12 m深空組陣天線設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)

李勇，師民祥

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

12 m深空組陣天線設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)

李勇，師民祥

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對深空天線組陣系統(tǒng)對單元天線的需求，設(shè)計(jì)了12 m卡塞格倫全轉(zhuǎn)臺(tái)天線作為組陣單元。采用優(yōu)化設(shè)計(jì)、過程監(jiān)控及標(biāo)校等措施實(shí)現(xiàn)高一致性的單元天線;采用一體化高頻箱和外掛設(shè)備艙前置安裝射頻設(shè)備提高天線的接收靈敏度;采用交流伺服雙電機(jī)消隙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠跟蹤性能和免維護(hù)設(shè)計(jì)。從單元天線性能測試和天線組陣試驗(yàn)的驗(yàn)證效果來看，所設(shè)計(jì)的天線具有優(yōu)良的性能，可以滿足天線組陣的需求。

天線組陣；標(biāo)校；交流伺服

0 引言

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展和提高，世界上正興起一個(gè)深空探測的熱潮。美國、歐空局和俄羅斯完成了深空網(wǎng)的組網(wǎng)，美國深空測控通信網(wǎng)(DSN)是其中的佼佼者［1－3］。我國月球探測取得重大進(jìn)展之后，開展深空探測是我國航天發(fā)展的必然選擇。根據(jù)規(guī)劃，我國深空探測將以火星探測為重點(diǎn)，逐步實(shí)現(xiàn)繞、落、回等目標(biāo)，為進(jìn)一步擴(kuò)展遠(yuǎn)距離探測能力，遠(yuǎn)期還將安排木星探測任務(wù)［4］。

隨著深空探測的距離越來越遠(yuǎn)，導(dǎo)致到達(dá)地面的信號(hào)越來越弱，但任務(wù)要求傳輸?shù)奶綔y數(shù)據(jù)量越來越大，所以需要一種能補(bǔ)償信噪比(SNR)降低的方法。典型方案包括建造更大口徑天線、開發(fā)更低噪聲的接收機(jī)及使用更接近香農(nóng)極限的編譯碼等，這些技術(shù)的開發(fā)潛力已經(jīng)很有限，一個(gè)必然的技術(shù)發(fā)展方向就是通過多個(gè)中小口徑天線以組陣的方式來替代單個(gè)大口徑天線［5］。

國內(nèi)在組陣?yán)碚撗芯咳〉昧艘欢ǖ某晒?，同時(shí)，也積極開展了組陣系統(tǒng)的工程研制，并在北京建立了我國首個(gè)天線組陣試驗(yàn)系統(tǒng)［6］。

本文提出了應(yīng)用于天線組陣試驗(yàn)系統(tǒng)的12 m轉(zhuǎn)臺(tái)天線的設(shè)計(jì)思路，討論了組陣單元天線不同于常規(guī)天線的特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)方法，并據(jù)此設(shè)計(jì)制造了4部12 m天線組成天線組陣試驗(yàn)系統(tǒng)。

1 組陣單元天線的需求

天線組陣是利用分布的多個(gè)天線組成天線陣列，同時(shí)接收來自深空探測器發(fā)送的信號(hào)，并將各個(gè)天線接收的信號(hào)進(jìn)行合成，從而提高接收信號(hào)的信噪比。國內(nèi)主流的合成方式為全頻譜合成(FSC)，其要求單元天線性能基本一致［7－10］。為了獲得較好的電磁環(huán)境和寬闊的布站場地，天線組陣一般布設(shè)在人跡罕至的地區(qū)，日常維護(hù)不便，要求天線具有高可靠性和免維護(hù)的特性。另外，大規(guī)模布陣要求單元天線的造價(jià)低，射頻設(shè)備要全部安裝在天線上以減小基建成本。為了提高天線的接收靈敏度，接收系統(tǒng)需要配置杜瓦等制冷設(shè)備，設(shè)備量龐大，天線要有足夠的設(shè)備安裝空間。

所以組陣天線相對與常規(guī)的天線來說，不僅要具備優(yōu)良的性能，還要具備:①性能高一致性;②高可靠性;③充足的射頻及制冷設(shè)備安裝空間。12 m天線基于以上需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 12 m組陣單元天線設(shè)計(jì)

2.1 基本設(shè)計(jì)

