[科普中国]-航天器天线

简介

航天器天线亦称空间飞行器天线，用于卫星、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Tranist一1)。Apollo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、飞船与登月宇航员以及月面与地面之间的多种无线电联络用。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。1

航天器天线特点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，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℃，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。2

天线的辐射（接收）场辐射(接收)方向图是航天器天线最主要的电性参量之一。对于强方向性天线，希望其增益尽可能高(增益>=G20dB，以无方向性天线增益为比较标准，以下类同)；对于中等方向性天线(10dB~20dB)，要求其方向图形宽窄适度；对于弱方向性天线( ),则希望其在宽阔的覆盖区内增益不低于规定值；多波束天线则要求其具有特殊形状的波束。

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17.30，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 ，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。

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。

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 或 ，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。
(1)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0.707倍。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。
(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，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10GHz: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、 V V组合)，如此可获得地面反射的较多信息。3

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，电磁兼容问题必须足够重视。

2.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干涉作用，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。