航天器高压太阳电池阵列ESD 检测用柔性天线传感器

张国治，汪令仪，张翰霆，冯 娜，王 海，张晓星*

（1.湖北工业大学 新能源及电网装备安全检测湖北省工程研究中心，武汉 430068；2.北京东方计量测试研究所，北京 100094）

0 引言

随着航天技术的快速发展，高压太阳电池阵列作为航天器的主电源，其对运行安全性的要求越来越高[1-2]，100 V 及以上的高压电池阵列已经普遍应用于地球同步轨道（GEO）航天器。运行于GEO 等离子体、高能电子环境的航天器，其高压太阳电池阵列易产生静电放电（ESD）[3-4]。ESD 形成过程伴随有高电压、强电场以及瞬时大电流，其电流上升时间可短于1 ns，且电流上升过程中伴随有强电磁辐射，形成带宽达几MHz 至几GHz 的电磁脉冲（EMP），这种ESD EMP 会诱发太阳电池阵列二次放电，造成太阳电池阵列功率损失甚至永久性短路。同时，ESD 过程还会在短时间内释放大量的热能，导致太阳电池表面玻璃盖片的透明度下降进而降低太阳电池的转换效率，甚至可能烧断互连片造成太阳电池阵开路并致使回路损毁[5-6]。除此之外，EMP 还可以通过线路、孔缝等路径耦合进入设备内部的敏感设备，可对航天器的电子设备、软件控制系统和电源系统等重要部组件造成严重干扰或损伤，降低电子设备工作的可靠性[7-8]。据美国航空航天局统计，导致GEO 航天器在发射和运行过程中出现多起软、硬件故障的主要诱因是ESD，ESD EMP 目前已成为航天器面临的主要电磁威胁[9]。因此，针对航天器高压太阳电池阵列ESD 过程中辐射的EMP 特性进行研究，对于了解航天器ESD 特征以及对其进行抑制具有重大意义。

目前常见的用于航天器ESD电磁辐射探测的天线有单、偶极子天线[10-12]、Wi-Fi 天线[13]、TEM 喇叭天线、对数周期天线[14]和长线天线[15-16]等，它们可以稳定接收ESD 电磁辐射信号，并且测量范围广，失真较小；但在应用过程中也存在缺点，如：现有的天线大多使用刚性结构，且纵向尺寸过大，安装时无法很好地与航天器的金属外壳共形，需要对航天器本身进行较复杂的结构改造才能稳妥安装；天线监测的频段与航天器ESD EMP 信号的主要频段范围不一致；天线检测的灵敏度较低。

为克服上述ESD 电磁辐射探测天线存在的缺点，本文进行了航天器高压太阳电池阵列ESD 检测用柔性天线传感器的研究。采用矩形贴片天线等效技术、梯形地平面技术和CPW 馈线指数渐近线化技术，利用ANSYSS HFSS 软件构建柔性ESD电磁辐射检测天线三维电磁仿真模型，仿真获取天线在不同弯曲程度下的电压驻波比（VSWR）和增益特性参数并进行优化；根据仿真优化结果研制柔性天线传感器样品，利用矢量网络分析仪进行VSWR 测试，并通过搭建的ESD 模拟试验平台对该柔性天线传感器的ESD EMP 检测性能进行实验分析。

1 ESD 电磁辐射检测用柔性天线工作原理

天线部分由敷于介质板上的铜质椭圆平面单极子天线、梯形地平面和CPW 馈线组成。

1.1 椭圆平面单极子天线

椭圆平面单极子天线由微带天线演变而来，具有结构简单、超宽带以及馈电网络可与天线本体结构集成等优点[17]，被广泛应用于军事和航空航天等领域。

椭圆平面单极子天线的椭圆辐射贴片的半长轴a和半短轴b由天线所感知的电磁波最大波长决定，其具体尺寸可根据矩形贴片天线的等效圆柱体振子的底面半径r和高度h计算得到[18]。具体计算方法如下：

