太空飛行器天線

太空飛行器天線亦稱空間飛行器天線，用於衛星、飛船、空間站和深空探測器。天線按功能分類有遙測、指令、跟蹤、測速、數據中繼、通信廣播、科學探測、遙感、測向、交會雷達、著陸導航等等，其型式多種多樣，工作頻率從甚低頻到毫米波段。

太空飛行器天線有時比太空飛行器本體大得多(例如ATS一6,TDRs)，有時幾乎就是太空飛行器大部分表面。未來太空飛行器天線的功能將更加完備，種類將更為複雜;有些天線將愈加龐大，而地面天線則愈為靈巧簡便。

基本介紹

• 中文名：太空飛行器天線
• 外文名：space-vehicle antenna
• 主要參數：方向圖
• 又稱：空間飛行器天線
• 主要電性參量：天線的輻射（接收）場
• 設計標準：避免機械諧振

簡介

太空飛行器天線亦稱空間飛行器天線，用於衛星、飛船、空間站和深空探測器。天線按功能分類有遙測、指令、跟蹤、測速、數據中繼、通信廣播、科學探測、遙感、測向、交會雷達、著陸導航等等，其型式多種多樣，工作頻率從低頻到毫米波段。太空飛行器天線有時比太空飛行器本體大得多(例如ATS一6,TDRs)，有時幾乎就是太空飛行器大部分表面(例如Tranist一1)。Apollo飛船有15類天線分別裝於指令艙、服務艙和登月艙，作為飛船與地面、艙與艙、飛船與登月太空人以及月面與地面之間的多種無線電聯絡用。計畫以太空梭重複運輸部件，可在空間組裝直徑達1公里以上的大型天線陣列，用於衛星太陽能微波電站；一種衛星繩系天線長達100公里，工作於極低頻，能與海底進行通信。未來太空飛行器天線的功能將更加完備，種類將更為複雜;有些天線將愈加龐大，而地面天線則愈為靈巧簡便。

太空飛行器天線特點

太空飛行器天線型式多種多樣，工作頻率從甚低頻到毫米波段。不控制對地姿態的太空飛行器，天線方向圖應具有全方向性，如相位旋轉激勵的四根振子天線。自旋軸對地恆定的太空飛行器，其天線方向圖為“8”字形旋轉體，例如雙錐天線或多元圓形陣列。機械消旋或電子消旋技術可使天線窄波束恆指地面，用於通信或氣象數據傳輸。“阿波羅”號載人飛船上有15種天線，分別裝於指揮艙、服務艙和登月艙上，供飛船與地面、艙與艙、飛船與登月航天員、月面與地面之間聯絡用。

太空飛行器天線除常規要求外，還須適應下列特點：

（1）太空飛行器姿態和軌道變化很大，且與地面距離很遠，故其天線和地面天線兩者均宜為圓極化而且旋向一致。

（2）太空飛行器在發射時速度極高，如無整流罩，則天線應有良好的氣動外形，或採用平裝式，以減小氣動阻力和氣動加熱。運載火箭限制了天線尺寸，故大天線在太空飛行器發射時處於壓緊狀態，入軌後彈開。輕型網狀結構反射面天線可由摺疊狀態伸展到工作狀態，伸縮比達20以上。為保證天線有足夠視野，天線往往用支桿撐出離開太空飛行器。為避免對太空飛行器姿態的干擾，應儘量減少天線的活動部分，力求力矩或轉動慣量最小。反射面天線用網狀結構可減輕太陽輻射壓力。

（3）空間失重環境有利於採用大型伸展結構天線。

（4）空間真空度很高，長期工作的天線所用有機材料的分子逸出會使性能變壞。

（5）大型拋物面天線因溫度交變有可能變形，導致天線增益下降。如一些空間探測器的天線溫度變化範圍達-200℃～+75℃，需要採用石墨纖維-環氧樹脂面板和鋁蜂窩夾層結構等接近零膨脹係數的複合材料作反射面。

（6）空間帶電粒子輻射會影響天線材料性能。

天線的輻射（接收）場

輻射(接收)方向圖是太空飛行器天線最主要的電性參量之一。對於強方向性天線，希望其增益儘可能高(增益>=G20dB，以無方向性天線增益為比較標準，以下類同)；對於中等方向性天線(10dB~20dB)，要求其方向圖形寬窄適度；對於弱方向性天線( ),則希望其在寬闊的覆蓋區內增益不低於規定值；多波束天線則要求其具有特殊形狀的波束。

天線的方向圖類型

“全方向圖形”用作對全空間覆蓋，它適用於姿態對地面任意的太空飛行器。超高頻測控跟蹤天線常用相位旋轉激勵的連根振子組合,以獲得全方向圖。當太空飛行器內儀器工作失常或姿態翻滾，須接收應急指令恢復正常工作或自行炸毀，此時要求指令天線具有全方向圖形。

自旋穩定而旋軸平行於地面的衛星，其天線應有“8”字形旋轉體的弱方向圖形。微波雙錐天線或雙圓盤天線屬此類型。另一型式是在衛星柱形或球形表面布置同相等幅陣列，陣元數有時多至128個，亦能獲得類似上述圖形。

用軸旋對稱的弱方向圖時有大量功率浪費，如採用機械或電子消旋天線使波束恆指地面，則可克服此缺點。覆球波束半功率寬度應大於17.30，此種波束屬於“窄波束”範疇。三軸穩定式靜止衛星如要獲得此種波束，自不必採用消旋天線。

“點波束”亦稱“強定向波束”或“筆形波束”，它用於衛星和地面小區域之間，或兩顆數據中繼衛星之間的無線電聯絡.現時最窄的波束寬度為 ，系由“跟蹤和數據中繼衛星(TDRS)”上的拋物面天線所產生。

