小型化星載收發(fā)天線設(shè)計(jì)

摘 要：隨著航天研究不斷深入，立方體衛(wèi)星需求大大增加。作為衛(wèi)星上的重要部件，小型化星載天線成為研究熱點(diǎn)。本文采用復(fù)合材料基本、多饋點(diǎn)技術(shù)、高可靠安裝等技術(shù)，設(shè)計(jì)仿真了小型化星載收發(fā)天線。天線直徑為50cm，高度5.5cm，接收和發(fā)射波束寬度大于100度。

關(guān)鍵詞：星載；平面天線；導(dǎo)航信號(hào)；多饋點(diǎn)

0 引言

隨著航天研究的不斷深入，針對(duì)低軌道的空間探測(cè)任務(wù)以及對(duì)地觀測(cè)任務(wù)需求日益增多。傳統(tǒng)衛(wèi)星平臺(tái)的長(zhǎng)周期、高成本已經(jīng)無法滿足日益增長(zhǎng)的發(fā)射需求，立方體衛(wèi)星正式針對(duì)此類低軌道空間任務(wù)而研制的一種具備多載荷適配性的低成本航天器平臺(tái)。當(dāng)前立方體衛(wèi)星已獲得飛速發(fā)展并得到了實(shí)際應(yīng)用[1]

立方星體積大多在分米級(jí)，又面臨復(fù)雜的力學(xué)、熱、真空、太陽(yáng)紫外輻射及空間粒子輻射等復(fù)雜空間環(huán)境[2]。這就對(duì)位于立方體衛(wèi)星上的天線提出了小型化及高可靠性的要求。

1 天線設(shè)計(jì)模型

針對(duì)立方體衛(wèi)星星載天線的特殊要求，結(jié)合以前的相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，本文采用多饋點(diǎn)方式，設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)稱的微帶天線。為了滿足溫度和質(zhì)量的要求，天線基板采用了復(fù)合材料，同時(shí)能夠滿足宇航輻射條件。如果采用陶瓷材料，天線的大小以及重量就會(huì)超過星載天線的要求。

為了滿足星載天線的過載要求，目前天線可以通過如圖1所示的方式增加固定螺釘。保證在高過載情況下，天線有足夠的牢固度和穩(wěn)定度，不會(huì)受到破壞。

本文設(shè)計(jì)的星載天線直徑為50mm，高度5.5mm，采用復(fù)合材料，天線可依據(jù)安裝需求增加金屬地板，在金屬地板背面安裝饋電網(wǎng)絡(luò)電路板，最終引出GPS L1接收和1.6GHz發(fā)射兩個(gè)同軸接頭，接頭形式為SMA-K。星載天線由于采用復(fù)合材料，天線的總質(zhì)量控制在100g以內(nèi)。由于天線較小，為了進(jìn)一步加強(qiáng)天線的抗振動(dòng)能力，天線無源板之間可以采用耐溫膠以及螺絲加以固定。

2 天線仿真結(jié)果

以下給出星載小型收發(fā)天線在GPS接收頻率和1.6GHz發(fā)射頻率處各個(gè)指標(biāo)的仿真結(jié)果。

從圖2仿真結(jié)果可以看出，在天線仰角≥20°的時(shí)候，GPS接收天線增益大于-2dBi。天線仰角≥50°的時(shí)候，天線增益≥1.6dBi。滿足一般導(dǎo)航天線對(duì)增益的要求。

從圖3仿真結(jié)果可以看出，在天線仰角≥10°的情況下，天線極化不圓度在1dB以內(nèi)?？紤]到實(shí)際加工精度及組裝誤差，天線不圓度會(huì)比仿真情況惡化，最終實(shí)際估算天線不圓度在1.5～2dB以內(nèi)。

從圖4仿真結(jié)果可以看出，在天線仰角≥20°的時(shí)候，1.6GHz發(fā)射天線增益大于-2dBi。天線仰角≥50°的時(shí)候，天線增益≥1.6dBi。滿足一般導(dǎo)航天線對(duì)增益的要求。