分别用圆柱体振子的柱体表面积S柱和高度h等效椭圆辐射贴片的面积S面和椭圆长轴2a，即

其中：h与天线所感知频段内电磁波最大波长λ的对应关系为

通过式(1)～式(3)可知，圆柱体振子感知的电磁波最大波长对应的最低工作频率f和椭圆辐射贴片半长轴a、半短轴b之间的关系为

其中：椭圆轴a和b的单位为cm，频率f的单位为GHz。

当椭圆辐射贴片轴比（a/b）为1 时，可将该椭圆辐射贴片视作特殊的圆形辐射贴片，则最低工作频率和椭圆辐射贴片尺寸的关系为

1.2 梯形地平面

梯形地平面采用盘锥天线平面化的思想[19]，取盘锥天线二维平面结构作为天线的地平面，使地平面继承盘锥天线超宽带、垂直线极化以及在水平面内全向辐射等优点[20]。并且盘锥天线的工作频带在UHF 频段内驻波比小于2 的宽度为8 倍频带宽（倍频带宽BW=fH/fL），可有效贴合PD UHF 信号300 MHz～3 GHz 宽频带范围。

盘锥天线的方向特性Ψ(γ,θ)的计算公式为

其中：Tv(θ)表示v阶第一类和第二类勒让德函数的一个线性组合；Zv(k0γ)表示广义v阶球贝塞尔函数；k0表示自由空间波数，。

结合球贝塞尔函数和勒让德函数，将锥体外部内域和外域的函数分别取为：

其中：

式(8)～式(11)中：Pn(cosθ)表示勒让德方程的线性解；jv(k0γ)表示v阶第一类球贝塞尔函数在γ方向上的一个驻波；hn(k0γ)表示n阶第二类球汉克尔函数沿γ方向上的外向行波。其中，n为非零常数，v为待定常数，Bn、Cv、Dv为待定的展开系数。带入边界条件，可解得盘锥天线的方向图函数为

通过式(12)可计算出天线接收电磁波集中的方向。

盘锥天线结构参数如图1 所示，金属圆盘与锥体的同轴馈线相连，圆盘直径为D，锥体上、下端面的直径分别为Dmin和Dmax，锥体的锥角为θ0，母线长为L。

图1 盘锥天线结构示意Fig.1 Schematic of discone antenna

由于盘锥天线相当于由一个半张角为90°和一个半张角为θ0的锥体组成的双锥天线，所以其特性阻抗相当于双锥天线的1/2，即

本文采取将盘锥天线的锥体部分平面化后作为接地面，以提高整体天线的阻抗带宽。与盘锥天线相连的馈线匹配阻抗是50 Ω，可按照匹配阻抗进行天线的尺寸设计：天线的锥体锥角不能过小，否则会导致天线的匹配阻抗随锥体母线L的改变而剧烈变化，因此锥角θ0的范围应在30°～60°之间；锥体母线L不能过短，以避免出现由于天线的辐射电阻变小而导致电抗分量变大，从而使得同轴馈线的匹配阻抗变差的问题，因此锥体母线L应略大于天线最低工作频率对应波长λmax的1/4，即

其中k的取值范围为1.3～1.5。

1.3 CPW 馈线

CPW 馈线作为一种微波平面传输线，具有辐射损耗低、工作频带宽和结构简单等优点，常被应用在传输线和微波毫米波集成元件等方面。由于CPW 馈线独特的平面结构，还可以将其应用在天线馈电方面，把空间中的电磁波能量转换成电磁信号[21]。

CPW 馈线组成如图2 所示，在介质板表面敷上中间导带和两边的接地面，导带宽度为w，导带与接地面之间的距离为d1，介质板厚度为h1。

图2 CPW 馈线组成示意Fig.2 Schematic of CPW feeder

CPW 馈线特性阻抗Z01的计算公式为

式中：K′(k)表示第一类完全性椭圆余弦函数，K′(k)=K(k′)，；K(k)表示第一类完全性椭圆函数；εre表示CPW 馈线的有效介电常数。

其中：εr表示介质板的相对介电常数。

当0≤k≤0.7 时，

当0.7≤k≤1 时，

经过上述计算可得，介质板厚度对CPW 馈线的特性阻抗影响较大。使用CPW 馈线技术既能达到增大天线带宽的目的，也可避免由于特性阻抗的剧烈波动而对天线进行复杂的结构改造。

