航天卫星通信天线设计技术

1.天线性能设计

通常，通信卫星载荷由天线与转发器组成，其中天线为覆盖区提供特定极化的特定辐射方向图，提供通信链路闭环要求的天线增益，并能够实现收发双工，为极化复用系统提供高的交叉极化隔离，或者提供区域隔离和旁瓣赋形功能。通信链路的关键参数为增益噪声温度比（G/T）和等效全向辐射功率（EIRP）。在设计时，这两个参数与天线在收发频段的天线增益相关，而通信链路品质由信噪比决定，直接依赖于收发天线增益值。通常，天线设计师花费大量时间进行天线覆盖区增益优化，直到获得天线增益接近理论值。天线设计中的其他技术挑战还包括降低天线前端损耗设计、馈源组件功率耐受设计、天线低无源互调（Passive Inter-modulation，PIM）设计以及提高天线极化隔离度等。

2.馈源组件设计

通信卫星天线工程设计应考虑空间环境适用性设计，包括空间热交变、大功率耐受、无源互调（PIM）、静电放电、振动、冲击、噪声等。一般地，天线硬件由反射器组件、馈源组件等组成，反射器组件实现以特定增益和波束形状覆盖地面，而馈源组件是卫星天线系统中的关键部件，决定整体天线系统的极化、带宽、功率耐受能力、PIM电平、静电放电等特性。馈源组件能够以足够隔离度分离不同频带信号，并提供良好的自由空间匹配，实现对反射器的照射或作为直射阵辐射单元。典型馈源组件由喇叭、正交模转换器、滤波器或双工器、极化器、适配器、功分/功合网络以及射频对外接口等组成。当前通信卫星的馈源组件主要工作在UHF、L、S、C、X、Ku、K、Ka、EHF或V频段。

在工程应用中，通信卫星载荷系统要求馈源具有轻量化、低损耗、大功率、高可靠性等特点。馈源结构设计中，应满足卫星发射和空间环境的环境适应性，并进行尺寸优化、减重以及结构集成。在实践中，经常会聚焦于个别性能指标而导致馈源整体性能下降，造成设计反复而影响产品研发进度。在馈源产品加工中，PIM阶数与功率量级直接影响产品加工方法。一般地，对于19阶及以上阶数的PIM可以忽略其影响，但必须采取措施来降低低阶数的PIM，比如减少法兰连接、增强法兰压力、使用扼流法兰等。再则，考虑到馈源在极限温度下结构的膨胀与收缩，需要在工作频段外设计保护带宽，以应对馈源性能随温度的变化情况。

3.反射器组件设计

反射器组件一般采用金属反射面、复材反射面或者金属网面等。通常，口径小于1 m的反射面采用金属反射面，口径小于3 m的反射面采用碳纤维复材反射面，更大口径的反射面则采用可展开式金属网面天线。反射面的形面精度对整体天线波束性能影响明显，而赋形反射面中的形面曲率实现能力也是影响反射面材料选取以及天线模具实现的重要因素。此外，反射面的热稳定性对通信天线在轨性能至关重要，工程设计中需要关注其热形变（TED）特性，并对天线波束性能受反射面热形变的影响进行评估。受其表面处理方式以及材料特性影响，反射面的欧姆损耗也会有所差别，并在不同频段的损耗方面存在明显差异。在Ka频段多波束天线应用中，反射器的轻量化、模块化对多口径反射面天线系统的工程应用意义重大，需要在反射面蜂窝芯选取、反射面背架结构等方面进行针对性设计。

碳纤维具有导电特性，在30 GHz（某些条件下可扩充到60 GHz）以下的频段上具有良好的射频特性，因此可以作为天线反射器的表面材料。星载反射面天线的反射器通常采用“三明治”形式的夹层结构，上下两层较薄，为碳纤维复合材料，中间是支撑反射器的蜂窝层，如图6-4所示。上层复合材料面板利用反射器模具形面成型技术形成满足电性能要求的曲面，蜂窝层及下层复合材料面板则保证了反射器在结构上具有良好的稳定性和满足卫星应用的刚度性能要求。反射器的上、下两层碳纤维复合材料铺层分为单向带铺层、编织纤维铺层和三向织物铺层三种铺层；中间的蜂窝夹层分为芳纶纤维、碳纤维和铝材三种蜂窝结构。

图6-4　夹层结构反射器结构示意

碳纤维复合材料是向树脂基体中加入各种不同形式的碳纤维，经过一定方法混合后得到的一类具有一定导电性的复合材料。碳纤维导电具有方向性，因而碳纤维在复合材料中的形态结构、分布状况决定了材料的性能。碳纤维沿纤维轴向和垂直于纤维轴向的电、磁、导热、比热、热膨胀系数以及力学性能等，都有一定的差别，具有各向异性。工程中反射面由于首层铺层方向的差异而具有去极化效应，导致反射面天线的交叉极化性能恶化。随着频率的升高，碳纤维复合铺层的去极化特性增强，铺层在30 GHz去极化效应相对10 GHz交叉极化电平提升10 dB以上。

在反射面中经常还会应用到频率选择面技术和双栅天线（极化选择面）技术，通过在反射面表面铺覆（或埋设）频率选择图案或金属条带，达到在空间上实现对不同频率或不同极化电磁波的分离，最终实现多频/多极化天线功能。

4.双轴驱动机构

双轴驱动机构可使天线指向轴绕两个相互垂直的机械转动轴转动扫描，是天线转动的驱动核心。在机械可动波束天线中，天线指向驱动机构一般为X-Y型，由两个轴的转动单元和相关支架等组成，主要部件及功能如下：

（1）X支架：固定连接在展开机构或支撑结构上，并确定机构x轴方向的支架。

（2）中间支架：可绕x轴转动，并确定y轴方向的支架。

（3）Y支架：与天线固定连接，可绕y轴转动的支架。(www.xing528.com)

（4）x轴转动单元：可在伺服控制器的驱动下使中间支架绕x轴转动，并向控制器反馈中间支架实际转角信号。

（5）y轴转动单元：可在伺服控制器的驱动下使Y支架绕y轴转动，并向控制器反馈Y支架实际转角信号。

（6）低频电缆：天线指向机构的控制驱动电缆。

目前常用的天线X-Y型指向驱动机构构型有双臂支架型、两轴共面型和单臂支架型三种，各种构型的典型结构如图6-5～图6-7所示，表6-2给出了双轴驱动机构构型特点及其应用建议。

图6-5　双臂支架型双轴驱动机构示意

图6-6　两轴共面型双轴驱动机构示意

图6-7　单臂支架型双轴驱动机构示意

表6-2　双轴驱动机构特点及其应用建议

双轴驱动机构的热控方式有主动热控和被动热控两种，主动热控一般为单向加热型热控，目的在于解决机构温度过低的问题，有较强的低温热控功能，但没有高温热控功能。机构高温热控要靠被动热控方式解决，热控功能相对较弱，因此在热分析和热控设计时要特别关注指向机构的高温工况。双轴驱动机构常用热控措施如表6-3所示。

表6-3　双轴驱动机构常用热控措施

在通信卫星天线的工程应用中还涉及天线装配校准技术、环境试验技术以及天线系统测量技术等方面。除了物理外观检验以及传统天线测量手段外，对结构指向与反射面形面的光学测量、环境适应性验证（力学试验、热真空试验等）以及天线PIM测量、微放电测量等方面都需要进行有针对性的试验方案设计与软硬件技术能力的支持，完成天线在轨最终性能、结构与材料的地面验证。