面向航天器表面静电放电检测的柔性天线传感器设计

张国治，余坤泉，王 海，张晓星

（1.湖北工业大学 电气与电子工程学院，武汉 430068；2.北京东方计量测试研究所，北京 100094）

0 引言

航天器在轨运行时，其表面会与空间等离子体和高能电子发生电荷相互作用，可能引起不同电位表面之间的静电放电（electrostatic discharge, ESD）[1]，从而造成航天器部件损坏[2-3]甚至威胁航天器在轨安全[4-5]。因此对于航天器静电放电进行有效实时监测具有重要工程意义。

目前针对航天器ESD 检测的研究还较少，更多地关注于航天器ESD 放电信号的变化规律和影响因素，如：仇恒抗等[6]通过研究产生一次放电和二次放电的电压阈值并采取相应的防护措施，提出设计太阳电池阵合理的防护措施来控制静电放电的发生；郝建红等[7]对航天器表面充电效应及电流分布特性进行分析，发现航天器各部位总体电流变化各不相同；Okumura 等[8]开展了航天器太阳电池阵列的静电放电实验，研究了温度对静电放电产生频率和放电起始阈值的影响。有研究表明，航天器发生ESD 时会辐射电磁脉冲信号，其具有较宽的频谱，频段一般为100 MHz～10 GHz[9]，通常会超过1 GHz[10]。目前已有地面模拟航天器静电放电实验得出电磁脉冲信号当中存在特高频段（L、S 波段）信号，且在1～3 GHz 有显著迹象[11]。采用特高频天线传感器检测方法，可有效接收到静电放电所产生的电磁脉冲信号[12]。

目前常用于检测航天器ESD 辐射脉冲信号的天线传感器有对数周期天线[12]、单极子和偶极子天线[12-14]、贴片天线[12]、Wi-Fi 天线[15]、长线天线[16-17]等。但是这些天线存在以下缺点：主要检测低频段的静电放电辐射，难以覆盖高频以上的信号；天线的尺寸过大，不利于安装和使用，再加之现有天线大多以刚性材料作为基底而不易弯曲，难于与航天器的曲形金属外壳贴合，不利于电磁脉冲信号的检测。因此有必要对天线传感器进行系统性优化，设计一种既能满足航天器ESD 辐射的电磁脉冲信号的检测频段要求，又能适应航天器曲形金属外壳的天线。

本文提出一种新型的、将柔性平面等角螺旋天线与阿基米德螺旋天线相结合的、以柔性介质为基底的特高频天线传感器的设计方法；利用ANSYS HFSS 三维有限元仿真软件构建静电放电电磁脉冲信号检测柔性天线仿真模型，对仿真得到的天线驻波比和增益等参数进行分析；并对柔性天线传感器的ESD 检测性能进行实测实验，以验证所设计的天线传感器检测电磁脉冲信号的有效性。

1 天线设计原理

1.1 平面等角螺旋天线

平面等角螺旋天线是一种形状只取决于角度的天线，具有良好的非频变和圆极化等特性[18]；常见的形式有单臂、双臂和四臂[19]。天线每一臂有一定宽度，且每一臂都是由2 条起始相位角不同的螺旋线相交组成。本文天线设计采用双臂等角螺旋结构，2 条螺旋臂由4 条起始相位角不一样的螺旋线相交组成（如图1 所示）。

其中组成1 条螺旋臂的2 条等角螺旋曲线方程为

式中：φ为旋转角；r0为φ=0 时的矢径；a为螺旋增长率；δ为2 条螺旋线起始角的相角差。另一螺旋臂方程可绕轴旋转180°得到：

当δ=π/2 时，导体螺旋臂与螺旋间隙形成自互补结构[19-20]，由巴比涅原理可知，这样的结构可以使天线在较宽频带上的阻抗稳定，有利于阻抗匹配，提高辐射效率。

对于螺旋增长率a来说，当a减少时，螺旋臂曲度增大，电流沿螺旋臂衰减变快。通常a取值为0.12～1.2[21]，当螺旋臂长≥1 个波长时，天线开始呈现出非频变天线特性。