“扇形波束”的方向圖橫切面為長橢圓形，它用於衛星和地面長方形區域之間的無線電聯絡。’遙感衛星上使用此種天線，由於波束窄而提高解析度，旁瓣電平低而減少無用信號。
近地衛星和地面各點的距離變化懸殊，當天線波束形狀為倒置的近似“凹”形旋轉體時，在距離大的方向增益大，距離小的方向增益小，於是覆蓋區內增益大致均勻。這種特定形狀的弱方向性波束稱為“賦形波束”。但是，常稱的賦形波束則指下述情況。
“賦形波束”又稱“成形波束”，用於衛星和地面特定版圖之間的無線電聯絡。例如通信廣播衛星天線，其波束橫截面形狀應與國土形狀相吻合。對於中國版圖而言，簡單的賦形波束形狀可為橢圓。如用2波束、3波束乃至更多波束合成，可獲得較好的賦形。

天線的相位方向圖

如果天線輻射場相位值不隨方向變化，則相位方向圖為球面，球心稱為“相位中心”。如相位方向圖不是球面，則天線無相位中心。多波束賦形天線用饋源陣列激勵拋物面時，陣元應有各自的相位中心並偏焦於特定位置，方可使二次波束在空間合成獲得良好賦形。
星載天線的相位方向圖還和衛星的測速精度有關。衛星運動使地面站接收到的頻率異於衛星天線發射頻率(稱為“都卜勒效應”)，產生頻偏，由此可獲得衛星相對於地面站的速度分量。多站接收可獲得速度矢量。但由於天線輻射場相位隨方向變化，而衛星姿態滾動與俯仰又隨時間變化，於是相位將隨時間變化而產生所謂“附加頻偏”，導致測速精度下降。顯然，如天線相位方向圖較為平坦，附加頻偏才不致對測速精度有較大影響。電離層對測速精度也有影響，此影響在雙頻測速體制時較單頻測速為小。

天線與電磁波的極化

橢圓極化波可分解為相互正交的兩線極化分量，可稱其一為垂直極化、另一為水平極化。·當此兩分量大小相等而相位差為 或 ，則橢圓極化波成為圓極化波(有左旋和右旋之別)。垂直極化天線只發射或接收垂直極化波，右旋圓極化天線只發射或接收右旋圓極化波。
(1)在星載線極化天線情況下，如衛星姿態任意且位置移動，則地面線極化天線接收到的信號因極化失配而有大的起伏。此時地面應採用圓極化天線以使信號穩定，但仍將有3分貝極化損失而使作用距離縮小到原值0.707倍。較好的辦法是衛星和地面均採用左旋或右旋圓極化天線。然而衛星天線不可能在其覆蓋區內都有良好的圓極化輻射，大部分區域是橢圓極化，它與圓極化地面天線之間仍有部分極化失配。當地一面天線採用“極化跟蹤”技術時，其極化狀態可自動調整以與來波匹配;此時雖然地面天線系統複雜，但可不必顧慮來自衛星天線的電波極化狀態。
(2)垂直與水平極化互稱或合稱交叉極化，左旋與右旋圓極化亦互稱或合稱交叉極化，在波束中，常有交叉的兩個極化場。當衛星天線波束中只用某一極化場載送信息時，其交叉極化場電平應儘量低，以免功率損失。當波束中用交叉兩極化場同時載送各自信息時，各自的交叉極化場也應儘量低，以免信息互擾。
(3)衛星天線的線極化波穿過電離層到地面時，極化面將旋轉一角，這種“去極化(depolarization)”現象稱為“法拉第效應”。偏轉角通常反比於頻率二次方，故頻率愈低轉角愈大。如地面天線採用線極化，則能由極化偏轉角探測電離層電子濃度;為此，衛星天線的線極化純度應高。衛星天線的圓極化波通過對流層時將變為橢圓極化，也稱為去極化效應，它使功率有所損失，頻率高於10GHz:時尤為顯著。
(4)衛星有源遙感天線的發射一接收極化常具有各種組合(組合HV表示天線發射水平極化波並接收垂直極化波;尚有HH、 V V組合)，如此可獲得地面反射的較多信息。

太空飛行器總體與天線的關係

1.太空飛行器天線在電性能、機械結構、溫度控制以及總體布局之間，往往互為矛盾。例如，減小天線尺寸會使其效率下降，使用耐熱材料會使重量增加。天線布局受衛星形狀和表面位置限制，但根據天線功能、工作頻率和衛星軌道姿態，天線又必須放在特定位置.多種天線相互為鄰，在電性上各種天線不可自相妨礙。太陽電池板會影響天線工作，而天線陰影落在電池板上又會降低電池效率。天線還會擾動探測空間電磁場的感測器的作用，所以，電磁兼容問題必須足夠重視。

2.運載器和整流罩限制了天線尺寸和安裝空間，大型天線在衛星發射時只能處於壓緊狀態，等衛星入軌、整流罩拋開後，天線才能彈起鎖定，這又增加了結構上的複雜性。金屬整流罩在拋開之前還會使電波禁止，因而須附加天線並使用切換裝置。
3.對於弱方向性天線，因星體金屬蒙皮載有電流，星體在電性上也成為天線的一部分。即使是中等方向性的天線，也會因星體邊緣或星上突起物的電波反射與繞射而產生干涉作用，使波束形狀變化。非金屬防熱材料的衛星殼體也會對天線的電磁輻射產生影響。天線與殼體的防熱結構應協調設計。
4.強方向性反射面天線的熱變形和製造誤差所致的面形偏差，會影響天線方向圖形和增益。須將天線電性能、天線熱效應以及天線結構和衛星作為一體用計算機進行分析設計。
5.設計天線時，還須考慮避免衛星本體和天線結構產生機械諧振。