天線采用賦形卡塞格倫雙反射面天線形式，天線反射面直徑12 m，副面直徑1．2 m，饋源照射角25°，反射面曲線參數(shù)由式(1)和式(2)得出［11］。

式中，c為等光程條件，F(xiàn)(x)為主面口徑場分布函數(shù)，采用廣義泰勒位移分布，f(θ)為饋源幅度方向圖，采用高斯分布逼近。

饋源采用S/X組合饋源，S頻段照射器由4喇叭構(gòu)成，X頻段照射器位于S頻段4喇叭中間。復(fù)合饋源中S頻段與X頻段的饋電網(wǎng)絡(luò)是獨(dú)立的，避免了互相影響，有利于在2個(gè)頻段上均實(shí)現(xiàn)良好的性能。饋源采用波導(dǎo)合成網(wǎng)絡(luò)，低噪放直接安裝在網(wǎng)絡(luò)后端，減小傳輸損耗，提升天線G/T值。

2.2 一致性設(shè)計(jì)

天線組陣要求單元天線的性能要基本保持一致才能達(dá)到較好的組陣效果。要達(dá)到組陣天線使用效果一致主要在兩方面:①單元天線性能一致性;②跟蹤指向的準(zhǔn)確性。

單元天線的性能一致性主要采取了三方面的措施:①設(shè)計(jì):優(yōu)化饋源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，多數(shù)部件設(shè)計(jì)為免調(diào)試組件，圓極化器優(yōu)化確定調(diào)諧銷釘深度;加強(qiáng)力學(xué)分析，提高天線結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和環(huán)境適應(yīng)性;②加工:優(yōu)化加工工藝流程，加強(qiáng)生產(chǎn)過程中的質(zhì)量監(jiān)控，確保圖物一致，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖;③裝配:圓極化器按照優(yōu)化確定的調(diào)諧銷釘深度統(tǒng)一裝配;大盤不水平、軸系精度等指標(biāo)控制在0．005°以內(nèi)。

組陣天線的跟蹤方式為程序跟蹤，天線的指向精度決定了天線性能的實(shí)現(xiàn)程度，而標(biāo)校是實(shí)現(xiàn)高指向精度的前提。組陣天線的標(biāo)校包括:

①碼盤精度標(biāo)校:方位與俯仰碼盤均采用同軸安裝，天線機(jī)械指向精度僅與碼盤的安裝精度有關(guān)。在安裝中方位碼盤采用T2經(jīng)緯儀進(jìn)行標(biāo)校，俯仰碼盤采用傾斜儀進(jìn)行標(biāo)校。經(jīng)過標(biāo)校，天線機(jī)械指向誤差小于0．001 3°;

②電軸指向標(biāo)校:傳統(tǒng)上，雷達(dá)的標(biāo)校是以望遠(yuǎn)鏡的光軸為基準(zhǔn)來進(jìn)行的，由于光軸是機(jī)械軸的中介，而機(jī)械軸又是天線調(diào)整的幾何軸心，因而這種方法同光軸和機(jī)械軸的調(diào)整密切相關(guān)。理論上這種方法標(biāo)校精度可以較高，物理概念也清晰。但在實(shí)用上，這種方法操作起來非常復(fù)雜，例如光電標(biāo)的架設(shè)要求很高，望遠(yuǎn)鏡不易準(zhǔn)確對準(zhǔn)目標(biāo)，望遠(yuǎn)鏡的讀數(shù)受人的視力和經(jīng)驗(yàn)的影響，標(biāo)校室外作業(yè)，受天氣的限制等等。這使得其標(biāo)校精度受到了限制，而且也不能隨時(shí)進(jìn)行。結(jié)合組陣天線的需求，天線標(biāo)校采用了電軸作基準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)校的方法。標(biāo)校采用正倒鏡法進(jìn)行，各系數(shù)由以下各式計(jì)算:

式中，A正、A倒分別為天線正倒鏡對準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)的方位角。E正、E倒分別為天線正倒鏡對準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)的俯仰角。這里為A0方位角零位誤差，E0為俯仰角零位誤差，K為機(jī)械軸與電軸不匹配誤差，Eg為重力下垂誤差。Aorg、Eorg是天線三軸原點(diǎn)對標(biāo)校塔電標(biāo)的大地測量值。利用電軸作基準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)校，可以一次標(biāo)定出零位誤差、機(jī)械軸與電軸不匹配誤差和重力下垂誤差，工作量小，對操作人員要求較低，標(biāo)校過程全部在室內(nèi)進(jìn)行，不受氣候限制可隨時(shí)進(jìn)行，標(biāo)校效率高。經(jīng)跟星試驗(yàn)驗(yàn)證，按照此方法標(biāo)校天線的指向精度滿足要求。

2.3 射頻及制冷設(shè)備安裝設(shè)計(jì)

