大型星载Ku波段波导缝隙阵列天线 ——宽频带设计及热变形分析

高度计波导缝隙阵列天线是高增益、低副瓣天线子系统, 其宽频带、窄波 束等特点对天线设计将提出较高要求. 天线阵面较大, 在空间环境冷热交替 的作用下会发生形变, 因此, 有必要研究形变对天线电性能的影响. 本文采 用天线阵分区馈电、波导中心馈电以及加载元件等技术, 解决了天线宽频带 设计问题, 并针对热变形问题, 提出一种分析天线热变形对其电性能影响的 新方法. 现已加工出8×10阵列天线实验件, 实测结果表明, 1.3以下 驻波带宽为340MHz, E面副瓣电平为-25.9dB, H面副瓣电平 为-27.2dB, 满足实际要求, 验证了设计方法的有效性.      

星载SAR相控阵天线热变形误差分析

根据星载SAR相控阵天线结构特点,建立了天线热变形误差的数学模型,定义了阵面不平整度指标.基于成对回波畸变理论,推导了天线阵面存在热变形误差时的方向图函数表达式,导出了单频热变形误差分量与模糊度之间的统计关系,提出了定量分析星载SAR相控阵天线热变形误差对模糊性能影响的有效方法.基于L波段星载SAR天线进行了计算机仿真,验证了分析方法的正确性.      

模块化空间可展开天线支撑桁架结构的热-结构分析

对模块化空间可展开天线支撑桁架结构进行空间热交变环境下的热 结构分析,为天线结构因热致变形影响形面精度和网面稳定性提供合理的防护建议。采用ANSYS APDL有限元软件建立了大口径模块化空间可展开天线支撑结构的精细化数值模型,基于已有试验分别验证了模块化可展开天线结构有限元建模和热分析模型的正确性;分析了在瞬态温度场作用下约束位置等参数对支撑桁架弦杆及拉索应力的影响和热致变形规律。研究结果表明：空间可展开天线结构的应力和变形随时间历程发展与瞬态温度场变化趋势基本一致;同一瞬态温度场下,天线结构中心模块拉索热应力最大,同圈模块的弦杆热应力幅值基本相同,其上弦杆热应力逐圈增大,而拉索热应力逐圈减小;天线结构热致变形在距离约束最远端处整体累计值最大,上层中心点处累计热致变形可达15mm左右,对天线形面精度的影响不可忽略;将天线支撑桁架结构最外侧且距离结构中心最近的模块顶角和与相邻模块竖杆拼接处作为星载天线伸展臂约束时,天线结构的热致变形最小。将该处作为模块化空间可展开天线的展开支点,并建议对天线支撑结构表面采用涂刷隔热防护复合材料涂层等防护措施,以增加天线结构在太空极端环境的适应性,从而减小温度交变对天线整体形变和网面精度的影响。     

基于分割法的抛物面固面天线热变形抑制

为满足未来高分辨率微波遥感航天器对于大口径高形面精度的空间可展开天线的需求,提出了一种能有效降低偏馈固面天线在轨因热变形造成形面误差的新方法,即分割法。采用5 m口径的偏馈固面抛物面天线,分析了天线热变形对其电性能尤其是主波束效率的影响。对连续固面天线六点支撑下不同支撑位置对其热变形的影响进行了研究。在温差为200℃的均匀温度场下,分析了不同形状单胞的形面误差,随后确认采用正六边形作为分割单胞并对其形面误差与尺寸的关系进行了研究。研究了分割单胞的尺寸及排布方式对天线的形面误差及电性能的影响,并验证了分割单胞之间的缝隙对天线电性能的影响,最终确定分割方案。结果显示,分割后天线形面误差从500μm降低至5μm,主波束效率下降值从6.72%下降至1.77%。     

考虑在轨热效应的网状天线索网优化设计

网状天线服役于高低温、强辐射的复杂太空环境,其热变形是影响天线在轨性能的重要因素。目前的设计方法均为常温下的索段预应力配置,难以计及服役环境对天线在轨性能的影响。通过在索网模型中引入温度载荷,建立了以常温下索段参数为变量,以服役环境下的索网形面精度和张力分布为目标及约束条件的索网优化模型,从而在设计之初充分考虑服役热环境下的天线性能,改善天线在轨精度和张力分布。分析了天线运行轨道热环境,计算了天线在不同轨道位置的温度场;基于非线性有限元理论,建立了网状天线热结构模型,形成了考虑温度效应的索网找形及优化设计方法;开展了面向天线服役性能的索网优化设计。优化结果表明,该方法有效提高了天线在轨运行时的性能,可为考虑服役环境的网状天线优化设计提供方法和思路。     