螺旋线的内半径r0与最外缘半径rM共同决定了平面等角螺旋线的工作频带范围[22]，一般取值为

式中λH和λL分别为最高频率和最低频率所对应的波长。

1.2 阿基米德螺旋天线

阿基米德螺旋天线具有良好的宽频带、圆极化、非频变等特性[23-24]，它由具有一定宽度的2 条螺旋臂组成，每臂由内外两侧2 条起始半径不同的阿基米德螺旋线构成，如图2 所示，其中：w为螺旋臂臂宽；d为2 条螺旋臂的间距。

图2 阿基米德螺旋天线结构Fig.2 Structure of Archimedes spiral antenna

其中一条螺旋臂曲线方程为

式中：r0′为天线起始半径；φ为方位角。天线的两臂是以中心为对称的结构，因此天线的另一臂方程可绕轴旋转180°所得：

当w=d时，天线形成了自互补结构，更好地实现了宽频带阻抗匹配。

阿基米德螺旋天线的工作频率由螺旋线的内径和外径共同决定。螺旋线内径2r0与天线最高工作频率有关，螺旋线外径2rM与天线最低工作频率有关，一般取值为

由此可见，如何根据航天器静电放电产生的电磁脉冲信号频段确定合理的螺旋天线的内外径长度是天阿基米德螺旋线传感器设计的关键。

2 天线的设计

2.1 柔性天线的本体设计

由平面螺旋天线基本理论可知：对于等角螺旋天线，当螺旋臂长≥1 个波长时，天线开始呈现出非频变特性；而阿基米德螺天线的主辐射区在螺旋的周长=1 个波长处。因此，当工作在较低频率时这两种天线尺寸都比较大。考虑到阿基米德螺旋和平面等角螺旋的几何特点，在同样的螺旋臂长条件下，等角螺旋天线的外径将远远大于阿基米德螺旋天线的外径，因此将这二者相结合：在天线的中心始端采用等角螺旋天线，使整个天线具有等角螺旋天线的特性；天线外端采用阿基米德螺旋天线，使得螺旋臂长=1 个波长时，天线外径仍具有较小尺寸，从而使整个天线尺寸显著减小[22]。

特高频段为300 MHz～3 GHz，将最低频率代入式(6)，计算可得天线的外径2rM为397.89 mm，这个尺寸过大，不便于携带以及现场检测应用，因此需要对天线进行小型化处理。

由研究可知，由于曲折化后天线两臂上相邻两点的电流相位特性仍保持不变，所以曲折化处理不影响天线的方向图和增益特性[23-24]。目前常用的小型化加载方式有正弦波、锯齿波和三角波等函数[25-28]。本文对天线采用的是正弦波曲折化处理，正弦波曲折臂方程为

2.2 正弦加载小型化处理

式中：b为正弦波振幅；c为每圈螺旋线所含的正弦波周期数。

最终天线结构如图3 所示。天线的中心始端前1.5 圈为平面等角螺旋线，经过参数仿真确定天线正弦波螺旋圈数为5 圈，即从第1.5 圈至第6.5 圈仍采用标准阿基米德螺旋；在第1.5 圈后对等角螺旋线做平滑处理，将平面等角螺旋线平滑地接在阿基米德螺旋线上。

图3 天线本体结构Fig.3 Antenna body structure

为了使天线工作频率能平滑的向低频段过渡，从第6.5 圈后才开始进行正弦波加载。天线本体结构各项参数见表1。

表1 天线本体结构基本参数Table 1 Basic parameters of antenna body structure

2.3 柔性基底

本研究引用柔性基底以解决刚性基底天线不能与航天器金属外壳贴合的问题。正弦加载使天线直径缩小，便于安装，而柔性材料具有可弯曲和质量轻等优点，进一步增加了天线的灵活性和安装的便捷性。