2 ESD 电磁辐射检测用柔性天线工作原理

本文设计的ESD 电磁辐射检测用柔性天线的工作频段为300 MHz～3 GHz，几乎可覆盖整个ESD 频段。通过工作频段的最低工作频率来设计天线，并取1 GHz 作为天线的中心频率。由第1 章的计算公式可得：天线优化前的椭圆辐射贴片的半长轴a=90 mm、半短轴b=30 mm；梯形地平面的锥角θ0=30°、腰L=175 mm、上底Dmin=3 mm、下底Dmax=180 mm、高H=150 mm；CPW 馈线导带宽w=2.5 mm，导带与接地面之间距离d1=0.1 mm、导带高H1=152 mm；天线介质板的厚度h1=0.28 mm。此时天线横向长A=180 mm、纵向长B=210 mm，尺寸较大，需进一步缩小优化。本文采用指数渐近线阻抗变换器技术对CPW 馈线部分指数渐近线化处理[22]来实现天线的超宽带，同时通过ANSYSS HFSS软件对所设计的天线进行仿真优化，寻找最优参数来实现传感器的小型化。

2.1 CPW 馈线渐近线化处理

在微带天线设计中，常通过使用微带阻抗变换器来达到降低驻波比、提高传输效率的目的。本文通过CPW 馈线指数渐近线化处理，使得CPW 馈线导带部分从下至上、由大到小分为无数节阶梯，并使每节阶梯的长度无限缩短。这时CPW 馈线的宽度和特性阻抗连续变化，使得每节阶梯产生的反射相互抵消，最终实现天线在超宽频带内的阻抗匹配。CPW 馈线的微带特性阻抗Zc沿阻抗变换器长度方向按指数规律变化的计算式为

式中：Z02为渐进线中心位置的微带特性阻抗；α为特性阻抗的变换常数；z表示特性阻抗。

通过Txline 软件计算CPW 馈线上底宽w1和下底宽w2两端匹配的微带特性阻抗Z1和Z2（Z1＞Z2），进而计算得到导带的长度l，

式中：

Г1为指数渐近线化阻抗变换器的电压反射系数，

通过以上计算得到l=110 mm，因此可将地平面尺寸缩小，即将梯形地平面的高度H也近似取为110 mm 来匹配CPW 部分，相应的天线横向长A=180 mm、纵向长B=170 mm。

2.2 天线仿真优化设计

CPW 馈线经过指数渐近线化处理后衍生出2 个新变量——馈线导带上底宽w1和下底宽w2，此时天线尺寸仍然较大，须通过仿真优化在原来馈线宽w=2.5 mm 的基础上寻找最优参数。影响单极子天线带宽的主要因素是单极子天线贴片的面积大小，分析天线结构可知，决定单极子天线面积的主要参数是A和B，其他参数（a、b、H、H1、Dmin、Dmax、w1、w2、d1）只需随着A和B的变化进行相应的变化。如果通过传统的参数扫描方法对全部11 个参数进行优化，计算量将非常庞大。为保证工作的可实施性，本文先对参数A和B进行仿真寻找其最优值，并得出a、b、H等参数的大概范围，再对这些参数进行微调，最终确定11 个参数的最优值。

先由电磁波在自由空间中对应的1/4 波长确定参数

其中：f1表示天线预设的工作频率；继而可确定参数A和B的优化域——A（120～170 mm），B（120～180 mm）。

根据设定的优化域，利用ANSYSS HFSS 软件，首先对参数A进行仿真优化，得到的仿真结果如图3 所示。从图中可以看出：随着A的减小，低频段的中心频率逐渐向右移动靠近目标中心频率，且带宽逐渐增大；当A减小到140 mm 之后，带宽出现劣化变窄，因此确定优化取值为A=140 mm。

图3 参数A 优化仿真回波损耗曲线Fig.3 Simulated return loss curve after the optimization of parameter A

确定参数A的优化值后，继续进行参数B的仿真优化，得到的仿真结果如图4 所示。从图中可以看出：随着B的减小，中心频率的波动逐渐减少并向右移动靠近目标中心频率，且带宽也随着增大；当B减小到150 mm 之后，带宽出现劣化变窄，因此确定优化取值为B=150 mm。

