2.2 阻抗匹配网络设计

天线阻抗匹配网络主要调节天线的输入阻抗，使得天线阻抗满足无线系统的特征阻抗要求，实现阻抗匹配，以减小反射，减小驻波比。

天线阻抗匹配措施有：串联四分之一波长阻抗变换器法、支节匹配法等。 从确保结构简单及可靠的角度，采用支节匹配法实现阻抗匹配，即：在馈电点处并联一根传输线支节，通过调节该支节的输入阻抗，实现天线阻抗匹配[5]。

根据支节匹配原理，对舱外航天服天线阻抗匹配进行建模，如图5 所示，该图可表示为特征阻抗导纳为Y0的无线传输天线连接一个阻抗导纳为YL的通信负载。 其中，Yin为天线总输入导纳，Yin1为与通信终端的距离为l 位置的输入导纳，Yin2为与匹配端终端的距离为l′ 位置的输入导纳。

图5 支节匹配示意图Fig.5 Schematic diagram of branch matching

实现通信系统整体阻抗匹配，即通过支节匹配装置实现Yin＝YL＝Y0，达到阻抗匹配的目的，见式(4)：

在传输线上任意点的输入阻抗导纳可表示为复数，其表达式为Y ＝G ＋jB。

在整个馈电传输线上总能找到一些位置，其输入导纳的实部等于传输线特性导纳。 一般选距离终端最近的位置(假设与终端的距离为l)，可表示为式(5)：

在该位置并联一个支节(即匹配支节)，一般选用短路支节(即Y′L＝0)，使其支节的阻抗导纳的实部为0，虚部为负数，可表示为式(6)。

当此处的阻抗导纳Yin1和Yin2的虚部相等时，天线总输入导纳可表示为式(7)：

从而实现了天线自身阻抗与无线传输系统的阻抗匹配。

4 安装位置仿真分析

本文采用基于有限元的电磁场数值仿真方法，采用四面体网格剖分方法，精细模拟天线安装位置、热防护服和舱外航天服的细节结构，采用自适应迭代法求解数值方法进行微分形式麦克斯韦方程组的求解。 快速、准确地解决天线、热防护服和舱外航天服大尺寸、多材料、复杂结构电磁仿真问题。

4.1 全身方案与仿真结果

借鉴俄罗斯海鹰舱外航天服天线设计，将辐射体布满整个舱外航天服(除了面部和双脚)，构成“形体天线”。 如图6 所示，绿色部分为服装本体结构，黄色部分为天线层。 在腰部位置将天线层分为上下两部分，通过左右两侧的馈电点连接，形成上下形式的不规则粗柱体振子天线。

图6 全身方案天线模型Fig.6 Whole-body antenna model

全身方案收发天线三维仿真方向图如图7、图8 所示，可见天线全向性和增益覆盖性较好，在舱外航天服后方局部角度区域有较深零深(相对于周围增益较小的区域)，这是由于馈电点在前方，电流比较集中在馈电点附近的缘故。

4.2 半身方案与仿真结果

从减小工程实现难度考虑，提出半身方案。半身方案的辐射体覆盖面积较小，天线层主要放置在腰部位置。 如图9 所示，绿色部分为服装本体结构，黄色部分为天线层。 在腰部位置将天线层分为上下两部分，通过馈电点连接，同样形成上下形式的不规则粗柱体振子天线。

半身方案收发天线三维仿真方向图如图10、图11 所示，在某些增益点的覆盖性差，但整体增益覆盖性较好，在舱外航天服后上某些区域有较深零深，主要是馈电点在身体前侧，舱外航天服背后上方受到躯干和头部的遮挡，出现部分零深。

图7 全身方案发射天线三维方向图Fig.7 Three-dimensional pattern of the whole-body transmitting antenna

图8 全身方案接收天线三维方向图Fig.8 Three-dimensional pattern of the whole-body receiving antenna

图9 半身方案天线模型Fig.9 Half-body antenna model

4.3 挂包方案与仿真结果

飞天舱外航天服挂包安装于服装背后下部[6]，其特点为独立性好，将天线与其共形，可以随挂包拆装和维护。 如图12 所示，绿色部分为挂包本体结构，黄色部分为天线层。 天线层将挂包外表面包裹覆盖，采用左右对称的设计方式，馈电装置分别放置在底部和背部，形成左右形式的不规则振子天线。

