航空发动机旋转件遥测天线研究与实现_赖小皇.pdf

书书书第 46 卷 第 1 期2023 年 2 月电 子 器 件Chinese Journal of Electron DevicesVol.46No.1Feb 2023收稿日期:20211129修改日期:20220215esearch and Practice of Telemetry Antenna for Aeroengine otating PartsLAI Xiaohuang*，GUO Daoyong，ZHONG Ming，SU Xizhi，CHEN Xiang(AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Mianyang Sichuan 621010，China)Abstract:Taking the high-speed rotating non-contact signal transmission technology of aeroengine as research object，relying on DatatelF telemetry system，an overall test scheme for aeroengine rotating parts parameters is formulated，and a design method of 134 GHz17 GHz transmitting/receiving antenna is proposed The transmitting/receiving antenna model after packaging are established based onANSYS HFSS The variation law of S parameters with packaging medium thickness，loss tangent and dielectric constant is analyzedA set of telemetry rotor/stator engineering application device is formed Laboratory test results show that the measured S parameters arein good agreement with the simulation results The results of high-speed rotating test indicate that the device has high reliable signaltransmission ability under the condition of rotating speed 20 000 r/min and spacing 10 mm Compressor test results indicate thatthe device can apply to the complex working conditions of compressor speed 20 000 r/min and assembly spacing of 237 mmKey words:aero-engine;F telemetry;signal transmission;transmitting antenna;receiving antennaEEACC:5270doi:103969/jissn10059490202301001航空发动机旋转件遥测天线研究与实现赖小皇*，郭道勇，钟明，苏曦之，陈香(中国航发四川燃气涡轮研究院，四川 绵阳 621010)摘要:以航空发动机高速旋转件非接触信号传输技术为研究对象，依托 Datatel 射频遥测系统，制定出一种航空发动机旋转件参数总体测试方案，提出一种 134 GHz17 GHz 的发射/接收天线设计方法。基于 ANSYS HFSS 建立封装后的发射天线模型和接收天线模型，分析 S 参数随封装介质厚度、损耗角正切及介电常数的变化规律，形成了一套遥测转/静子工程应用装置。实验室测试结果表明:S 参数实测与仿真结果较为吻合;高速旋转台测试结果表明:该装置在转速20 000 r/min，轴向间距10 mm状态下，具备高可靠信号传输的能力;某型航空发动机压气机试车结果表明:该装置能可靠应用于航空发动机压气机转速20 000 r/min，装配轴向间距为 237 mm 的复杂工况条件。关键词:航空发动机;射频遥测;信号传输;发射天线;接收天线中图分类号:V2337文献标识码:A文章编号:10059490(2023)01000109航空发动机高速旋转件应变、温度等参数的测试对先进发动机研制起着至关重要的作用13，航空发动机转子叶片在高速转动条件下，受到复杂的动载荷作用45，其引起的振动往往伴随着裂纹、折断等故障的产生67;旋转盘腔内复杂流动结构也使得温度测试困难重重89，实时监测旋转叶片的应变及盘心温度可以起到安全预警和评定旋转件可靠性的作用。高速旋转件参数测试通常采用非接触测试的方法10，目前，国外已具有成熟的遥测系统应用于航空发 动 机 测 试 领 域1112，如:德 国 的Manner、Datatel 及英国的 otaData 等公司13。由于otaData 公司的 PCM/FM 传输系统是把传感器采集到的数据汇总后由一个光电通道或者 12 个射频通道发射出去，这样的设计方案在安全冗余度和系统稳定性方面存在极大的风险，而 Datatel 系统则采用模块化的设计方法，各模块使用相互独立的通信信道，即使某一路信道出现故障，其余信道仍可正常工作。Datatel 系统凭借这种优势，广泛应用于各型号发动机旋转件参数的测试。本文依托 Datatel系统，提出一种 134 GHz17 GHz 的发射/接收天线设计方法，形成了一套遥测转/静子工程应用装置，通过旋转试验验证了该装置的工程可行性，最终成功应用于某型发动机转子叶片应变及盘心温升参数的测试。