确定参数A和B的优化值后，以所得到的回波损耗中心频率与目标中心频率重合、带宽逼近极限宽为目标，对其他参数通过仿真优化进行微调，获得的最优回波损耗如图5 所示。据此确定的天线最终结构如图6 所示，其中梯形地平面的锥角θ0取32°。

图5 最优回波损耗图Fig.5 Optimal return loss diagram

图6 ESD EMP 检测用天线结构示意Fig.6 Structure diagram of ESD EMP detection antenna

2.3 柔性基底

目前常见的柔性基底材料主要有聚酰亚胺（polyimide, PI）[23]、聚二甲硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）[24]、聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene, PTFE）[25]等，表1 给出了这3 种材料的性能参数。本文采用的PI 具有高介电常数以及低介电损耗等优点，可以保证天线信号传输的高效率；另外其良好的绝缘性、延展性和柔性可以保证传感器在航天器内设置的灵活、稳定。但由于空间ESD检测用天线长期暴露在等离子体、高能电子等恶劣环境下，会导致PI 天线出现被腐蚀、绝缘破坏等问题，所以需要研究针对PI 材料的改性方法来提高其空间环境适应能力[3,26]。

表1 柔性材料电性能Table 1 Electrical properties of flexible materials

将天线印制在长方形PI 介质板上，介质板尺寸为150 mm×140 mm×0.28 mm。采用射频连接器SMA-KE 接口连接SMA CPW 馈线进行馈电，天线实物如图7 所示。

图7 ESD 检测柔性天线Fig.7 Flexible antenna for ESD detection

3 天线性能测试

3.1 VSWR

VSWR 表示波腹电压和波节电压的比值，通常用VSWR 低于某一规定值时的频带宽度定义天线的阻抗带宽。这样做既可以反映天线阻抗的频率特性，也可以反映天线与馈线之间的匹配效果，一般把VSWR＜2 的频带作为ESD 检测用传感器的有效频带。VSWR 计算式为

其中Г为天线的反射系数。

航天器的金属外壳多为弧状结构，根据电压等级和制造工艺的不同，其外壳弯曲半径一般在150～500 mm 之间。本文通过ANSYS HFSS 软件建立ESD 电磁辐射检测用柔性天线三维电磁仿真模型，在300 MHz～2 GHz 频段内对柔性天线在不弯曲以及弯曲半径分别为100、300、500 mm 时进行扫频分析，仿真所得VSWR 曲线见图8。仿真结果显示：柔性天线未发生形变时，在340 MHz～2 GHz 频段内VSWR＜2。不同程度弯曲形变后，天线VSWR 会有微小的波动，但波动幅度很小——弯曲半径为100、300 mm 时，天线在340 MHz～2 GHz 频段内VSWR＜2；弯曲半径为500 mm 时，天线在500～750 MHz 频段内VSWR＜2.5，在750 MHz～2 GHz 频段内VSWR＜2。

图8 ESD 检测柔性天线VSWR 仿真曲线Fig.8 VSWR simulation curve of ESD detection for flexible antenna

利用矢量网络分析仪对天线实物的VSWR 进行实测，测试结果见图9。可以看到，天线在不弯曲以及弯曲半径分别为100、300、500 mm 时，除在300～650 MHz 频段内VSWR＜3，在650 MHz～3 GHz 频段内VSWR 均＜2，说明天线弯曲形变后VSWR 基本不变。

图9 实测的天线VSWR 曲线Fig.9 Measured VSWR curves of the antenna

对比天线VSWR 的仿真和实测结果可以发现，实测VSWR 在低频段和仿真结果存在一定的出入，这是由于天线制作和焊接工艺精度的影响以及测试环境无法避免地存在一定金属导体的干扰，导致实测VSWR 低频段带宽变窄，在高频段出现振荡，但整体效果符合天线设计要求。

3.2 辐射方向图

辐射方向图表示在天线的远场范围内，辐射场的相对场强随方向的变化，用以反映天线的增益效果。在0.5、1.0、1.5 和2.0 GHz 共4 个频点下，本文设计的柔性天线（弯曲半径为100、300、500 mm 以及不弯曲时）的H 面（yOz面）和E 面（xOy面）的辐射方向图见图10 和图11。

