一種滿足靜止氣象衛星測控要求的天線設計方案

王 涵,姜 通,張國升

(上海衛星工程研究所,上海 200240)

0 引言

我國研制的新一代地球靜止軌道氣象衛星采用全新的衛星平臺。作為一個全新的衛星平臺,需滿足衛星測控分系統正常工作的要求。測控天線作為衛星測控分系統的重要組成部分,實現地面遙控指令的接收與衛星遙測信息的發送,是衛星與地面間的“橋梁”,因此測控天線設計是保證測控系統正常工作的重要環節。與星上其他天線不同,為保證衛星在任何條件下測控通信都能正常工作,在滿足增益要求的同時,要求天線波束盡可能寬,其理想狀態要求天線波束覆蓋為全向,實際要求測控天線具備準全向波束。本文對一種滿足靜止氣象衛星測控要求的天線設計進行了研究。

1 衛星平臺

我國新一代靜止氣象衛星姿態控制采用三軸穩定,與第一代自旋穩定的衛星相比,其特點為：一是新平臺攜帶載荷多。除原可見光及紅外觀測外,增加了大氣垂直觀測、閃電觀測等對地觀測系統。二是覆蓋頻段范圍廣,無線傳輸通道多。頻段從UHF頻段到X頻段,天線既有接收通道也有發射通道。為提高衛星業務能力,星上還采用了極化復用和頻分復用。三是信息傳輸速率高。遙感器速率可達每秒數百兆位。四是采用三軸穩定方式工作,顯著增加了衛星對地觀測的時間。

2 測控天線方案設計

2.1 測控系統組成

測控系統由應答機、功放、雙工器、天線網絡和測控天線等組成,如圖1所示。其中：測控天線采用收發共用方式。對天、對地面各2副天線,對天面天線與對地面天線組成近全向覆蓋的方向圖,2組天線為異頻備份。

圖1 測控系統組成Fig.1 Principle of telemetry and telecommand system

2.2 天線指標要求

測控天線的電性能指標要求見表1。由測控系統的鏈路計算可知：若測控系統要求接收機入口處的增益不小于-6.0 dBi,則到達天線端口處的增益要求為(-6.0+3.0+1.5+0.5)dB=-1.0 dBi,其中天線網絡損耗3.0 d B,多工器損耗1.5 dB,天線饋線損耗0.5 d B。由此,為滿足測控分系統要求,測控天線增益不小于-1.0 dB。為驗證此方案,用FEKO電磁仿真軟件對天線進行了仿真。

表1 測控天線電性能技術指標Tab.1 TT&C antenna electrical performance specifications

2.3 天線設計與性能仿真

2.3.1 設計原則

螺旋天線可滿足天線性能指標,其中雙臂椎螺旋或柱錐螺旋均為可選方案,但因柱錐螺旋直徑相對較小,故本文采用了柱錐螺旋：天線由上下兩部分組成,其中下部為5圈螺旋組成的柱螺旋,上部為2圈。天線采用頂部饋電的方式,其主要輻射區域是頂部的圓椎螺旋部分。圓錐螺旋天線的輻射沿軸指向圓錐頂點方向,具單向輻射特性。圓錐螺旋天線受激勵后會在螺旋線上產生T0,T1,T2模電流[1-2]。因圓錐螺旋線半徑為變量,當螺旋周長2πa?λ(此處：a為螺旋的半徑;λ為工作波長)時,主要以T0模為主,相當于螺旋慢旋慢波傳輸線,該模式中電磁能量幾乎不輻射。隨著往末端推移,當2πa大致為0.8λ～1.3λ時,電流波主要以T1模式存在,產生穩定的后向輻射(即指向圓錐頂點方向的輻射),該輻射能量方向與電流行進方向相反。當2πa＞1.3λ時,將激勵形成T2,T3等高次模,但主要以T 2模為主,其他高次模因能量很小,對整體輻射性能影響可忽略,T2模特性是最大輻射指向偏離軸向方向。

根據圓錐螺旋的輻射特性,以及對測控天線要求具單向輻射寬波束特性,要求設計的圓錐螺旋部分具輻射T1,T2模的特性。本文取中心頻點為2.2 GHz,λ=0.136 m,并考慮工程實際,饋電部分不能太大,螺旋半徑分別為5,35 mm(0.2λ～1.6λ),螺距52 mm。圓錐螺旋下面的柱螺旋部分主要用于改善輻射方向圖的后瓣,提高天線前后比。

2.3.2 單天線性能仿真

在FEKO仿真軟件中建立天線仿真模型如圖2所示。用矩量法對測控天線電磁特性進行了仿真,結果如圖3所示[3-4]。由圖可知：測控單天線增益約3 d Bi,±80°波束角內增益不小于0 dBi。單天線性能滿足系統指標要求。