1总体系统设计通常，发动机旋转件上的应变/温度测点数量均20 个，由于每个 Datatel 发射机模块仅包含 10 个电子器件第 46 卷应变采集通道与 10 个温度采集通道，设计一种通用类型的包含两模块 Datatel 发射机的遥测转/静子件，使之与各型号发动机兼容。遥测系统由遥测转/静子件、感应供电激励器及地面站四个部分组成，如图 1 所示。遥测转子件包括发射机、整流模块、发射天线、感应供电线圈、传感器引线电路板等部件，遥测静子件包括接收天线、感应供电线圈等部件，如图 2所示。感应供电线圈实现遥测转/静子件间非接触电能的传输，整流模块将交流电转换为直流电为发射机供电，发射机实现传感器信号采集、调制等功能，发射天线以特定频率将发射机调制后的射频信号向空间发射电磁波，接收天线接收特定频率范围内的电磁波信号，传感器引线电路板用于将发射机、整流模块、感应供电线圈及传感器引线集成至转子件内。以下重点对遥测转/静子件中集成的发射/接收天线进行设计并测试。图 1总体设计框图图 2射频遥测系统框图2天线设计与封装介质影响分析为匹配 Datatel 发射机调制后的射频频率，设计的发射/接收天线工作频率应位于 1 34 GHz 17 GHz范围内。当发动机转子作高速旋转时，发射天线随转子转轴做高速圆周运动，为避免不同发射机间的串扰，在 134 GHz17 GHz 范围内选取两个不同频率作为两个发射天线的谐振频率，接收天线同时接收两个发射天线通过不同直射、反射、折射等路径传输过来的信号。针对应用到航空发动机转/静子部件的特殊应用场景，将发射/接收天线分别集成至遥测转/静子件内进行封装处理，基于此应用场景采用 ANSYS HFSS 建模并仿真，通过控制变量法分别对封装介质在不同厚度 d、介电常数、损耗角正切 tan 变化时对发射/接收天线 S 参数带来的影响进行分析，如图 3 所示。图 3封装介质参数对天线 S 参数的影响2第 1 期赖小皇，郭道勇等:航空发动机旋转件遥测天线研究与实现21发射天线设计发射天线采用背馈式圆弧微带天线进行设计1314，从微带天线特性可知，只要天线形状一定，天线的谐振频率也就随之确定15，天线尺寸确定以后，改变馈电点位置，天线的谐振频率变化很小，而天线的回波损耗随着馈电点位置的改变有明显的变化，因此，可以通过改变天线馈电点位置的方法来得到预期的回波损耗，对于天线谐振频率所出现的偏差，只需要小范围调整天线的尺寸便可修正16。将两个微带天线布置在同一半径的圆环介质基板上，构成两个不同频率的发射天线。具体地，发射天线可近似为背馈式矩形微带天线进行设计，如图 4 所示，设计步骤如下:图 4背馈式矩形微带天线顶视图确定介质基板的有效介电常数 e:e=r+12+r121+12hW()1/2(1)式中:r为介质基板的相对介电常数，h 表示介质基板的厚度，W 表示微带贴片的宽度。确定矩形微带天线的实际长度 L:L=c2f01槡e0412h(e+03)(W/h+0264)(e0258)(W/h+08)(2)式中:其中 c 表示光速，f0表示工作频率。确定矩形微带天线的馈电点位置 Xf:Xf=L2r+12+r121+12hL()1/槡2(3)22封装介质对发射天线特性的影响分析选用的介质板材为 F4，其相对介电常数 r=5，厚度 h=12 mm，宽度 W=3 mm，工作频率 f0=15 GHz，根据式(1)式(3)，在 ANSYS HFSS 内进行建模仿真并优化，设计的发射天线如图 5 所示，得到如表 1 所示的参数。由于两个发射天线对称分布，以下对影响发射天线一端口的因素进行仿真分析。表 1发射天线参数sr1/mmsr2/mmpr1/mmpr2/mmfeedx1/mm24308255285267feedy1/mmfeedx2/mmfeedy2/mmtheta1/()theta2/()37267410261098图 5发射天线顶视图取封装介质损耗角正切 tan=003，相对介电常数=385，回波损耗 S11随厚度 d 的变化关系如图 6所示。图 6回波损耗随封装介质厚度的变化关系根据图 6 的仿真结果可知，随着封装介质厚度的增加，天线谐振频率及阻抗带宽逐渐减小。取封装介质损耗角正切 tan=003，厚度 d=11 mm，回波损耗 S11随介电常数 的变化关系如图 7 所示。图 7回波损耗随封装介质介电常数的变化关系根据图 7 的仿真结果可知，随着封装介质介电常数的增加，天线谐振频率及阻抗带宽逐渐减小。3电子器件第 46 卷取封装介质厚度 d=11 mm，介电常数=385，回波损耗 S11随损耗角正切 tan 的变化关系如图 8所示。图 8回波损耗随封装介质损耗角正切的变化关系根据图 8 的仿真结果可知，增加封装介质的损耗角正切对天线谐振频率无明显影响，但随着损耗角正切的增大，天线阻抗带宽逐渐增大。综合以上分析，选取介电常数=385，损耗角正切 tan=003 的封装胶对设计的发射天线进行封装，封装厚度取 11 mm，对应的发射天线一端口谐振频率为 1491 GHz，阻抗带宽为 261 MHz。23接收天线设计接收天线采用圆环行波天线进行设计，其具有很宽的带宽1719，为避免行波天线反射波的产生，在天线末端引入匹配负载电阻用于吸收剩余电磁能量。此外，将接收天线圆环开口长度最小化以避免圆环开口带来的阴影效应，设计的接收天线如图 9所示。图 9接收天线顶视图24封装介质对接收天线特性的影响分析选用的介质板材为 F4，其相对介电常数 r=5，厚度 h=12 mm，宽度 W=3 mm，取接收天线的微带贴片半径与发射天线半径一致，在 ANSYS HFSS内进行建模仿真并优化，得到的主要参数如表 2 所示。以下对影响接收天线的因素进行仿真分析。表 2接收天线参数sr1/mmsr2/mmpr1/mmpr2/mmgap/mm feed/mm2453625257283397315取封装介质损耗角正切 ta