图10 不同频点下的柔性天线H 面辐射方向图Fig.10 H-plane radiation patterns of the flexible antenna at different frequencies

图11 不同频点下的柔性天线E 面辐射方向图Fig.11 E-plane radiation patterns of the flexible antenna at different frequencies

由图10 和图11 可以看到：H 面辐射方向图在4 个频点下均呈倒“8”字型；E 面辐射方向图在0.5、1.0 和1.5 GHz 频点下呈倒“8”字型。这表明，除个别频点外，柔性天线均可较好地接收ESD EMP信号，且H 面的信号接收效果更好。同时可以看出：在相同弯曲半径下，柔性天线H 面的接收信号效果随着频率的升高而增强；在相同频率下，柔性天线H 面辐射方向特性受天线弯曲形变的影响较小。这是由于柔性天线主体是单极子天线，而本文设计的单极子天线主要沿H 面呈对称结构，故其主要接收信号的方向在H 面，这就导致天线E 面增益劣化。由于天线安装以后本身就是其H 面朝向ESD 电磁辐射信号发射方向，因此E 面增益劣化并不影响天线本身的感知性能。针对ESD 产生的EMP 信号检测更加关注天线本身的灵敏度，因此本文仅实测了天线VSWR[27-28]。

4 柔性天线性能检测及验证

4.1 ESD EMP 检测试验平台

为验证本文所设计的柔性天线检测EMP 信号的性能，搭建了ESD EMP 检测试验平台，如图12所示。通过静电屏蔽箱屏蔽外界大部分静电干扰，并在箱中设置静电脉冲点火器模拟静电放电源。将研制的ESD 检测用柔性天线放置在屏蔽箱中进行ESD EMP 信号感知性能检测，信号采集设备使用高性能数字示波器。

图12 ESD EMP 检测试验平台Fig.12 ESD EMP test platform

脉冲点火器发生ESD 时，产生的瞬态电流脉冲为几百 ns，峰值幅度为4.94 V，同时伴有光、热现象。放电过程是脉冲点火器充电静电能的释放过程，放电电压的波形特征类似于衰减振荡，呈现为幅度逐渐衰减的振铃波，如图13 所示。

图13 脉冲点火器发生的ESD EMP 信号Fig.13 ESD EMP signal generated by the pulse igniter

使用MatLab 软件工具编写程序对空间ESD 300 ns 内5000 个点的时域数据（示波器采样率6.25 GS·s-1）进行快速傅里叶变换，计算得到该次ESD 电压的频域特征如图14 所示。

图14 ESD EMP 信号频域特征Fig.14 Frequency domain characteristics of ESD EMP signals

由图14 中可知，ESD EMP 信号频段主要位于57.5～452.2 MHz 范围，并于83.7 MHz 达到峰值，处于柔性天线的有效检测频段内，且天线检测效果良好，具有较高的灵敏度。

5 结束语

本文开展航天器高压太阳电池阵列ESD 检测用柔性天线传感器的研制，引入PI 材料作为天线柔性基底，并通过对天线检测ESD 信号的性能进行有限元仿真和分析仪实测进行验证，得出结论如下：

1）在300 MHz～2 GHz 频段内，采用矩形贴片天线等效、梯形地平面和CPW 馈线指数渐近线化3 种技术来降低天线VSWR 并扩大带宽。仿真结果显示：弯曲半径分别为100、300、500 mm 以及不弯曲条件下，天线均能保持在300～650 MHz 频段内VSWR＜3；在650 MHz～2 GHz 频段内VSWR＜2，并具有良好的全向辐射特性。

2）根据仿真优化结果制作天线实物。通过矢量网络分析仪进行驻波比测试，结果表明该天线能够稳定地检测ESD 过程辐射的EMP 信号，具有监测航天器ESD 的潜力。

3）搭建ESD 模拟试验平台对柔性天线的EMP信号检测性能进行测试，结果表明柔性天线在弯曲后可以有效检测到ESD EMP 信号，且具有较高的灵敏度。

受实验条件的限制，本文未涉及长期暴露在GEO 恶劣环境下的空间ESD 检测用天线本身易被腐蚀、绝缘破坏等问题，后续会进行相关研究。