12 m深空組陣天線設計與工程實現

李勇，師民祥

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

12 m深空組陣天線設計與工程實現

李勇，師民祥

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對深空天線組陣系統對單元天線的需求，設計了12 m卡塞格倫全轉臺天線作為組陣單元。采用優化設計、過程監控及標校等措施實現高一致性的單元天線;采用一體化高頻箱和外掛設備艙前置安裝射頻設備提高天線的接收靈敏度;采用交流伺服雙電機消隙驅動系統來實現高精度、高可靠跟蹤性能和免維護設計。從單元天線性能測試和天線組陣試驗的驗證效果來看，所設計的天線具有優良的性能，可以滿足天線組陣的需求。

天線組陣；標校；交流伺服

0 引言

隨著航天技術的不斷發展和提高，世界上正興起一個深空探測的熱潮。美國、歐空局和俄羅斯完成了深空網的組網，美國深空測控通信網(DSN)是其中的佼佼者［1－3］。我國月球探測取得重大進展之后，開展深空探測是我國航天發展的必然選擇。根據規劃，我國深空探測將以火星探測為重點，逐步實現繞、落、回等目標，為進一步擴展遠距離探測能力，遠期還將安排木星探測任務［4］。

隨著深空探測的距離越來越遠，導致到達地面的信號越來越弱，但任務要求傳輸的探測數據量越來越大，所以需要一種能補償信噪比(SNR)降低的方法。典型方案包括建造更大口徑天線、開發更低噪聲的接收機及使用更接近香農極限的編譯碼等，這些技術的開發潛力已經很有限，一個必然的技術發展方向就是通過多個中小口徑天線以組陣的方式來替代單個大口徑天線［5］。

國內在組陣理論研究取得了一定的成果，同時，也積極開展了組陣系統的工程研制，并在北京建立了我國首個天線組陣試驗系統［6］。

本文提出了應用于天線組陣試驗系統的12 m轉臺天線的設計思路，討論了組陣單元天線不同于常規天線的特點及實現方法，并據此設計制造了4部12 m天線組成天線組陣試驗系統。

1 組陣單元天線的需求

天線組陣是利用分布的多個天線組成天線陣列，同時接收來自深空探測器發送的信號，并將各個天線接收的信號進行合成，從而提高接收信號的信噪比。國內主流的合成方式為全頻譜合成(FSC)，其要求單元天線性能基本一致［7－10］。為了獲得較好的電磁環境和寬闊的布站場地，天線組陣一般布設在人跡罕至的地區，日常維護不便，要求天線具有高可靠性和免維護的特性。另外，大規模布陣要求單元天線的造價低，射頻設備要全部安裝在天線上以減小基建成本。為了提高天線的接收靈敏度，接收系統需要配置杜瓦等制冷設備，設備量龐大，天線要有足夠的設備安裝空間。

所以組陣天線相對與常規的天線來說，不僅要具備優良的性能，還要具備:①性能高一致性;②高可靠性;③充足的射頻及制冷設備安裝空間。12 m天線基于以上需求進行設計。

2 12 m組陣單元天線設計

2.1 基本設計

天線采用賦形卡塞格倫雙反射面天線形式，天線反射面直徑12 m，副面直徑1．2 m，饋源照射角25°，反射面曲線參數由式(1)和式(2)得出［11］。

式中，c為等光程條件，F(x)為主面口徑場分布函數，采用廣義泰勒位移分布，f(θ)為饋源幅度方向圖，采用高斯分布逼近。

饋源采用S/X組合饋源，S頻段照射器由4喇叭構成，X頻段照射器位于S頻段4喇叭中間。復合饋源中S頻段與X頻段的饋電網絡是獨立的，避免了互相影響，有利于在2個頻段上均實現良好的性能。饋源采用波導合成網絡，低噪放直接安裝在網絡后端，減小傳輸損耗，提升天線G/T值。

2.2 一致性設計

天線組陣要求單元天線的性能要基本保持一致才能達到較好的組陣效果。要達到組陣天線使用效果一致主要在兩方面:①單元天線性能一致性;②跟蹤指向的準確性。

單元天線的性能一致性主要采取了三方面的措施:①設計:優化饋源網絡設計，多數部件設計為免調試組件，圓極化器優化確定調諧銷釘深度;加強力學分析，提高天線結構強度和環境適應性;②加工:優化加工工藝流程，加強生產過程中的質量監控，確保圖物一致，實現設計意圖;③裝配:圓極化器按照優化確定的調諧銷釘深度統一裝配;大盤不水平、軸系精度等指標控制在0．005°以內。

組陣天線的跟蹤方式為程序跟蹤，天線的指向精度決定了天線性能的實現程度，而標校是實現高指向精度的前提。組陣天線的標校包括:

①碼盤精度標校:方位與俯仰碼盤均采用同軸安裝，天線機械指向精度僅與碼盤的安裝精度有關。在安裝中方位碼盤采用T2經緯儀進行標校，俯仰碼盤采用傾斜儀進行標校。經過標校，天線機械指向誤差小于0．001 3°;

