航天器天线技术的特点和进展.pdf

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中国空间科学技术CHINESESPACESCIENCEANDTECHNOLOGY1986年12月第6欺航天器天线技术的特点和进展王爵骇（空间飞行器总体设计部）一、前-j.两航天器天线亦称空间飞行器天线,用于卫星、一飞船、空间站和深空探测器。

天线按功能分类有遥测、指令、跟踪、测速、数据中继、通信广播、科学探测、遥感、测向、交会雷达、着陆导航等等,其型式多种多样,工作频率从甚低频到毫米波段。

航天器天线有时比航天器本体大得多（例如ATS一6,TDRs）,有时几乎就是航天器大部分表面（例如Transit一1）。

APon。

飞船有15类天线分别装于指令舱、服务舱和登月舱,作为飞船与地面、舱与舱、飞船与登月宇航员飞以及月面与地面之间的多种无线电联络用,其部分天线示于图1。

计划以航天飞机重复运输部件,可在空间组装直径达1公里以上的大型天线阵列,用于卫星太阳能微波电站;一种卫星绳系天线长达100公里,工作于极低频,能与海底进行通信。

未来航天器天线的功能将更加完备,种类将更为复杂;有些天线将愈加庞大,而地面天线则愈为灵巧简便。

二、航天器天线的特点图1阿波罗飞船的部分天线航天器天线作为能量转换装置,应注意高效率、高可靠度与长寿命,其特点如下。

1.天线的方向图类型“全方向图形”用作对全空间覆盖,它适用于姿态对地面任意的航天器。

超高频测控跟踪天线常用相位旋转激励的连根振子组合,以获得全方向图。

当航天器内仪器工作失常或姿态翻滚,须接收应急指令恢复正常工作或自行炸毁,此时要求指令天线具有全方向图形。

自旋稳定而旋轴平行于地面的卫星,其天本文修改稿于86年5月2旧收到1986年12月中国空间科学技术忍续线应有“8”字形旋转体的弱方向图形。

微波双锥天线或双圆盘天线属此类型。

另一型式是在卫星柱形或球形表面布置同相等幅阵列,阵元数有时多至128个,亦能获得类似上述图形.用轴旋对称的弱方向图时有大量功率浪费,如采用机械或电子消旋天线使波束恒指地面,则可克服此缺点。

