行星探測太空飛行器天線技術

《行星探測太空飛行器天線技術》是2013年出版的圖書，作者是William A. Imbriale。

詳細信息

行星探測太空飛行器天線技術

作者：[美]William A. Imbriale 主編 李海濤 於益農 譯

ISBN：9787302310709

定價：79元

印次：1-1

裝幀：精裝

印刷日期：2013-6-6

前言

行星探測太空飛行器天線技術追溯了噴氣推進實驗室(JPL) 從1958年開始最早的人造衛星天線至今太空飛行器天線的發展。本書內容主要針對天線的射頻（RF）設計與性能，同時也包括了有關環境和機械方面的內容。本書介紹了在其整個發展歷程中所引入的所有新設計與技術革新，同時還全面論述了所有用於設計與性能評估的分析和測量技術。本書既可作為該領域的入門教程，也可作為業內高級從業人員的參考資料。書中的專業技術術語是假設讀者已經熟悉了電磁學高級課程中的基本工程和數學概念。

本書是對2002年出版的介紹支持太空飛行器的所有地面天線的《深空網大天線技術》一書的補充。這兩本書加在一起，完整地記述了JPL的天線技術。同時，與深空通信及導航叢書一起，收集了很多在過去幾十年中使深空遠程通信性能顯著提高的技術革新。

與大多數太空飛行器天線一樣，很多相關人員對工程的成功做出了貢獻，但不可能在書中的每個章節列出所有人的名字。當然，這也不是一個合適的地方。特有的榮譽是通過完整地引用所有參考文獻和材料出處的原始資料給予的。每章的署名者是內容的執筆者，並且他們完成了後續的編輯過程，但他們不一定是文中所描述工作的主要參與者。同時，允許那些沒有參加實際設計工作而寫作或者是一章的合著者署名。為了完整性，這種類型的努力有時是需要的，這是因為有些參與早期太空飛行器工程實際工作的人沒有參與寫作或者已經過世。編者William A. Imbriale2006年1月致謝在此，我對Joseph H. Yuen先生在本書原稿寫作過程中給予的堅定不移的支持表示感謝。我還要深深地感謝Cynthia D. Copeland對內容的錄入，Roger Carlson和Pat Ehlers對原稿的編輯以及Judi Dedmon對本書最終稿的排版。還要對各章或各章部分內容的作者表示感謝，有貢獻的作者在每章的標題後都予以了標註。我還要感謝Paul W. Cramer, Jr.為第2章和第3章的寫作提供了很多資料，並對這兩章進行了審閱，感謝Raul Perez提供Cloudsat數據和Daniel J. Hoppe, Vahraz Jamnejad, David J. Rochblatt等人認真閱讀後對部分章節提出的十分寶貴的建議。William A. Imbriale2006年1月行星探測太空飛行器天線技術編著者介紹編著者介紹Richard E. Cofield1974年獲得加州理工學院(帕薩迪那，加利福尼亞州)套用物理學士學位, 1982年獲得加州大學（洛杉磯，加利福尼亞州）（UCLA)電子工程碩士學位。1978年Cofield加入噴氣推進實驗室(帕薩迪那，加利福尼亞州) (JPL) 從事星載雷達和對地觀測輻射測量儀器的天線和光學系統的設計、分析與校準工作。他的研究方向包括反射面天線和準光學饋源系統。

Gregory L. Davis在賴斯大學（休斯敦，德克薩斯州）獲得機械工程博士學位。Davis博士擁有阿克倫大學（阿克倫，俄亥俄州）物理學學士和碩士學位。Davis博士作為機械工程技術人員已經在JPL工作了16年，現在是機械系統部的首席技術專家。在此之前，Davis博士是致力開發用於空間套用新穎輕便結構的先進展開結構組的主管。再之前，Davis博士是火星探測漫遊者(MER)項目負責巡航、進入、下降和著陸的機械系統工程師。