②電軸指向標校:傳統上，雷達的標校是以望遠鏡的光軸為基準來進行的，由于光軸是機械軸的中介，而機械軸又是天線調整的幾何軸心，因而這種方法同光軸和機械軸的調整密切相關。理論上這種方法標校精度可以較高，物理概念也清晰。但在實用上，這種方法操作起來非常復雜，例如光電標的架設要求很高，望遠鏡不易準確對準目標，望遠鏡的讀數受人的視力和經驗的影響，標校室外作業，受天氣的限制等等。這使得其標校精度受到了限制，而且也不能隨時進行。結合組陣天線的需求，天線標校采用了電軸作基準進行標校的方法。標校采用正倒鏡法進行，各系數由以下各式計算:

式中，A正、A倒分別為天線正倒鏡對準目標時的方位角。E正、E倒分別為天線正倒鏡對準目標時的俯仰角。這里為A0方位角零位誤差，E0為俯仰角零位誤差，K為機械軸與電軸不匹配誤差，Eg為重力下垂誤差。Aorg、Eorg是天線三軸原點對標校塔電標的大地測量值。利用電軸作基準進行標校，可以一次標定出零位誤差、機械軸與電軸不匹配誤差和重力下垂誤差，工作量小，對操作人員要求較低，標校過程全部在室內進行，不受氣候限制可隨時進行，標校效率高。經跟星試驗驗證，按照此方法標校天線的指向精度滿足要求。

2.3 射頻及制冷設備安裝設計

天線座架采用大叉臂形式，通過一體化高頻箱和外掛設備艙2個措施來滿足射頻及制冷設備安裝的需求。將天線中心體和俯仰箱體進行一體化設計，形成一個高2．7 m和直徑2．5 m的整體空間作為高頻房(如圖1(a)所示)。高頻房分為上下兩層，上層用于布置低噪聲放大器、功放等高頻設備，下層用于布置上下變頻器等中頻及數傳設備。另外，在天線的俯仰叉壁左右設計有2個長寬高為2 m的設備倉，用于布置杜瓦等大型設備，效果如圖1(b)所示。

圖1 一體化高頻房及外掛艙

2.4 伺服控制高可靠性設計

傳統的高性能天線伺服控制系統采用直流伺服系統。近年來隨著微電子技術和永磁材料的飛速發展，特別是先進控制理論和策略的發展及應用，使得交流伺服的控制性能已經完全可以與直流伺服系統媲美，而且交流伺服驅動結構簡單，不存在機械換向器磨損和碳刷損耗等直流系統的固有問題，更容易實現高可靠和免維護［12］，所以12 m天線選用交流伺服系統。

伺服設備主要包括:天線控制器(ACU)、天線驅動單元(ADU)、上電單元、限位安保傳感器和對外接口等組成，圖2為伺服控制原理框圖。

圖2 交流伺服控制框圖

方位、俯仰驅動支路均采用雙驅動器、雙電機驅動，通過對電機施加力矩偏置實現雙電機電消隙，提高天線指向精度和可靠性。天線驅動單元由MLC (Motion Logic Controller)通過SERCOS光纖總線集中管理4臺驅動器，實現了全數字化控制。此系統自投入使用后，運行穩定，體現了較高的可靠性和良好的免維護性。

3 測試情況

對天線性能進行了測試，圖3為天線在S頻段和X頻段的典型輻射方向圖，測試結果與仿真結果基本一致，性能達到了設計預期。

圖3 12 m天線輻射方向圖

表1給出了4部天線性能的對比情況，G/T值由分別測定的天線增益和噪聲溫度計算，不包含低噪聲放大器噪聲溫度;跟蹤誤差通過統計跟星試驗中的均方根誤差獲得。

表1 天線性能測試結果

考慮到測試誤差，4部天線的性能基本一致，由標校、伺服環路等造成的跟蹤誤差較小，滿足組陣的需求。

4部12 m天線搭建的天線組陣試驗驗證系統利用嫦娥二號探月衛星發射和在軌運行階段的S頻段下行數據進行技術驗證試驗。經過計算和比對天線陣合成效果為:遙測通道信號合成增益大于5．5 dB，合成效率優于91%，達到預期試驗效果［13，14］。

4 結束語

從天線組陣對單元天線的需求出發設計制造了應用于試驗驗證系統的12 m天線。單元天線具有性能一致性高、天線系統接收靈敏度高、可靠性高和免維護性好的特點。

從單元天線性能測試和天線組陣試驗驗證系統的驗證效果來看，天線具有優良的性能，可以滿足組陣的需求。

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Design and Engineering Implementation of 12m Antennas for Deep Space Antenna Array

LI Yong，SHI Ming-xiang
(The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

According to the demand on element antennas for deep space antenna array，a 12m Cassegrain full-motion antenna is proposed．Some methods are applied in the implementation process to realize high consistency，including optimization design，process monitoring and calibration techniques．The integrated hub and external cabin is designed to make RF equipment and refrigerating equipment closed to the antenna to enhance the system receiving sensitivity．The dual-motor anti-backlash digital AC servo system is applied to realize such characteristics as high precision，high reliability and free maintenance．The results of element antenna test and antenna array experiment show that the antenna has good characteristics，and can meet the requirements of deep space antenna array．

antenna array;calibration;digital AC Servo

TN82

A

1003－3114(2015)05－60－4

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.16

李勇，師民祥．12 m深空組陣天線設計與工程實現［J］．無線電通信技術，2015，41(5):60－63．

2015－04－20

國家高技術研究發展計劃〈863計劃)資助項目

李勇(1978—)男，高級工程師，主要研究方向:微波及衛星天線技術。師民祥(1960—)男，高級工程師，主要研究方向:天線結構工藝技術。