覆球波束半功率宽度应大于17.3,此种波束属于“窄波束”范畴。

三轴稳定式静止卫星如要获得此种波束,自不必采用消旋天线。

“点波束”亦称“强定向波束”或“笔形波束”,它用于卫星和地面小区域之间,或两颗数据中继卫星之间的无线电联络。

现时最窄的波束宽度为0.26。

系由“跟踪和数据中继卫星（TDRs）”上的抛物面天线所产生。

“扇形波束”的方向图横切面为长椭圆形,它用于卫星和地面长方形区域之间的无线电联络。

遥感卫星上使用此种天线,由于波束窄而提高分辨率,旁瓣电平低而减少无用信号。

近地卫星和地面各点的距离变化悬殊,当天线波束形状为倒置的近似“凹”形旋转体时,在距离大的方向增益大,距离小的方向增益小,于是覆盖区内增益大致均匀。

这种特定形状的弱方向性波束称为“赋形波束”。

但是,常称的赋形波束则指下述情况。

“赋形波束”又称“成形波束”,用于卫星和地面特定版图之间的无线电联络。

例如通信广播卫星天线,其波束横截面形状应与国土形状相吻合。

对于中国版图而言,简单的赋形波束形状可为椭圆。

如用2波束、3波束乃至更多波束合成,可获得较好的赋形。

2.天线的相位方向图如果天线辐射场相位值不随方向变化,则相位方向图为球面,球心称为“相位中心”。

如相位方向图不是球面,则天线无相位中心。

多波束赋形天线用馈源阵列激励抛物面时,阵元应有各自的相位中心并偏焦于特定位置,方可使二次波束在空间合成获得良好赋形。

星载天线的相位方向图还和卫星的测速精度有关。

卫星运动使地面站接收到的频率异于卫星天线发射频率（称为“多普勒效应”）,产生频偏,由此可获得卫星相对于地面站的速度分量。

多站接收可获得速度矢量。

但由于天线辐射场相位随方向变化,而卫星姿态滚动与俯仰又随时间变化,于是相位将随时间变化而产生所谓“附加频偏”,导致测速精度下降。

显然,如天线相位方向图较为平坦,附加频偏才不致对测速精度有较大影响。

电离层对测速精度也有影响,此影响在双频测速体制时较单频测速为小。

3.天线与电磁波的极化椭圆极化波可分解为相互正交的两线极化分量,可称其一为垂直极化、另一为水平极化。

当此两分量大小相等而相位差为90或270,则椭圆极化波成为圆极化波（有左旋和右旋之别）。

垂直极化天线只发射或接收垂直极化波,右旋圆极化天线只发射或接收右旋圆极化波。

（l）在星载线极化天线情况下,如卫星姿态任意且位置移动,则地面线极化天线接收到的信号因极化失配而有大的起伏。

此时地面应采用圆极化天线以使信号稳定,但仍将有3分贝极化损失而使作用距离缩小到原值的。

.707。

较好的办法是卫星和地面均采用左旋或右旋圆极化天线。

然而卫星天线不可能在其覆盖区内都有良好的圆极化辐射,大部分区域是椭圆极化,它与圆极化地面天线之间仍有部分极化失配。

当地一面天线采用“极化跟踪”技术时,其极化状态可自动调整以与来波匹配;此时虽然地面天线系统复杂,但可不必顾虑来自卫星天线的电波极化状态。

咬2）垂直与水平极化互称或合称交叉极化,左旋与右旋圆极化亦互称或合称交叉极化:

中国空间科学技术1986年12月在波束中,常有交叉的两个极化场。

当卫星天线波束中只用某一极化场载送信息时,其交叉极化场电平应尽量低,以免功率损失。

当波束中用交叉两极化场同时载送各自信息时,各自的交叉极化场也应尽量低,以免信息互扰。

（3）卫星天线的线极化波穿过电离层到地面时,极化面将旋转一角,这种“去极化（depolarization）”现象称为“法拉第效应”。

偏转角通常反比于频率二次方,故频率愈低转角愈大。

如地面天线采用线极化,则能由极化偏转角探测电离层电子浓度;为此,卫星天线的线极化纯度应高。

卫星天线的圆极化波通过对流层时将变为椭圆极化,也称为去极化效应,它使功率有所损失,频率高于loGH:

时尤为显著。

（4）卫星有源遥感天线的发射一接收极化常具有各种组合（组合HV表示天线发射水平极化波并接收垂直极化波;尚有HH、VV组合）,如此可获得地面反射的较多信息。

4.空间环境对天线的制约（l）航天器天线应能经受振动、冲击和离心加速度规范。

航天器在发射时如无整流罩,则其天线应具有良好的气动外形以减小气动牵引与加热。

（2）天线应能防止空间低气压电击穿。

（3）空间失重有利于使用大型天线,但此天线在地面作结构试验时须模拟失重状态。

（4）为保证天线有足够视野,常用支杆将天线撑出,离开航天器.（5）天线的活动部分应尽量少,并保持最小转动惯量.网状反射面天线能减轻太阳辐射压力。

这些均可减小天线对航天器姿态干扰。

（6）空间真空度高达133x（10一10一”）Pa,须防止天线所用有机材料的分子逸出使性能变坏。

天线旋转部件应有低蒸气压液态润滑剂,并采用迷宫式封闭系统以防其挥发.（7）真空中日照和阴影效应使大型抛物面因温度交变而变形,导致增益下降（G_62_._“_“_._._“”4示分贝,入为工作波长,6为形状偏差）。

因此,天线应采用热稳定性高的复合材料。

温度交变也会使尺寸小于波长的线状天线的电性起变化,因为此种天线的频带较窄。

（8）空间高能粒子辐射可影响天线材料性能:

但流星和尘粒的运动撞到天线的概率甚/J、。

（9）返回型航天器周围空气因高温而形成的等离子体鞘使电波屏蔽和衰减,天线阻抗严重失配,方向图严重畸变。

为此常采用平装式防热天线,或用隐蔽式天线,在等离子体消失后天线方弹出工作。

三、航天器总体与天线的关系1.航天器天线在电性能、机械结构、温度控制以及总体布局之间,往往互为矛盾。

例如,减小天线尺寸会使其效率下降,使用耐热材料会使重量增加。

天线布局受卫星形状和表面位置限制,但根据天线功能、工作频率和卫星轨道姿态,天线又必须放在特定位置。

多种天线相互为邻,在电性上各种天线不可自相妨碍。

太阳电池板会影响天线工作,而天线阴影落在电池板上又会降低电池效率。

天线还会扰动探测空间电磁场的传感器的作用,所以,电磷养容问题必须足够重视,1986年12月中国空间科学技术4f2.运载器和整流罩限制了天线尺寸和安装空间,大型天线在卫星发射时只能处于压紧状态,等卫星入轨、整流罩抛开后,天线才能弹起锁定,这又增加了结构上的复杂性。