Mark S. Gatti1980年在新墨西哥州大學(拉斯克魯塞斯，新墨西哥州)獲得了電子工程學士學位，1986年獲得加州大學（北瑞支，加利福尼亞州）電子工程碩士學位。Gatti先生於1981年加入JPL從事太空飛行器射頻(RF)系統和天線的設計、分析與測試工作。Gatti先生已經屬於深空網(DSN)的領導層，並且是通信地面系統部的部門副經理。最近，Gatti先生已經成為負責DSN天線陣計畫立項前工作的系統經理。

Richard E. Hodges在奧斯汀的德克薩斯大學獲得電子工程學士學位，在加州大學（北瑞支，加利福尼亞州）獲得電子工程碩士學位，並在加州大學（洛杉磯，加利福尼亞州）獲得電子工程博士學位。Hodges先生以前的工作經歷包括休斯飛機公司雷達系統組Rantec/MDM(查茨沃斯, 加利福尼亞州)和雷聲天線/非金屬技術中心 (洛杉磯，加利福尼亞州)。 Hodges博士從1988年至1993年，從2001年至今在JPL工作，他是太空飛行器天線組的主管。

Daniel J. Hoppe分別於1982年和1983年在麥迪遜的威斯康星大學獲得學士和碩士學位，1994年獲得加州大學（洛杉磯，加利福尼亞州）（UCLA）電子工程博士學位。1984年Hoppe加入JPL, 目前是首席工程師。在JPL，Hoppe先生已經開發了用於解決眾多電磁散射問題的程式，為深空網的大型天線設計了微波部件，並設計了太空飛行器套用天線。最近，Hoppe博士主要致力於大型天基望遠鏡的衍射建模。

John Huang於1970年在密支安理工大學（霍頓，密支安州）獲得電子工程學士學位，1971年在加州大學伯克利分校獲得碩士學位，1978年在俄亥俄州立大學(哥倫布, 俄亥俄州)獲得博士學位。Huang先生在加利福尼亞州中國湖的海軍武器中心工作了6年。Huang先生從1980年開始在JPL工作，他的研究工作包括微帶天線、移動車輛天線、天線小型化技術、太空飛行器天線、相控陣、反射陣和可充氣天線。

William A. Imbriale1964年在魯特熱爾的新澤西州立大學（新布倫瑞克，新澤西州）獲得工程物理學學士學位，1966年在UCLA獲得電子工程碩士學位，1969年在厄巴納尚佩恩的伊利諾伊大學獲得電子工程博士學位。Imbriale博士於1980年加入JPL，是通信地面系統部的高級研究人員。Imbriale領導了大型地面天線、輕便太空飛行器天線和毫米波太空飛行器測量儀器先進技術的開發，同時是目前NASA技術契約的主調查員。Imbriale博士也是地面天線與設施工程部負責微波技術的副經理和射頻與微波子系統部的部門經理。

Rolando L. Jordan分別於1959年和1962年在麻省理工學院(坎布里奇，麻薩諸塞州) (MIT)獲得電子工程學士和碩士學位。Jordan先生從1963年開始在JPL工作，是雷達科學與工程部的首席工程師。Jordan先生是眾多星載雷達系統負責系統工程的系統工程師，包括阿波羅17月球探測器、SeasatA合成孔徑雷達系統、星載成像雷達C和火星快車上用於表面和電離層探測的火星先進雷達。

Yunjin Kim分別於1985年和1987年在賓夕法尼亞大學（費城，賓夕法尼亞州）獲得電子工程碩士和博士學位，於1983年在薩克拉門托的加州州立大學獲得電子工程學士學位。Kim博士從1989年開始就已經在JPL參與了星載雷達的開發工作。目前，Kim博士是Hydros項目經理。

Roberto Mizzoni於1984年在義大利獲得羅馬大學物理學博士學位。1987年加入Alenia Spazio (羅馬，義大利)之前，Mizzoni博士在Selenia S.p.A. (羅馬，義大利)從事兩維雷達和三維相控陣研究工作，在Elettronica S.p.A. (羅馬，義大利)從事寬頻定向/電磁兼容天線研究。Mizzoni博士在遠程通信、地球觀測、導航和科學探測空間天線的設計和開發方面具有豐富的經驗。Mizzoni博士擁有三項專利，並且是Alcatel Alenia Space (羅馬，義大利)天線電子單元設計的領導。