星载可展开天线研究

海洋二号卫星微波校正辐射计天线(HY-2 CRA)是高增益、低副瓣、高波束效率、低损耗的天线子系统. 其高主波束效率、低损耗等要求对天线展开精度、形面精度、测试等提出了极大挑战. 由于卫星发射整流罩结构限制, 天线采用可展开机构形式, 并用正交模耦合器实现频率复用. 天线频率分别达到18.7 GHz, 23.8 GHz 和37 GHz.为了减小天线形面变形, 保证天线波束指向, 天线反射面(包括反射面支架、馈源支架)采用碳纤维复合材料, 确保天线在宇宙空间变形尽可能小. 本文就HY-2 CRA的设计、加工、测试等进行了论述.      

一种针对金星探测器的姿态指向设计

摘要： 金星探测需要超长距离低码率传输,因而金星探测器需要保持其数传天线指向地球.相对于地球轨道飞行器来说,金星探测器距离太阳更近,需要固定散热面来维持探测器内的温度.提供一种基于在金星探测器偏置安装天线的姿态指向设计,能够保证从金星向地球传输数据并且维持散热面远离太阳.而此设计旨在减少数传天线的数量至一根同时将两个固定平面作为散热面.还提供两种详细方案来控制姿态机动来保证在数传天线始终指向地球的同时在特定节点切换散热面.     

卫星测控天线日照温度场极端工况预测方法

针对卫星测控天线日照温度场产生的热变形影响天线电性能问题,提出了一种预测天线极端温度工况的方法.该方法将太阳照射参数与天线面板方程有效结合起来,求得天线面板的太阳直射点运动轨迹,从而确定天线姿态参数.在Ⅰ-DEAS中建立该姿态的模型,同时引入环境因素的影响,进行瞬态仿真分析,预测天线的极端温度工况.通过试验天线,验证理论计算太阳直射点运动轨迹与极端温度预测方法的正确性.     

构架式可展天线电性能研究

提出了一种构架单元式的展开桁架天线. 对构架式可展天线的电性能进行了研究, 以确定较优的设计参数和结构方案. 针对可展 反射面形态的具体特点, 基于几何光学原理, 推导了可展天线远场的电场强度公式, 将口径面划分成矩形网格, 用数值方法对远场场强进行积分, 得到天线反射面 的方向图. 进而编制相应程序, 用于分析不同设计参数的构架式天线反射面的电性能. 该方法直接将结构变形与天线电性能相联系, 避免了通过均方根换算带来的额外 误差, 使得设计更准确. 此方法同样适用于标准抛物面或者任何已知缺陷反射面的辐射场计算.      

基于人工神经网络的反射器型面精度预测

基于人工神经网络的预测方法,利用数量适当的有限元计算结果,建立人工神经网络模型,对反射器型面进行精度预测分析,得到在最小型面精度结果下的结构设计参数。计算结果显示训练好的神经网络模型能够较精确地预测格栅反射器的型面精度,节省计算时间,并且以型面精度最小为准则进行参数分析,能够指导反射器的结构设计。     

形面精度可调节的单层索网空间抛物面天线

大口径高形面精度的空间可展开天线是未来航天器天线的重要发展方向之一。提出了一种新型形面可调节的单层索网空间可展开天线。通过对单层索网进行静力平衡分析,给出了单层索网天线的内力计算方法,并基于能量法,建立了单层索网天线的形状预测理论模型,实现了单层索网天线的三步法找形方法。基于理论分析结果,建立了50m口径的单层索网天线的有限元模型,通过有限元模型对建立的单层索网理论设计分析方法进行了验证,并验证了单层索网天线的形面精度及在轨调整的可行性。理论分析和有限元分析结果表明,单层索网天线拓扑构型简单,可通过改变天线中心轴的长度,实现天线形面的在轨调节。在100℃的均匀温差下,通过在轨形面调节,50m口径单层索网天线的形面误差可降低至5mm以下。     

卫星天线热真空变形测量

针对在真空环境中进行高低温测量的难点和特点,提出了采用数字近景摄影测量技术在热真空中对卫星天线面板的高低温变形进行测量。成功地利用2台经过保护的专业像机组成双相机摄影测量系统,完成了天线热真空变形测量,解决了传统的测量手段无法在真空中进行测量的难题,型面变形测量精度达到0.1mm,满足了试验要求。     