1.6GHz發(fā)射天線天線極化不圓度見圖5，仿真結(jié)果與GPS接收天線類似。

從圖6仿真結(jié)果可以看出，收發(fā)兩個(gè)端口之間的隔離度大于27dB，配合后端變頻器濾波，較好的保證了收發(fā)之間的影響。

3 材料選型

由于星載設(shè)備所處的空間環(huán)境的特殊性及惡劣的環(huán)境條件，一般要求長(zhǎng)壽命、高可靠性、體積小、重量輕、天線陣面板間間隙及平整度和熱變形要小。因此對(duì)熱設(shè)計(jì)、抗熱輻射、紫外輻射、高能光子和粒子輻射、電磁兼容設(shè)計(jì)、腔效應(yīng)、抗原子氧、預(yù)防微流星和空間碎片的撞擊以及天線機(jī)構(gòu)的展開和鎖定等均有苛刻的要求。

對(duì)于天線而言，需要重點(diǎn)保證天線的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、天線無源性能等。由于星上使用條件，材料必須滿足衛(wèi)星軌道環(huán)境-90℃～+150℃高真空條件下電氣板不鼓泡、不脫落的使用要求，因此要求材料具有良好的工作溫度范圍，密度低，模量高，強(qiáng)度高，低膨脹系數(shù)，抗輻照等特性。

天線無源板材選用泰興微波的板材，該廠有適用于宇航級(jí)應(yīng)用的板材。天線固定底座可以選用金屬鋁合金進(jìn)行加工。其工作溫度可達(dá) 200～300度，其低溫性能好，導(dǎo)熱性 能好。

本文設(shè)計(jì)選用的無源復(fù)合介質(zhì)板主要指標(biāo)如下：

介電常數(shù)（DK）：2.2～20.00

正切角損耗（DF）：0.0035@10GHz

銅皮附著力：lOibs/inch

吸水性：≤0.01%

表面電阻：1×1013歐

體電阻：l×l015歐

熱傳導(dǎo)系數(shù)：0.5千卡/米/小時(shí)℃

工作溫度：-100～+150℃

根據(jù)以上特點(diǎn)可以看出，所采用的無源板材有如下特點(diǎn)：損耗小、介電常數(shù)高且穩(wěn)定、適用溫度范圍大。

4 加工設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)小型化星載收發(fā)天線加工需要注意加工精度以及天線結(jié)構(gòu)的表面處理，對(duì)金屬厚度，熱防護(hù)涂層等進(jìn)行重點(diǎn)考慮。本天線設(shè)計(jì)采用被動(dòng)熱控制技術(shù)中的熱控涂層來調(diào)節(jié)固體表面的熱輻射性能，從而達(dá)到控制溫度的目的。天線和天線的熱防護(hù)涂層具有優(yōu)異的耐濕熱、耐冷熱交變的能力，經(jīng)真空——紫外輻照、真空——電子/質(zhì)子輻照等模擬空間環(huán)境考核，其性能指標(biāo)基本無變化。

本文設(shè)計(jì)天線是直接面對(duì)外太空環(huán)境，直接承受空間熱環(huán)境及空間粒子輻照等環(huán)境作用。作為無源天線，采用被動(dòng)熱控措施，在天線輻射面噴涂熱控涂層，在天線背腔面包覆熱控多層。熱控涂層采用溫控白漆SR107—ZK，該天線各部分所采取的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)工藝均是成熟可操作的，從而保證了產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)的順利達(dá)成，滿足了星載產(chǎn)品高可靠、長(zhǎng)壽命工作要求。

5 結(jié)論

本文采用復(fù)合材料設(shè)計(jì)天線基本，仿真結(jié)果復(fù)合技術(shù)要求。加工完成后，需要在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行進(jìn)一步的檢測(cè)。

參考文獻(xiàn)

[1] 廖文和.立方體衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào).2015，47（6）：792-797.

[2] 方偉.星載天線環(huán)境防護(hù)及設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù)，2014，54（8）：1160-1165.

作者簡(jiǎn)介

郭國(guó)君（1985-），男，碩士學(xué)位，電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，主要研究方向：信號(hào)采集回放、微波、微波光子學(xué)。