Rebekah L. Tanimoto於2004年在UCLA獲得航天工程學士學位，目前正在UCLA攻讀航天工程碩士學位。Tanimoto小姐從2004年開始在 JPL工作，從事先進充氣結構領域的研究工作。

Joseph Vacchione於1985年獲得東北大學（波士頓，麻薩諸塞州）電子工程學士學位，在俄亥俄大學獲得碩士學位，1990年又在該校獲得博士學位。 Vacchione博士1990年加入JPL，從事航天飛行套用天線的設計與開發工作。他在深空遠程通信天線和遙感科學測量天線方面有著豐富的經驗，目前是地球軌道科學測量天線的技術帶頭人。

目錄

第1章 概述1

1.1技術需求3

1.1.1分配給深空通信的頻段4

1.1.2推薦的接入鏈路頻段4

1.2反射面天線設計分析技術5

1.2.1天線輻射方向圖分析5

1.2.2饋源喇叭分析12

1.2.3球面波分析14

1.2.4雙反射器賦形15

1.2.5雙色面反射器分析17

1.2.6網狀結構分析21

1.3線天線27

1.3.1理論公式27

1.3.2任意形狀線和線連線29

1.4微帶天線的分析、設計與套用29

1.4.1引言29

1.4.2技術背景30

1.4.3分析、設計和CAD工具35

1.4.4太空飛行器套用 49

1.4.5概括和結論 52

1.5天線測量 52

1.5.1遠場測量54

1.5.2近場測量 57

1.5.3結論62

參考文獻63

第2章早期時代73

2.1探索者Ⅰ號74

2.2先驅者3號和 4號75

2.3徘徊者號計畫77

2.3.1高增益天線系統79

2.3.2全向天線84

2.4勘測者號87

2.4.1勘測者號無線電開關網路和天線系統88

2.4.2高增益平面天線陣 89

參考文獻92

第3章行星飛越94

3.1水手系列95

3.1.1水手1號和2號95

3.1.2水手5號97

3.1.3水手10號100

3.2飛向外行星的旅行者號任務 103

3.2.1旅行者號S/X頻段天線分系統 105

3.2.2要求106

3.2.3旅行者號高增益天線106

3.2.4旅行者號S頻段饋源和低增益天線設計 111

3.2.5旅行者號頻率選擇表面（FSS）副反射面 116

參考文獻117

第4章火星任務119

4.1火星任務概況119

4.2NASA 火星軌道器/著陸器122

4.2.1水手3號和4號122

4.2.2水手6號和7號123

4.2.3水手8號和9號126

4.2.4海盜號126

4.2.5火星觀測者129

4.2.6火星全球勘測者130

4.2.7火星氣候軌道器 132

4.2.8火星極地著陸器 133

4.2.9火星奧德賽134

4.3火星漫遊器134

4.3.1火星探路者134

4.3.2火星探測漫遊器144

4.4後續的火星探測 154

參考文獻158

第5章軌道飛行器161

5.1探測金星的麥哲倫號161

5.1.1麥哲倫號太空飛行器164

5.1.2高增益天線分系統165

5.1.3中增益天線166

5.1.4麥哲倫號的高度計天線167

5.2伽利略號天線系統170

5.2.1任務描述173

5.2.2要求174

5.2.3高增益天線的權衡研究179

5.2.4挑戰者號失事之後的改進180

5.2.5選定的高增益天線設計182

5.2.6射頻系統——高增益天線185

5.2.7低增益天線系統192

5.2.8結論197

5.3卡西尼號高增益天線分系統198

5.3.1對高增益天線的要求和限制因素199

5.3.2布局選擇201

5.3.3天線建模和分系統設計205

5.3.4S頻段的天線性能219

5.3.5X頻段的天線性能220

5.3.6Ku頻段的天線性能221

5.3.7Ka頻段的天線性能225

5.3.8結論226

參考文獻227

第6章用於地球科學的星載SAR天線233

6.1概述233

6.2星載地球科學SAR天線的特性235

