宽带相控阵馈源可展开反射面天线研究

为满足星载高增益天线的应用需求,本文设计了一种带有相控阵馈源的伞状可展开反射面天线。首先介绍了反射面天线可展开机构的原理及设计,由碳纤维天线肋和金属编织网面组成反射面,在高精度可展开机构的动作下实现其收拢和展开,从而大幅减小其收藏包络尺寸。对于直径为1.14 m的可展开反射面天线设计了宽带相控阵馈源,采用金属Vivaldi天线作为相控阵单元,根据极化方式、焦径比和扫描范围选择排列成双极化矩形阵列,使可展开反射面天线在8～16 GHz内实现二维波束扫描,通过电磁仿真进行验证,仿真结果表明,宽带相控阵馈源能够有效地增加可展开反射面天线的视场,反射面天线在8 GHz、12 GHz和16 GHz时扫描到0°的增益分别是38.03 dB、40.65 dB和41.48 dB,扫描到+3°的增益分别是37.68 dB、40.68 dB和41.09 dB。     

星载Ka频段移动波束天线的仿真计算

针对偏馈形式的移动波束天线,分析了波束指向和双轴转角的换算关系,二次开发了反射面天线仿真计算软件GRASP8SE,最后对天线在波束扫描状态下的电性能进行了仿真计算,并和实测结果做了对比。     

L波段全向天线研究与设计

在实际应用中,有时需要全向天线在水平面以上覆盖较广的空域,针对这一需求,文章提出了两种工作在L频段的波束上翘的全向天线。其中一种为使用同轴转平行双线结构进行馈电的串联印刷偶极子天线,且加入反射板保证波束上翘,实测结果表明该天线在工作频段内,电压驻波比(voltage stanting wave ratio,VSWR)小于1.5,水平面增益大于2dBi,俯仰角0°~70°(定义水平方向为0°)增益大于-7dBi,不圆度小于2dB。另一种为双锥天线,使用上下锥体不对称结构保证波束上翘,同时引入固定套环保证天线的稳定性。实测结果表明该天线在工作频段内,VSWR小于2,俯仰角0°~20°增益大于1dBi,俯仰角0°~70°增益大于-7dBi,不圆度小于2.5dB。该天线结构稳定,性能优良,可应用于车载通信或其他通信场景中。     

火星着陆巡视器应用的背罩天线设计

结合我国着陆器发展现状及火星探测任务需求,提出了一种新的背罩天线设计,它由6个单元天线构成,通过给每个单元天线端口等幅同相馈电,实现近全空间波束覆盖。单元天线采用单层共形微带天线形式,通过在辐射贴片边缘开两对不等长度的槽实现双频功能。仿真结果显示:此天线工作于(398±3)MHz和(440±3)MHz频段,增益方向图在俯仰角7°≤θ≤120°范围内大于-8dBi,在俯仰面和方位面有良好的圆对称性。研究结果可为未来我国火星着陆器背罩天线技术的实现提供参考。     

一种宽带高增益全向天线的设计

提出一种宽频带、高增益全向天线的实现方法,分析其工作原理,给出设计参数和实测结果。天线在3GHz～18GHz频带内,电压驻波比小于2,实测增益在0dBi～11dBi范围内波动,最大实测增益为10.52dBi,平均增益4.88dBi,不圆度小于±4dB。测试结果显示,天线具有良好的电特性,可以广泛应用于通信和环境监测领域。     

合成孔径雷达及雷达制导导弹跟踪与探测用Ku波段宽频带平面相控阵天线

介绍了包括功率合成器和匹配网络在内的1×2、1×4和1×8子阵列天线以及8×8平面相控阵天线的完整设计、仿真与实现。阵元是U形缝矩形微带贴片天线阵元，该贴片天线阵元采用了孔径耦合馈电技术，它在17．75GHz中心频率时的阻抗带宽超过了20％。在分析过程中采用了矩量法（MoM），用的是先进设计系统（ADS）软件包中的安捷伦矩量工具。在效率约为80％的情况下，1×2、1×4和1×8子阵列分别获得了约9dBi、12dBi和14dBi的增益。在16～18GHz的频率范围内，所有子阵的回损都好于-10dB，这保证了较好的阻抗匹配。比较1×8子阵列的测量与仿真增益辐射方向图，发现它们吻合良好。开发出的这些子阵列天线及平面相控阵天线适用于各种雷达，包括合成孔径雷达（SAR）及雷达制导导弹的跟踪与探测用雷达。     