天線座架采用大叉臂形式，通過一體化高頻箱和外掛設(shè)備艙2個(gè)措施來滿足射頻及制冷設(shè)備安裝的需求。將天線中心體和俯仰箱體進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，形成一個(gè)高2．7 m和直徑2．5 m的整體空間作為高頻房(如圖1(a)所示)。高頻房分為上下兩層，上層用于布置低噪聲放大器、功放等高頻設(shè)備，下層用于布置上下變頻器等中頻及數(shù)傳設(shè)備。另外，在天線的俯仰叉壁左右設(shè)計(jì)有2個(gè)長寬高為2 m的設(shè)備倉，用于布置杜瓦等大型設(shè)備，效果如圖1(b)所示。

圖1 一體化高頻房及外掛艙

2.4 伺服控制高可靠性設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的高性能天線伺服控制系統(tǒng)采用直流伺服系統(tǒng)。近年來隨著微電子技術(shù)和永磁材料的飛速發(fā)展，特別是先進(jìn)控制理論和策略的發(fā)展及應(yīng)用，使得交流伺服的控制性能已經(jīng)完全可以與直流伺服系統(tǒng)媲美，而且交流伺服驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單，不存在機(jī)械換向器磨損和碳刷損耗等直流系統(tǒng)的固有問題，更容易實(shí)現(xiàn)高可靠和免維護(hù)［12］，所以12 m天線選用交流伺服系統(tǒng)。

伺服設(shè)備主要包括:天線控制器(ACU)、天線驅(qū)動(dòng)單元(ADU)、上電單元、限位安保傳感器和對外接口等組成，圖2為伺服控制原理框圖。

圖2 交流伺服控制框圖

方位、俯仰驅(qū)動(dòng)支路均采用雙驅(qū)動(dòng)器、雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過對電機(jī)施加力矩偏置實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)電消隙，提高天線指向精度和可靠性。天線驅(qū)動(dòng)單元由MLC (Motion Logic Controller)通過SERCOS光纖總線集中管理4臺(tái)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化控制。此系統(tǒng)自投入使用后，運(yùn)行穩(wěn)定，體現(xiàn)了較高的可靠性和良好的免維護(hù)性。

3 測試情況

對天線性能進(jìn)行了測試，圖3為天線在S頻段和X頻段的典型輻射方向圖，測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，性能達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

圖3 12 m天線輻射方向圖

表1給出了4部天線性能的對比情況，G/T值由分別測定的天線增益和噪聲溫度計(jì)算，不包含低噪聲放大器噪聲溫度;跟蹤誤差通過統(tǒng)計(jì)跟星試驗(yàn)中的均方根誤差獲得。

表1 天線性能測試結(jié)果

考慮到測試誤差，4部天線的性能基本一致，由標(biāo)校、伺服環(huán)路等造成的跟蹤誤差較小，滿足組陣的需求。

4部12 m天線搭建的天線組陣試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)利用嫦娥二號(hào)探月衛(wèi)星發(fā)射和在軌運(yùn)行階段的S頻段下行數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)。經(jīng)過計(jì)算和比對天線陣合成效果為:遙測通道信號(hào)合成增益大于5．5 dB，合成效率優(yōu)于91%，達(dá)到預(yù)期試驗(yàn)效果［13，14］。

4 結(jié)束語

從天線組陣對單元天線的需求出發(fā)設(shè)計(jì)制造了應(yīng)用于試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的12 m天線。單元天線具有性能一致性高、天線系統(tǒng)接收靈敏度高、可靠性高和免維護(hù)性好的特點(diǎn)。

從單元天線性能測試和天線組陣試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的驗(yàn)證效果來看，天線具有優(yōu)良的性能，可以滿足組陣的需求。

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Design and Engineering Implementation of 12m Antennas for Deep Space Antenna Array

LI Yong，SHI Ming-xiang
(The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

According to the demand on element antennas for deep space antenna array，a 12m Cassegrain full-motion antenna is proposed．Some methods are applied in the implementation process to realize high consistency，including optimization design，process monitoring and calibration techniques．The integrated hub and external cabin is designed to make RF equipment and refrigerating equipment closed to the antenna to enhance the system receiving sensitivity．The dual-motor anti-backlash digital AC servo system is applied to realize such characteristics as high precision，high reliability and free maintenance．The results of element antenna test and antenna array experiment show that the antenna has good characteristics，and can meet the requirements of deep space antenna array．

antenna array;calibration;digital AC Servo

TN82

A

1003－3114(2015)05－60－4

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.16

李勇，師民祥．12 m深空組陣天線設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)［J］．無線電通信技術(shù)，2015，41(5):60－63．

2015－04－20

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃〈863計(jì)劃)資助項(xiàng)目

李勇(1978—)男，高級工程師，主要研究方向:微波及衛(wèi)星天線技術(shù)。師民祥(1960—)男，高級工程師，主要研究方向:天線結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)。