金属整流罩在抛开之前还会使电波屏蔽,因而须附加天线并使用切换装置。

3.对于弱方向性天线,因星体金属蒙皮载有电流,星体在电性上也成为天线的一部分。

即使是中等方向性的天线,也会因星体边缘或星上突起物的电波反射与绕射而产生千涉作用,使波束形状变化。

非金属防热材料的卫星壳体也会对天线的电磁辐射产生影响。

天线与壳体的防热结构应协调设计。

4.强方向性反射面天线的热变形和制造误差所致的面形偏差,会影响天线方向图形和增益。

须将天线电性能、天线热效应以及天线结构和卫星作为一体用计算机进行分析设计。

5.设计天线时,还须考虑避免卫星本体和天线结构产生机械谐振。

总之,研制航天器天线时要与航天器总体统筹兼顾,折中考虑一系列间题。

四、航天器天线技术的新进展1.多波束与波束斌形采用机动变化指向的多波束天线（MBA）,可使航天器和地面不同区域或空间运动物体进行多址联络。

多波束合成可获得波束赋形。

波束赋形技术的种类大致如下:

（l）单馈源前馈变形抛物面,波束简单赋形。

（2）多馈源前馈抛物面,波束获得较好赋形,但免不了馈源遮挡效应口（3）单馈源斜投卡塞格伦式,无遮挡效应,获得低交叉极化的赋形波束;但因是单馈源,故波束一旦赋形,就固定不能变。

（4）多馈源斜投式抛物面（即偏置抛物面）,可随意赋形;尽管馈电系统在馈源稍多时较为复杂,但与透镜式天线或相控阵相比,偏置抛物面系统仍属简便,因此现今卫星上大多用此。

在赋形波束的峰值增益附近,波束为圆形或椭圆形。

较低电平处的波束形状则决定于天线口径形状、子波束偏移程度、以及馈源阵面形状和其激励模式。

这样多的自由度可用来设计具有特殊形状的复盖区波束。

多波束馈源阵元应精心设计,以获得良好的阵元一次辐射图形并降低阵元间的互祸。

调整阵元激励幅度和相位,可获得优化设计。

抛物面二次辐射子波束的旁瓣电平往往应在一3。

分贝以下。

这样的子波束很难由单个馈源产生,须采用组合馈源。

典型的组合馈源是7个单元3,紧凑排列成六角形;调整周围6元和中心元的激励,可获得二次辐射低旁瓣子波束。

美国国内通信卫星馈电单元多达218个,可用7、j0或12个单元形成组合馈源。

两邻组合馈源的边缘单元可重叠,因而共可形成46个子波束,覆盖美国本土。

子波束之间采用频率分隔和交叉极化分隔,以避免干扰。

子波束还可三两成群,以形成多个合成子波束照射主要城市。

如此,构成多波束国内通信系统。

开发更高频段,不仅可使通信容量增加,而且可使波束赋形更好。

.后者因为要获得更好的赋形波束,必须使子波束数量增加而束宽减小;当子波束宽度减小而星载天线尺寸又不能任意增大时,必须提高使用频率。

国外已使用了/4CHz和20/3OGHz频段,30/40GHz颇股汤2中国空间科学技术1986年12月正在预先研究中。

2.频谱复用为增加卫星和地面之间的信道容量,可在工作频谱内同时使用交叉极化场的两方向图。

此即极化隔离的频谱复用。

为避免相互干扰,交叉的两个线极化场的极化隔离度按规定应优于27、30分贝.。

交叉的两个圆极化场,其极化隔离度也应优于27、30分贝。

借助于波束在空间的不同指向可实现空间隔离的频谱复用,波束旁瓣隔离度应优于27“30分贝。

“国际通信卫星V号”,有4个波束工作于同一抛物面天线:

右旋圆极化东部“半球波束”和西部“半球波束”,左旋圆极化东部“区域波束”和西部“区域波束”。

因而获得四重频谱复用。

“国际通信卫星又号”还采用了“卫星转换时分多址（S到TDMA）”联接技术,与极化分隔和空间分隔共同使用,实现多重频谱复用,通信容量将大为增加.3.自适应技术单纯增加星上发射功率来完成卫星与地面无线电联络是不现实的,一种极有前途的方法是自