基于RVE模型的空间天线结构热稳定性优化设计与热变形分析

空间环境温度变化会使空间天线支撑结构产生热变形,影响其使用性能,因此进行天线热稳定性设计及热变形分析具有重要的意义.基于代表性体积单元(Representative Volume Element,RVE)方法对空间天线结构进行热稳定性设计与热变形分析.通过建立纤维随机分布并含有材料孔隙的RVE,得到纤维热膨胀系数.对M40/TDE85单向复合材料的热膨胀性能进行实验测试,计算结果与测试结果吻合良好,验证了RVE模型的正确性与准确性.建立了复合材料圆管参数化模型,根据计算得到的热膨胀系数及优化算法,对天线支撑结构进行热稳定性优化设计,并对优化后的天线结构进行热致变形分析,结果表明优化后的结构具有很高的热稳定性.      

可展桁架天线温度场和热变形分析

对一个可展桁架式抛物面天线,利用有限元法,将可展支撑桁架划分为一维辐射-导热杆单元,将反射面划分为二维辐射-导热三角形膜单元,以此模型,计算和分析可展桁架天线在空间环境中的温度场和热变形,得到了可展桁架天线温度场和热变形特点,以及可展支撑桁架对天线整体温度场和热变形的影响．     

波导缝隙在模拟阵列环境中的有源导纳值计算方法

通过分析、综合关于波导缝隙天线阵的两种常用的综合设计方法（实验测量设计和理论计算设计法）的优缺点，提出了用理论分析计算的方法求解模拟阵列环境中波导缝隙的有源导纳和谐振长度值的设想和具体实现方法。这样既省去了实验测量设计法中测试部件的加工和测量过程，又充分地发挥了理论计算设计法适合于对小型波导缝隙阵进行分析与设计的特点，将会大大地减少波导缝隙天线阵综合设计的工作量。     

构架式可展开抛物柱面网状天线结构设计

针对具有大尺度抛物柱状反射面需求的空间可展开天线,提出一种基于四棱柱折展模块的构架式可展开抛物柱面网状天线,依靠模块驱动组件实现天线联动展开。把抛物面天线工作表面的拟合方法拓展到抛物柱面天线,采用工作面拟合圆均等网格划分径向投影获取天线支撑桁架设计的关键节点。柔性网状反射面采用双层索网结构形式,提出与前索具有较好对称性的背索网悬链线设计,前、后索网节点由支撑立柱间拟合圆弧均等分径向分别投影到抛物线段和悬链线圆弧上获取,根据前后索网节点建立索网拓扑构型,基于非线性有限元法对索网预张力进行设计迭代,获得抛物线维索网预张力与其均值的最大误差率为12.3%及柱面维索网预张力与其均值的最大误差率为7.6%的优化结果。研制了机械口径12 m×12 m样机,多次展开获得2 mm RMS以内的形面精度,验证了构架式可展开抛物柱面网状天线较优的展开性能和形面精度保持性能。     

Impact of DORIS ground antennas environment on their radio signal quality

Among the factors which may disrupt the DORIS measurements quality, the ground antennas environment is of high importance. For a set of 15 selected DORIS beacon, the differences between the effective and theoretical power received on-board the satellites (SPOT-5 and Envisat) have been analyzed in terms of spatial direction around the antenna. Such antenna maps have also been established regarding the Doppler residuals of the least-square precise orbit adjustment. Thanks to 360° views from the antennas and aerial views of the sites, the impact of the signal obstructions (trees, roofs, antennas …) on power attenuation and Doppler residuals is discussed. Depending on the nature of the obstructed object, the attenuation level can reach more than 5 dB, and the residual RMS of the orbit adjustment may be doubled from the nominal value, reaching 1 mm/s locally. The nature of the ground at the foot of the antennas has been correlated to DORIS signal quality at high elevation: reflections on flat surfaces (e.g. roofs) affect the signal more significantly than reflections on natural ground (e.g. soil). In particular, a modeling of the multipath phenomenon affecting Fairbanks site has been established and fits remarkably with the observations. Finally, an evaluation of the direct impact of obstructing objects on the orbit has also been performed. The example of a scaffolding at Kauai site displays a few millimeters error in the along-track position of the satellite.