V 频段卫星通信天线捕获跟踪系统研究

随着卫星通信向大容量、网络化发展,Q/ V 频段逐渐应用于卫星通信的星地馈电链路和星间链路。为了掌握Q/ V 频段卫星通信技术,课题开展了频率较高的V 频段卫星通信天线捕跟系统研究和关键单机研制。由于V 频段天线波束窄,天线指向精度要求高,课题选择了程控+自动跟踪的天线指向控制方法,天线捕获跟踪采用单通道单脉冲体制方案。针对V 频段1. 8m 天线,解决了反射面赋性设计、精加工和形面精度测试,馈源小型化、精加工和装配,以及天线增益测试等难题。解决了V 频段单通道调制器芯片电路稳定工作和参数优化方法,实现了低噪声、高增益和高的和差通道隔离特性。在单机研制基础上,搭建了V 频段天线捕跟系统,通过外场捕获跟踪试验,获取了V 频段卫星通信天线捕跟系统关键参数:天线增益大于56dBi,低噪放噪声系数小于4. 2dB,自跟精度优于0. 05°。通过课题研究,验证了天线捕跟系统优良的跟踪性能,突破了V 频段关键单机设备研制技术,为后续型号应用积累了工程经验。     

一种Ku频段全向高增益天线设计

提出了一种工作于Ku频段的宽频带、高增益和H面全向的新型共面波导（CPW）的中心导体和左右地板交叉连接耦合馈电天线结构设计。csTMws。软件仿真结果表明,该结构在具有较小尺寸的同时,能够有效展宽工作频带和提高增益,并保持天线的全向性。利用CSTMWS。软件对天线表面电流的仿真,解释了天线具有宽带和全向高增益辐射的原因：终端加载的三角形单极天线引起CPW中心带条的电流为行驻波电流,使天线获得了较宽的阻抗带宽;10个天线辐射单元的表面电流近似等幅同相,使天线获得了全向高增益的性能。研制出了工作在Ku频段的CPW交叉连接耦合馈电天线并进行了测试。天线印刷于厚度为0．5mm的FR-4环氧树脂板上,其反射系数低于-10dB时的频带为12．4～13．5GHz,相对带宽达8．5％,H面全向最大增益为6．6dBi,表明测试结果与仿真结果吻合较好。整个天线的尺寸仅为81mm×6．1mm,可应用于Ku频段的通信系统中。     

随机馈相法对相控阵天线增益和指向精度的影响

分别以2位和3位数字移相器为例,研究了四舍五入法、适当随机量化法和预加相位法等3种随机馈相法,对均匀微带直线阵列的增益方向图和波束指向精度的影响,研究证明相对于四舍五入馈相方法,适当随机量化法和预加相位法能够极大地提高波束指向精度,但是在移相器位数较少的情况下增益会有少许损失。研究结果可为大型相控阵天线的设计提供参考。     

小型化星载Ku频段宽带扇形波束圆极化天线

为适应星载天线小型化、宽带、高性能的发展趋势,提出一种小型化星载Ku频段宽带扇形波束圆极化天线。通过在H面扇形喇叭口处加入曲折线圆极化器实现天线圆极化,将传统平面圆极化器变为半圆柱形,天线的包络尺寸减小近36%。同时,在喇叭口处增加介质透镜,在有限尺寸内将球面波调节为平面波。半圆柱极化器和介质透镜的设计可共同调节入射波束角度,提升天线的宽角波束覆盖性能。利用CST软件建立模型进行仿真,仿真结果表明：天线结构紧凑、波束覆盖范围宽,俯仰面大于11.3dBi的增益覆盖范围达90°。半圆柱极化器的设计为星载天线的小型化、低成本设计提供新的思路。     

Preliminary design of paraboloidal reflectors with flat facets

Based on the concept of approximating antenna surfaces using flat facets or triangulated cable networks, a geometric scheme to subdivide a parabolic surface is discussed. According to the proposed scheme, the paraboloid is divided at the aperture circle into six equal segments first, which form a regular hexagon. Then the regular hexagon is subdivided into equal regular triangles to form subelements. Finally, the points of intersection of these triangles are projected or mapped on the paraboloid surface using a suitable origin of coordinates to obtain the final nodal coordinates of the members along the revolution axis direction. An expression for the relation between the systematic deviation of the actual surface from the desired surface and the side length of the regular triangles on the antenna's aperture surface is developed, which can be used to determine the side length of the regular triangles, and in turn to determine the size of the reflector surface facets necessary to meet antenna surface accuracy requirements. Application on a 0.6-m offset reflector is described and the simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed technique in design of paraboloidal reflectors with flat facets.     

Reconfigurable dual feed antenna for direct broadcast satellites

Direct Broadcast Satellites covering large countries such as Canada, require more than one spacecraft, located at different orbital positions, as well as the use of multiple shaped beams. This would minimize eclipse requirements over several time zones, provide increased capacity by frequency reuse and permit the use of cost effective ground receivers.Two such satellites are envisaged, one covering Eastern Canada, the other Western Canada, using two different sets of three highly shaped beams. This paper is the result of a feasibility study of a satellite antenna designed such that while at either orbital location it can be reconfigured in orbit, by ground command and hence can save the cost of one additional spare spacecraft.An offset parabolic reflector is proposed for the 12 GHz downlink, with a switched “dual feed” structure, consisting of two separate but contiguous sets of pyramidal horns and their associated beam forming networks (BFN). Only one BFN set is used at any one orbital location. Detailed radiation patterns demonstrate good beamshaping capabilities, with coverage efficiencies of the order of 94%. Other considerations such as the effect of orbital locations, gain equalization and TWTA standardization are discussed.It is concluded that a satellite, reconfigurable in orbit with a “dual feed” antenna, is feasible and cost effective, for a DBS spare as well as for the main spacecraft.     