6.3海洋衛星SIRA和SIRB星載天線243

6.4SIRC和SRTM天線247

6.5未來的天線技術和總結評價257

6.5.1天線結構技術258

6.5.2電磁輻射體技術258

6.5.3天線電子器件技術259

參考文獻260

第7章星載測量設備組件262

7.1輻射計262

7.1.1微波（大氣）探測單元263

7.1.2海洋衛星和Nimbus7衛星上的多頻段掃描微波輻射計265

7.1.3TOPEX/海神水汽輻射計269

7.1.4詹森(Jason)微波輻射計272

7.1.5羅塞塔(Rosetta)軌道器上的微波測量設備274

7.2微波邊緣探測器(MLS)277

7.2.1UARS MLS278

7.3地球觀測系統(EOS)MLS285

7.3.1天線要求286

7.3.2折中考慮287

7.3.3選擇的設計方案 288

7.3.4輻射計未來的任務293

7.4散射儀293

7.4.1扇形波束測量設備: 海洋A星散射儀294

7.4.2扇形波束測量設備: NASA散射儀(NSCAT)295

7.4.3筆形波束散射儀: QuikSCAT和SeaWinds300

7.4.4未來的散射儀任務303

7.5測雲衛星系統(CloudSat)303

7.5.1雲團截面測量雷達(CPR)304

7.5.2天線要求305

7.5.3準光學傳輸系統線(QOTL)306

7.5.4校準天線309

7.5.5測量結果314

7.6寬刈幅海洋高度計315

7.6.1天線要求 316

7.6.2貼片陣元設計 318

7.6.3饋源設計319

7.6.4樣機測試結果 322

7.6.5結論324

7.7總結325

參考文獻326

第8章天線系統機械結構的發展332

8.1具有歷史意義的天線系統332

8.1.1回聲氣球332

8.1.2軌道建造示範項目 333

8.1.3電控賦形薄膜反射天線334

8.1.4Lockheed纏繞肋天線335

8.1.5Astro網狀反射體336

8.1.6充氣天線試驗337

8.1.7大型雷達天線計畫338

8.2實用性340

8.2.1機械結構340

8.2.2其他機械設計考慮344

8.3天線技術發展346

8.3.1任務的技術驅動346

8.3.2關鍵技術與要求346

8.3.3技術發展水平評估348

8.3.4技術發展途徑348

8.4未來天線系統的發展 350

8.4.1雷達高度計351

8.4.2合成孔徑雷達351

8.4.3大氣雷達351

8.4.4散射儀352

8.5結束語352

參考文獻354

第9章各種類型的其他天線356

9.1太陽探測器天線356

9.1.1太陽探測器描述356

9.1.2天線技術要求357

9.1.3太陽探測器的熱保護罩/拋物面天線358

9.1.4頻率和饋源要求359

9.1.5饋源設計359

9.2深度撞擊任務S頻段貼片陣列天線363

9.2.1深度撞擊任務描述363

9.2.2天線的技術要求364

9.2.3天線設計365

9.2.4測量結果370

9.2.5環境試驗373

9.2.6當前狀態376

參考文獻376

第10章針對未來任務的星載天線研究及發展動向378

10.1充氣式陣列天線379

10.1.1充氣式L頻段SAR陣列天線380

10.1.2Ka頻段3m反射陣382

10.1.3充氣式陣列天線的技術挑戰388

10.2可摺疊框架支撐的薄膜陣列天線391

10.2.1天線描述392

10.2.2天線性能測試394

10.3用於波束掃描的薄膜陣列天線395

10.3.1天線描述397

10.3.2天線性能測試結果397

10.4印製反射陣天線400

10.4.1印製反射陣天線的優點和缺點402

10.4.2發展歷史回顧402

10.4.3分析和設計程式404

10.4.4頻寬問題408

10.5套用和近期發展409

10.6小結413

參考文獻413

縮略語418