图10 半身方案发射天线三维方向图Fig.10 Three-dimensional pattern of the half-body transmission antenna

图11 半身方案接收天线三维方向图Fig.11 Three-dimensional pattern of the half-body receiving antenna

图12 挂包天线模型Fig.12 Hanging-bag antenna model

挂包方案收发天线仿真三维方向图如图13、图14 所示，天线全向性和增益覆盖性也较好，其覆盖范围偏下方。 在舱外航天服上方部分角度区域有较深零深，主要是馈电点在挂包的底部和后部，受到舱外航天服装背包和身体遮挡而造成的。

4.4 背包方案与仿真结果

飞天舱外航天服采用背入式，背包位于服装背后上部[6]，其外观平整的，面积较大，是舱外航天服天线较优的安装位置。 如图15 所示，绿色部分为背包本体结构，黄色部分为天线层。 天线层覆盖整个背包表面，采用上下设计方式结构，两个馈电点位于背包中间位置，形成上下形式的不规则的振子天线。

图13 挂包方案发射天线三维方向图Fig.13 Three-dimensional pattern of the hangingbag transmission antenna

图14 挂包方案接收天线三维方向图Fig.14 Three-dimensional pattern of the hangingbag receiving antenna.

图15 背包方案(上下形式）天线模型Fig.15 Backpack(upper-lower）antenna model

背包方案收发天线仿真三维方向图如图16和图17 所示，天线全向性和增益覆盖性均很好，只在个别位置由于局部遮挡点存在有零深。

4.5 仿真结果分析

1)增益覆盖性分析。 4 种方案的增益覆盖性仿真数据如表1、表2 所示。 在增益≥-8 dBi 的覆盖性差异较为明显，尤其是半身方案，受到服装胸前产品、肢体位置等影响，导致收发增益覆盖性较小，增益覆盖性还不到30%。 背包方案的辐射面无遮挡，且电磁信号可以通过绕射到服装前部，因此收发增益覆盖性较好，在增益≥-8 dBi 时，覆盖性可以达到60% 和80% 以上； 在增益≥-12 dBi，覆盖性扩大到90%以上。

图16 背包方案(上下形式）发射天线三维方向图Fig.16 Three-dimensional pattern of the backpack(upper-lower）transmission antenna.

图17 背包方案(上下形式）三维接收天线方向图Fig.17 Three-dimensional pattern of the backpack(upper-lower）receiving antenna

表1 发射天线增益覆盖性仿真数据比较Table 1 Comparison of simulation data for gain coverage of transmitting antennas /%

表2 接收天线增益覆盖性仿真数据比较Table 2 Comparison of simulation data for gain coverage of receiving antennas /%

2)三维方向图分析。 从4 种方案的方向图可以看出半身方案和挂包方案的三维方向图凹点相对较多，增益覆盖性不平衡。 半身方案受到服装形状和躯干遮挡的影响较大，虽然增益整体覆盖性较好，但在空间行走过程中会出现通信位置正好为零深点的极端情况，通信可能会出现时断时续的现象；挂包方案由于其安装在服装的背后下部，因此其在服装上部的增益覆盖性较差，影响通信质量。全身方案和背包方案的三维仿真图近似于球形，其增益覆盖性较为均衡，通信质量较好。

5 结论

1)本文针对舱外航天服天线的特殊应用环境和需求进行分析，采用与服装共形的织物天线方案作为舱外航天服天线的研究方向。 针对舱外航天服天线辐射体安装位置，分别设计了全身方案、半身方案、挂包方案和背包方案，并进行了电磁仿真和比较分析，其中“背包方案”三维方向图较为均衡，且增益在≥-12 dBi 时收发天线的覆盖性可以达到90%以上。

2)采用天线辐射体与服装热防护层复合技术实现了与服装共形；对馈电网络进行了舱外温度适应性设计，将舱外航天服天线结构分成了内外两部分，使得电缆和电连接器等耐温性能差的部件放在隔热层内侧，满足其工作温度要求；采用支节法进行阻抗匹配调节，简单、可靠、便捷。

3)随着通信技术的发展，智能天线技术成为新一代通信的核心[15]，未来舱外航天服及登月服无线通信系统可以采用这些先进的技术，实现无线定位，为未来探月活动技术提供思路和技术方案。

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