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适应技术。

星上多波束天线,如有一个波束在传播途径中遭受衰减,则可自适应地只使该波束的功率放大,或启用另一高增益波束并调整到所需指向。

快速动作的自适应技术用于卫星多波束天线,须配以计算机和复杂的控制电路,控制波束形成网络（BFN）中的可变功率分配器、移相器和开关等所构成的逻辑电路。

从而获得扇形、铅笔形、或赋形的波束,或使波束再成形（reconfigurability）,以覆盖地面特定形状的区域。

星上一个反射面天线可工作于40/soGH:

波束和11/l4GHz波束。

当用4。

/soGH:

的4个波束,如其中有一个波束工作不良,则可自适应地切换到11/l4GHz波束。

自适应技术能调整卫星天线波束的零区指向,使其对准千扰源以增加信噪比;调整波束指向还能增强保密性能。

4.多用途卫星天线早在七十年代,国外已实现了一星多用技术。

在“应用技术卫星6号（ATS一6）”上,直径9.1米抛物面的焦点区域装有卫星本体和天线馈源。

馈源为复合式组件,工作于15个频率。

有腔背式交叉振子产生C波段和UHF波段点波束,以及L波段点波束和扇形波束:

有S波段交叉阵列,用开关控制以产生20个点波束;有C波段、S波段和VHF波段的多元阵与比较器,以产生和差波束。

该卫星成功地进行了通信、广播、定位、跟踪和数据中继、射频干扰及毫米波传播等试验。

当前,多用途卫星天线技术仍在不断发展。

5.活动式天线刚性的大反射面天线在卫星发射时被压紧,入轨后才弹开。

轻型网状反对面可由折迭状态伸展到工作状态,其伸缩比达20以上。

“跟踪和数据中继卫星”上,两个直径4.9米抛物面由金属网构成,用支杆连到卫星本体;该卫星从航天飞机上释放后,支杆弹出,而反射面如伞展开,其跨度长达13米。

国外已考虑将一种新型结构材料“记忆合金”用于航天器天线,它可由密缩状态恢复到正常工作状态,有很大的伸缩比。

.叮6GH:

体制下,如考虑电离层法拉第效应及卫星姿态偏航误差等因素,星上天线线极化隔离度还须适当增加:

否则,地面站夭线线极化取向应有所调整,以获得好的极化隔离.2086年22月中国空间科学技术6.卫星夭线的机辅设计（CAO）计算机在当代卫星天线的设计、测试、甚至运行使用中均有应用。

对天线进行计算机辅助设计,已有许多定型程序,诸如:

用口径场法、几何绕射理论法、感应电流法以及矩量法等,对天线辐射性能、反射面表面成形、天线馈源支架影响及波束扫描性能作分析与综合,获得优化设计。

以机辅设计所得的天线方向图为例,从峰值电平到峰值以下40、50分贝的范围内,与测试值之间的差别已可达到小于1分贝的精度。

甚至卫星天线在空间轨道上使用时,由于温度交变而导致其辐射性能的改变,也可通过计算机分析而获得定量数据传送到地面。

了.复合材料的应用复合材料具有轻而坚、特别是热变形小的优点。

反射面天线的典型复合材料由铝蜂窝夹芯、炭纤维敷面、再涂以温控漆而构成。

它能在轨道上长期使用,经受热环境考验而变形极微。

以深空探测器“旅行者、2号（Voyager一2）”天线为例略,其温度交变范围是一200、+75。

为保持反射面尺寸精度和热稳定性,采用了两种复合材料。

主反射面直径3.7米,用/凡颇段电缆低增益夭线电挑石墨纤维/环氧树脂面板和铝蜂夹芯结构,它能反射高频电波。

纤维层按一定规律排置,膨胀系数接近于零.副反射面直径0.64米,用克芙拉（Kevlar）环氧树脂面板和诺美克司（N。

mex）蜂窝夹芯结构,它能透过高频电波。

为使S频段透过而X频段反射,在副反射面上还装有“频率选择表面（FSS）”。

双反射面在X频段为变形卡塞格伦系统以提高效率.天线系统略示于图2。

S绷段低增益天线正交棋转换特和板化脸8.新的测试方法和机辅浏量（CAM）图2“旅行者1、2号”的天线测量卫星天线的电性,除一般要求外还有一些特殊要求“.频谱复用的天线,由于交叉极化隔离度须优于一27一30分贝,要求测试场地的电波反射率低于一55一60分贝,对测试用照明天线的极化纯度要求也很高.赋形波束的产生,是由于天线口径场的幅值、相位、乃至极化具有特殊分布。

在测量这类天线的远区方向图时,通常的2D2八距离标准是很不够的（D为反射面天线直径）,有时须（20、30）DZ八的距离,才能保证增益的测试误差在0.3分贝以下。

大的测试距离是保证待测卫星天线处于均匀平面波环境中的条件,但这种场地耗资巨大,使用和维薄不便,一些新的测试方法便应运而生.其一是所谓“紧缩场地（Compa。

rang。

）”技术,即用一较大的偏置抛物面,其前方近场区中心部分的场分布近似于均匀平面波,将待中国空间科学技术19昌e年12月测卫星天线置于其中测量。

另一方法是在待测卫星天线附近的空间曲面上,拾取两交叉极化场分量的幅度和相位分布数据（即采样过程）,输入到计算机,经特定程序计算出该卫星天线的远区方向图.此即“近场一远场变换（NFFF）”技术。

对卫星天线进行机辅测试（CAM）,快速而精确,可将特殊形状的波束用等电平线或三维图形显示出来。

卫星天线测量时,还须配置电波吸收室和转台记录系统.五、结束语我国成功地发射了十余颗卫星。

星上有指令、遥测、测速、信标引导、应答跟踪、数据传输、科学探测和通信广播等天线。

根据天线功能、卫星姿态和环境条件,研制了各种振子式、隙缝式、喇叭式和抛物面式天线,工作于线极化或圆极化。

采用了空间分集技术、极化分集技术、防热技术、切换技术、弹跳技术、共用技术、波束赋形技术以及消旋技术等。

由于航天技术的迅速发展,航天器应用范围日益广阔,各种形式的航天器不仅要求提高天线指标,而且也要求增强天线对总体的适应性.对于航天器天线的特殊性,应在航天器总体设计及天线设计中予以综合考虑。

这也是航天器系统工程中不可缺少的环节。

在本文写作过程中,蒙陈宜元同志提出很好的建议,作者深表感谢。

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