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飞行器天线

[拼音]:feixingqi tianxian

[外文]:flight vehicle antenna

飞行器上用来辐射和接收无线电波的装置。

分类

飞行器天线可按工作原理、用途、工作波段、飞行器和使用范围等进行分类。根据用途分为发射天线、接收天线和收发天线。按飞行器分为航天器天线、导弹天线和飞机天线。根据使用的频率范围分为长波、中波、短波和超短波(米波、分米波、厘米波、毫米波)天线。分米波、厘米波和毫米波天线又统称为超高频天线。根据工作原理和结构分为细导线天线、声学天线、喇叭天线、光学天线(反射器天线和透镜式天线)和表面波天线。若干同一类型的天线按一定方式排列组成的总体称为天线阵。天线阵有直线(一维)天线阵和平面(二维)天线阵等。天线阵可形成各种形状的方向图(通常为窄波束)并可改变方向图的空间位置。

工作原理

发射天线将振荡器(发射机)送来的交流电磁能变为向一定空间传播的电磁波(无线电波)能量。接收天线从周围空间获取电磁波能量,并将它传送给接收设备。一般地说,天线尺寸对波长的比值越大,获得的能量也越大。天线具有互易性,作发射或接收时参数不变。对天线参数的要求决定于无线电电子设备的用途。

主要参数

天线的主要参数有:方向图、效率、方向性系数、增益系数、抗干扰系数、极化、和输入阻抗等。

方向图

表示天线的方向性能,是接收到的(或辐射出去的)信号功率或场强值与空间位置角的关系图。方向图具有波瓣特性。最大的波瓣叫做主瓣,其余的叫旁瓣和后瓣(图1 )。根据方向图的形状,天线分为非定向天线(全向辐射)、弱定向天线(波瓣角为数十度)和锐定向天线(波瓣角为数度)。定向发射天线的主瓣应尽量窄,以集中辐射功率;接收天线的旁瓣则应尽量小,以减少来自其他方向的干扰信号。天线主瓣按一定规律在空间反复运动称为天线波束扫描(摆动)。

效率

天线辐射功率对发射机输出功率之比。

方向性系数

表示当由定向天线转为假想的全空间均匀辐射时,为使接收点的电场强度保持不变,辐射功率应增加的倍数。

增益系数

方向性系数与效率的乘积。

抗干扰系数

主瓣增益系数与最大旁瓣增益系数的比值。

极化

天线的极化特性可用空间位置上电场矢量的端点随时间变化的轨迹来描述。极化分圆极化和线极化,都可视为椭圆极化的特例。圆极化因电场矢量的旋转方向不同可分为右旋圆极化和左旋圆极化。左旋和右旋圆极化是正交的,相互垂直的两个线极化也是正交的。天线与电磁波极化方向一致时(极化匹配)能达到最大能量传输,而正交时无能量传输。可利用天线和电磁波的正交极化特性实现频率复用,使通信容量倍增。

输入阻抗

天线输入端等效电压与电流之比值。

频率特性

天线参数与工作频率的关系。

飞机天线

主要分通信天线、导航天线和雷达天线。其工作频率从长波、中波、短波直到微波波段。飞机天线应体积小、重量轻、强度高,并做成流线型或隐蔽式或共形,以减小对气动性能的影响。一架现代飞机通常装有一、二十种天线。通信天线依飞行距离远近而异。远程飞机采用高频波段,利用电波经电离层的一次或多次反射实现几百至几千公里的超视距无线电通信,还可以在微波波段借助于卫星中继实现远距离通信。低速飞机用张线天线(飞机本身是辐射器),高速飞机用扁平回线天线。近距离通信天线工作在甚高频和超高频波段,使用马刀天线或印刷天线。导航天线依不同用途采用各种形式的天线,如环状天线与单极子组成的无线电罗盘天线、空腔天线、 V形振子和平衡式环形天线、半波振子和隐蔽式喇叭天线等。雷达天线采用缝隙阵列、卡塞格林(双反射面)天线、抛物面天线、合成孔径天线和相控阵天线等。

导弹天线

导弹上的天线用于制导、引信、遥测和自毁。其形式有:圆极化平面螺旋或喇叭天线、线极化开槽天线、圆波导天线、抛物面天线、平板波导天线阵、印刷天线、振子天线等。导弹天线在设计上的特殊要求是:

(1)外露式振子天线或非突出的天线尺寸小、重量轻;

(2)有足够的机械强度和刚度,能承受高达数百个g的过载;

(3)能在气动加热的高温条件下可靠地工作(导弹鼻锥部分的温度可达几千摄氏度),一般采用耐热结构材料或防热方法,如在天线上涂防护材料绝热层;

(4)尽量避开或减少等离子体对天线性能的影响(阻抗失配、方向图畸变、电波严重衰减等);

(5)有足够高的电击穿强度。

航天器天线

航天器上的天线多至几十种,有的尺寸比航天器本体还大,有的就是航天器大部分表面。航天器天线型式多种多样,工作频率从甚低频到毫米波段。不控制对地姿态的航天器,天线方向图应具有全方向性,如相位旋转激励的四根振子天线。自旋轴对地恒定的航天器,其天线方向图为“8”字形旋转体,例如双锥天线或多元圆形阵列。机械消旋或电子消旋技术可使天线窄波束恒指地面,用于通信或气象数据传输。“阿波罗”号载人飞船上有 15种天线(图2),分别装于指挥舱、服务舱和登月舱上,供飞船与地面、舱与舱、飞船与登月航天员、月面与地面之间联络用。航天器天线除常规要求外,还须适应下列特点:

(1)航天器姿态和轨道变化很大,且与地面距离很远,故其天线和地面天线两者均宜为圆极化而且旋向一致。

(2)航天器在发射时速度极高,如无整流罩,则天线应有良好的气动外形,或采用平装式,以减小气动阻力和气动加热。运载火箭限制了天线尺寸,故大天线在航天器发射时处于压紧状态,入轨后弹开。轻型网状结构反射面天线可由折叠状态伸展到工作状态,伸缩比达20以上。为保证天线有足够视野,天线往往用支杆撑出离开航天器。为避免对航天器姿态的干扰,应尽量减少天线的活动部分,力求力矩或转动惯量最小。反射面天线用网状结构可减轻太阳辐射压力。

(3)空间失重环境有利于采用大型伸展结构天线。

(4)空间真空度很高,长期工作的天线所用有机材料的分子逸出会使性能变坏。

(5)大型抛物面天线因温度交变有可能变形,导致天线增益下降。 如一些空间探测器的天线温度变化范围达-200~+75°C,需要采用石墨纤维-环氧树脂面板和铝蜂窝夹层结构等接近零膨胀系数的复合材料作反射面。

(6)空间带电粒子辐射会影响天线材料性能。

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文章名称:《飞行器天线》
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