用CST软件仿真替代部分卫星RM测试的可行性研究

杨小勇 牛小龙

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

1 引言

在卫星天线分系统研制过程中,多采用全尺寸辐射模型星(RM 星)[1]测试的方式对初样电性设计结果进行试验验证。该项测试在天线分系统的研制过程中起到了非常重要的作用。但是,由于RM 测试具有试验周期长、试验成本高、获取数据量有限等缺点,随着型号研制任务的增多,已不允许对每颗卫星天线分系统设计进行RM 测试。在这样的条件下,各种电磁场仿真软件应运而生。环境减灾-1A、1B[2]采用了CST-MWS 软件[3]。CST-MWS 软件是目前唯一一种采用全波分析方法进行电大尺寸问题分析的仿真软件,它采用时域有限积分法[4],能对100个波长以内的电磁场问题进行全波分析求解。通过CST-M WS 软件分析是否能够取代部分RM 测试的工作,起到设计验证的作用,同时节约研制成本,缩短研制周期,是亟待回答的问题。本文通过将分析结果与测试结果进行对比的方式回答以上问题。

2 论证过程设计

2.1 流程设计

论证过程分两大部分:

1)软件仿真分析,包括单元天线仿真和星体仿真;

2)对仿真模型进行验证测试,包括单元天线方向图测试和星体方向图测试。其中星体方向图的仿真与测试包括增益方向图和轴比方向图。

2.2 模型的选择

验证模型选择了某卫星全向天线,该天线为S频段背射双线螺旋天线[5]。单元天线及星体仿真模型如图1～3 所示。

图1 天线仿真模型Fig.1 Antenna simulation model

图2 卫星仿真模型Fig.2 Simulation model of satellite

该卫星采用的是我国东方红三号卫星平台,卫星突出于星体的设备很多,全向天线的电磁边界复杂。

为确保验证的有效性,以上模型均完全按照真实设计结果进行建模。由于天线为半球覆盖波束,星体安装面的另一面对天线辐射特性的影响可以忽略,所以在最终计算模型中将另一半星体截掉,不影响分析结果。卫星仿真模型图中-Y 方向为Φ=0°, +Z 方向为Φ=90°。

星体测试模型直接选用了该卫星的完整结构进行,星体表面设备完整。

2.3 测试验证设计

单元天线的测试在半开口暗室进行,测试采用圆极化天线照明[6],直接得到天线单元的圆极化方向图。

星体方向图的测试选择在紧缩场进行[7],该测试场经过各方验收,专门用于卫星条件下天线系统性能的测试工作。测试通过对两个正交线极化分量测试结果进行线-圆变换,得到需要的覆盖增益特性及轴比特性。

3 单元天线增益仿真与测试对比

确保单元天线的仿真分析精度是星体仿真分析的前提和基础。单元天线增益测试结果与仿真结果比较如图4 所示,由图可知其一致性很好,满足星体仿真条件。

图4 单元仿真与测试(圆极化)(f=2 220M Hz)Fig.4 Test result and analysis result for unit(f=2 220MHz)

4 星体条件下增益仿真与测试对比

图5～12 分别为每间隔22.5°不同子午面的增益方向图测试与分析结果,其中左侧为测试结果,右 侧为仿真分析结果。

图5 φ=0°面测试结果与仿真结果对比Fig.5 Test result and analysis result of gain for φ=0°plane

图7 φ=45°面测试结果与仿真结果对比Fig.7 Test result and analysis result of gain for φ=45°plane

图8 φ=67.5°面测试结果与仿真结果对比Fig.8 Test result and analysis result of gain for φ=67.5°plane

图9 φ=90°面测试结果与仿真结果对比Fig.9 Test result and analysis result of gain for φ=90°plane

图10 φ=112.5°面测试结果与仿真结果对比Fig.10 Test result and analysis result of gain for φ=112.5°plane

图11 φ=135°面测试结果与仿真结果对比Fig.11 Test result and analysis result of φ=135°plane

图12 φ=157.5°面测试结果与仿真结果对比Fig.12 Test result and analysis result of gain for φ=157.5°plane

由测试与分析的比较结果可以看出,软件分析结果准确地反映出了天线位于星体上的增益覆盖特性。仿真分析精度满足天线设计验证工程应用要求。

5 星体条件下轴比特性仿真与测试对比

图13～20 分别为每间隔22.5°不同子午面的主瓣方向轴比方向图测试与分析结果,图中虚线为仿真分析结果,实线为测试结果。

由测试与分析的比较结果可以看出,软件分析结果准确地反映出了天线位于星体上的轴比特性。仿真分析精度满足天线设计验证工程应用要求。

6 结论

图13 φ=90°面轴比特性仿真与测试比较Fig.13 Test result and analysis result of AR for φ=90°plane

本文对比了某卫星全向天线的CST-MWS 软件分析结果和RM 测试结果,通过比较可知,在仿真模型精度能够得到保证的前提下,CS T 软件RM仿真分析结果的准确性满足RM 星设计验证要求。环境减灾-1A、1B 卫星天线分系统完成的RM 星仿真分析结果是正确的,用CS T 软件仿真分析替代部分RM 测试工作也是可行的。将CS T-M WS 软件工具广泛应用于宽波束天线的星体覆盖特性的仿真分析,对于提高航天器天线研制水平,节约研制成本,进一步缩短研制周期,具有重要意义。

图14 φ=112.5°面轴比特性仿真与测试比较Fig.14 Test result and analysis result of AR for φ=112.5°plane

图15 φ=135°面轴比特性仿真与测试比较Fig.15 Test result and analysis result of A R for φ=135°plane

图16 φ=157.5°面轴比特性仿真与测试比较Fig.16 Test result and analysis result of AR for φ=157.5°plane

图17 φ=180°面轴比特性仿真与测试比较Fig.17 Test result and analysis result of AR for φ=180°plane

图18 φ=202.5°面轴比特性仿真与测试比较Fig.18 Test result and analysis result of A R for φ=202.5°plane

图19 φ=225°面轴比特性仿真与测试比较Fig.19 Test result and analysis result of AR for φ=225°plane

图20 φ=247.5°面轴比特性仿真与测试比较Fig.20 Test result and analysis result of AR for φ=247.5°plane

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[1]谭维炽, 胡金刚.航天器系统工程[M].北京:中国科学技术出版社, 2009

[2]余勇.环境卫星大解密[J].环境, 2008,10

[3]张敏.CST 微波工作室用户全书[M].成都:电子科技大学出版社,2004

[4]Weiland T.Time domain electromagnetic field computation with finite difference methods'International journal of numerical modeling electronic networks , devices and fields[J].1996,9:295-319

[5]叶云裳.航天器天线[M].北京:中国科学技术出版社,2007

[6]毛乃宏, 俱新德.天线测量手册[Z].北京:国防工业出版社,1987

[7]张晓平.天线航天器紧缩场测试技术研究[J].航天器环境工程, 2006, 23(6)