目前常用的柔性基底材料主要有聚酰亚胺（polyetherimide, PI）[29]、聚 四 氟 乙 烯（poly tetra fluoroethylene, PTFE）[30]和 聚 二 甲 基 硅 氧 烷（polydimethylsiloxane, PDMS）[31]等。表2 给出了PI 和常见刚性基地材料FR-4 的基本性能参数。PI 柔性材料具有较低的介电常数和介电损耗，可以有效地提高天线传输信号的速度和效率、降低信号延迟及损耗。因此，本研究选择柔性材料PI 作为介质基地，将天线印制在直径144 mm、厚度0.35 mm 的圆形PI 柔性介质底板上。

表2 材料PI 和FR-4 的基本性能参数Table 2 Basic performance parameters of materials PI and FR-4

2.4 馈电巴伦

本文所设计的平面螺旋天线为平衡结构，因此给天线进行馈电时也应该是平衡馈电。但常见的同轴 连 接 器BNC（Bayonet Nut Connector）和SMA（SubMiniature version A）同轴线属于非平衡馈电线，且其同轴线特性阻抗一般为50 Ω和75 Ω。通过仿真可知，本文中所设计的天线输入阻抗为140 Ω，与同轴线输入阻抗不匹配，因此需要解决平衡-不平衡变换和阻抗变换的问题。

常见的天线馈电巴伦结构有玛春德·巴伦（Marchand Balun[32]）、圆环型巴伦[33]和指数渐变微带巴伦[34-35]等。本研究采用指数渐变微带巴伦馈电结构，其指数渐变线具有良好性能，阻抗沿指数渐变线均匀变化，频带极宽且反射系数小[36]。

所设计的巴伦结构如图4 所示，其始端W0和W1接50 Ω 同轴馈电线，末端W2接140 Ω 螺旋天线；其基本参数见表3。巴伦印制在FR-4 刚性介质底板上；介质的介电系数为4.4，底板厚度为3 mm。

表3 巴伦结构基本参数Table 3 Basic parameters of the Balun structure

图4 设计的天线馈电巴伦结构Fig.4 Feed Balun structure of the designed antenna

电压驻波比（VSWR）是指波腹和波节电压的比值，是用来表征传输线特性阻抗与天线输入阻抗匹配程度的参数，表示为：

当VSWR=1，即Γ=0 时，天线输入处无反射，为理想的匹配状态，但这在实际工程中是不可能实现的；当VSWR=∞，即Γ=1 时，呈全反射，为失配状态。电压驻波比是衡量馈线和天线阻抗匹配状态优劣的重要指标，一般认为：当VSWR＜2 时，系统匹配情况优秀；当VSWR＜3时，系统匹配情况良好。

为更好地模拟航天器曲型外壳，使用ANSYS HFSS 三维有限元电磁仿真软件在0～3 GHz 频率范围内对天线进行仿真，得到的电压驻波比曲线如图5 所示。可以看出：在弯曲半径分别为0、150 mm

图5 仿真VSWR 曲线Fig.5 Simulation curve of VSWR

3 天线性能

3.1 驻波比

条件下，天线在0.05～3 GHz 频率范围内其VSWR＜5，在0.1～3 GHz 频率范围内VSWR＜2，能覆盖全部频率范围，整体效果符合工程要求。由此可知本文设计的天线即便发生弯曲，其驻波比并不受影响，仍具有良好的辐射特性，能很好地适应航天器的曲面外壳。

3.2 天线增益

天线增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。

天线方向图是表示天线的辐射参量在空间中不同方向分布的图形。在实际工程中，天线向空间中辐射并不是均匀的。本文测试了天线在6 个频点（0.8、1、1.5、2、2.5 和3 GHz）下两个相互垂直的E面和H面的方向图，分别如图6 和图7所示。