星载天线反射面型面热变形影响因素分析

星载天线在轨运行时受到周期性的温度变化影响,天线反射面会发生热变形,影响天线增益.热膨胀系数是描述结构热变形的重要参数,并且会随温度变化;在进行结构热变形分析时若将热膨胀系数视为常数会给仿真分析带来误差.文章以抛物面天线反射面为研究对象,考虑热膨胀系数随温度的变化,针对ULE玻璃和M55层合板材料的反射面,仿真分析反射...     

天线形变对风云卫星遥感图像的影响

为探究反射面天线形变对风云卫星毫米波和亚毫米波成像仪(MMSI)的亮温图像质量的影响,运用基于表面电流积分的物理光学方法计算天线辐射方向图,探究不同形式反射面天线形变下天线辐射特性的变化规律。结合MMSI的亮温图像的处理结果,评价图像质量的变化。实验结果表明:反射面天线的形变面积、形变位置和副反射面晃动发生变化时,天线的主瓣增益、副瓣电平和波束宽度等关键指标发生规律性变化,对MMSI的亮温图像质量产生不同形式的影响。当反射面天线的形变面积增大时,天线的主瓣增益减小,副瓣电平升高,进一步导致分辨率降低,噪声水平升高,亮温图像质量变差。     

一种星载扫描天线的分析与设计

为适应卫星平台的需要,达到卫星天线能够实现角度扫描(正负5度)和机械扫描结构尽可能简单的要求,本文设计了一种三反射镜配置结构的角度扫描天线。首先利用几何光学法设计了赋形面,然后确定了在不同的扫描角度时,平面镜移动到的位置点。最后,利用高斯衍射波束分析方法(Diffraction Guassian Beam Analysis)进行了电性能的仿真验证。结果显示,在所需角度的扫描范围内,其具有较高的主面孔径利用效率和扫描机械结构简单的特点。在兼顾角度扫描和机械扫描结构简单的条件下,天线达到了所需的性能要求。     

一种高效率双极化短背射天线设计

介绍了一种改进型的短背射天线,通过增加扼流槽的方式有效提高天线的增益,实现了高达80%的口径效率;同时通过优化副反的形状有效改善短背射天线驻波带宽,在约12%的带宽内具有19dBi的高增益特性和优于1.5的驻波带宽。实测结果有效验证了该设计的正确性和有效性,由该结构构成的短背射天线具有效率高、副瓣低、功率容量大的特点,可很好的满足星载应用。     

星载双反射抛物面天线热变形分析

星载天线在轨运行时受到空间外热流的影响，会经历周期性的高低温交变，导致其反射面产生热变形。为了保证星载天线稳定运行，选取某型号星载双反射抛物面天线作为研究对象，采用有限元法对天线高温工况下的在轨温度场进行分析，进而将天线上分布的温度载荷作为边界条件映射到结构场中进行热变形分析；同时详细分析了材料属性、铝蜂窝芯厚度、碳纤维贴层厚度、反射面支撑约束位置等因素对双反射抛物面天线热变形的影响，以期为星载天线结构优化设计提供理论参考。     

一种应用于卫星通信的小型双频天线设计

文章提出一种应用于卫星通信的小型化双频天线。为了实现天线的小型化和双频段工作，在圆形单极子天线上进行了削顶和矩形切割操作；为了有效扰动电流路径而进一步缩小天线尺寸、扩大天线带宽，在天线上表面和下表面又分别刻蚀了圆环槽和对称C型槽，改善天线的阻抗匹配。天线最终尺寸为16mm×18.5mm×1.6mm。利用电磁仿真软件对天线性能进行了仿真，结果表明：该天线能够在4.76GHz~9.25GHz和10.46GHz~14.2GHz两个频段内工作，最大增益为5.9dBi，平均增益为4dBi，且满足圆极化条件，具备良好的辐射特性。     

关于双反射面天线的两个优化问题

在航天器上和地面站中,广泛采用着双反射面天线。本文探讨了双面天线的两个优化问题。当主面为现存的抛物面时,使副面优化赋形,从而比之经典双面(抛物面——双曲面)的增益提高(0.48～0.40)~(dB)(对应于D/λ=20～100)。寻求偏置柱形双反射面系统的最佳设计,使其在馈源方向图变化时,口径场分布最接近同相等幅。