圖2 測控天線仿真模型Fig.2 TT&C antenna simulation

測控天線合成方向圖仿真結果如圖4所示。由于功分器的影響,方向圖合成后增益下降了3d B,此時天線輸出端口處的增益約0 d Bi,且在天線方向圖中出現了明顯的干涉區。干涉區是由對天對地天線電磁場能量相互疊加形成的。在干涉區存在區域,天線增益出現劇烈波動,部分點的增益會變得非常低。由于地球同步軌道衛星覆蓋地球的波束角為±9°左右,衛星在太空中一個小角度的變動經星地距離放大后會對地球站或衛星接收的信號產生很大影響。因此,新一代靜止氣象衛星測控天線方案設計的重點之一是在保證天線增益的前提下避開天線干涉區的影響,尤其在衛星變軌階段。由圖4可知：干涉區的范圍約為±20°,無法滿足衛星測控系統“允許對天和對地兩天線間的干涉區(在±90°以外),存在不大于5°的范圍內,天線凈增益小于-12 dBi的盲區”要求。

3 方案優化

3.1 優化方案描述

由前文仿真發現,原測控天線方案的干涉區過大,天線增益在±80°范圍內靠近指標臨界值。為使衛星定點后測控不受天線干涉區的影響,考慮在衛星變軌階段測控避免干涉區的影響。為此,參考東方紅四號衛星平臺測控方案,測控天線斜裝16°,將干涉區偏移一個角度,另外為滿足對地面天線增益盡可能大的要求,地面測控天線采取寬波束,天面測控天線采取窄波束。

圖4 天線合成方向圖Fig.4 Pattern of antenna combination

單天線設計中,對地面測控天線的圓錐部分增加錐底半徑以增大T2模輻射強度,展寬波束;對天面的測控天線減小圓錐部分錐底半徑以減少T2的模輻射強度并增大T1模的輻射強度。同時為平衡對地面和對天面測控天線因波束變化導致的合成方向圖增益不一致,采取不等功率的饋電形式,功分比為2∶1。

優化后的測控覆蓋如圖5所示,圖中陰影部分為干涉區。其調整后的測控天線指標見表2。

圖5 優化后測控覆蓋Fig.5 Optimized TT&Cantenna coverage

表2 優化后測控天線指標Tab.2 Optimized TT&Cantenna performancespecifications

3.2 優化后天線仿真

3.2.1 單天線仿真

優化的對地面和對天面天線仿真結果分別如圖6、7所示。

圖6 優化后對地面測控天線方向圖Fig.6 Optimized pattern of antenna facing earth

由圖6、7可知：對地面天線增益0 d Bi的波束寬度由原方案的±80°提高為±90°;對天面天線采取窄波束,增益約8.5 d Bi。采取不同增益天線是為配合功率不等分饋電后對地、對天天線合成方向圖增益保持一致。

圖7 優化后對天面測控天線方向圖Fig.7 Optimized pattern of antenna facing space

3.2.2 天線合成方向圖

優化后天線合成方向圖仿真結果如圖8所示。某型號測控天線(不等功率饋電)的實測方向圖如圖9所示。

圖8 優化后天線合成方向圖(天線未斜裝)Fig.8 Optimized combination pattern(antenna not inclined loading)

由圖8、9的比較可知：優化后的測控天線方案具可行性,且能滿足測控系統的要求。

圖9 某型號測控天線實測方向圖Fig.9 Measured pattern of some antenna

4 衛星對測控天線性能影響

新一代靜止氣象衛星攜帶載荷多,整星結構布局復雜,尤其是衛星對地觀測面布有較多數量的觀測儀器,整星的電磁環境惡劣,對整星天線布局的要求更高。因此,分析天線裝星后的電磁特性,研究衛星本體及其載荷對天線性能的影響就十分必要。

測控天線裝星(天線斜裝16°)后,衛星對測控天線性能影響的仿真結果如圖10、11所示。由圖可知：測控天線裝星后受天線周圍載荷及其他天線的影響,天線方向圖出現了凹點,增益最小值為約-1 d Bi[5]。考慮天線網絡及饋線損耗的影響并減去仿真結果與實際天線性能間的誤差1 d B,到達接收機端口處的增益已超出測控系統要求的-6 dBi指標,因此需考慮提高對地面測控天線支架,以減少天線周圍載荷對天線方向圖的影響。

5 結束語

根據新一代靜止氣象衛星測控要求,本文選擇并設計了滿足測控指標要求的天線形式,分析了天線干涉區對測控的影響。并提出了改進的測控天線設計方案。通過采用對地天線寬波束,對天天線窄波束,不等分功率饋電及天線斜裝等多種設計,使地面測控站在發送遙控指令時能避開天線干涉區的影響。仿真結果與預期結果一致,表明方案具可行性,可滿足我國下一代靜止氣象衛星測控要求。

圖10 整星狀態測控天線極坐標方向圖Fig.10 TT&C antenna polar pattern on stateof whole satellite

圖11 整星狀態測控天線直角坐標方向圖Fig.11 TT&C antenna Cartesian coordinate pattern on stateof wholesatellite

[1]葉云裳.航天器天線——理論與設計[M].北京：中國科學技術出版社,2007.

[2]魏文元,宮德明,陳必森.天線原理[M].北京：國防工業出版社,1995.

[3]哈林登RF.計算電磁場中的矩量法[M].北京：國防工業出版社,1985.

[4]李世智.電磁輻射與散射問題的矩量法[M].北京：電子工業出版社,1985.

[5]HRIASAWA K.Bounds of uncertain interference between closely located antennas[J].IEEE Transaction on EMC,1984,26(3)：129-133.