图6 天线E 面方向图Fig.6 E-plane radiation pattern of the antenna

图7 H 面方向图Fig.7 H-plane radiation pattern of the antenma

由图6 和图7 可以看出：在弯曲半径为0、150 mm 条件下，天线在E面与H面方向图呈倒“8”字型，整体分布较好；在同一弯曲条件下，天线增益随频率增加而提高，6 个频点下的增益均大于0，在2.5 GHz 下增益能达到5.18 dB；在同一频点下，天线在不同弯曲条件下对天线增益的影响不明显，可以很好地接收静电放电产生的电磁辐射脉冲信号。

4 实验测试验证

4.1 实验平台搭建

为验证柔性天线检测航天器静电放电信号的实际性能，搭建了ESD 模拟实验平台（如图8 所示），设置静电放电脉冲点火器来模拟ESD 源，信号采集装备为泰克高性能数字示波器（Tektronix*MS044，采样率6.25 GS/s，带宽1.5 GHz）。

图8 航天器ESD 信号检测实验平台Fig.8 Experimental platform for spacecraft ESD signal detection

4.2 天线性能测试

实验验证弯曲半径分别为0 mm 和150 mm 的天线传感器的ESD 信号检测性能。将柔性天线传感器置于距离模拟ESD 源3 m 处，当模拟ESD 源发出静电放电信号时，柔性天线传感器采集到的放电信号波形分别如图9(a)和图9(b)所示，可见：当弯曲半径分别为0 mm 和150 mm 时，天线传感器采集到的放电信号幅值最大值分别为0.15 V 和0.18 V，且均在2 μs 后衰减至背景水平。

图9 柔性天线弯曲半径分别为0 mm 和150 mm 时的实测ESD 信号Fig.9 ESD signals of the flexible antenna measured at bending radii of 0 mm and 150 mm respectively

实验表明，不同弯曲半径的柔性天线传感器都能很好地接收ESD 信号，并清楚地识别出ESD 信号和背景噪声信号，且接收的信号衰减特征相同。因此，所设计的柔性天线传感器能明显地检测到放电信号，且不同的弯曲半径对柔性天线传感器的检测性能没有明显影响。

进一步对柔性天线传感器采集到的信号进行频谱分析。图10 所示为背景噪声频谱，可知电磁噪声主要干扰频点为100 MHz 和1.56 GHz。图11所示为柔性天线在弯曲半径分别为0 mm 和150 mm时的电磁ESD 信号频谱，其中，模拟ESD 源所辐射信号主要为30～600 MHz。频谱分析表明，所设计的柔性天线传感器在ESD 信号频段内的响应良好，可以精确获取ESD 信号特征，满足设计要求。

图10 背景噪声频谱Fig.10 Background noise spectrum

图11 实测ESD 信号频谱Fig.11 Measured spectrum of ESD signals

5 结束语

航天器在发射和在轨运行过程中会产生静电放电现象，此过程中会辐射出电磁脉冲信号。为实现对航天器ESD 的监测，本文提出一种柔性天线传感器的设计：采用特高频法；将平面等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线相结合，并引入PI 柔性材料作为天线基底。通过仿真和实验得到以下结论：

1）天线在弯曲半径分别为0 mm 和150 mm 条件下，在50 MHz～3 GHz 频段内均能保持VSWR＜5，在100 MHz～3 GHz 频段内均能保持VSWR＜2，能完全覆盖静电放电产生的电磁辐射脉冲信号的频段；且增益在多个频点上均大于0，具有良好的辐射特性，灵敏度较高，满足ESD 信号检测需求；

2）实测结果表明，设计的柔性天线传感器在弯曲半径分别为0 mm 和150 mm 时均能有效检测ESD 信号，可应用于实际工程。

本文所设计的天线克服了以往天线不能弯曲的不足，为设备内置式天线传感器设计提供了新思路；但仍具有较大的巴伦结构。下一步还需继续优化柔性天线本体螺旋结构，降低天线输入阻抗，减小巴伦结构，使其更便于安装和使用。