火星著陸巡視器應用的背罩天線設計

王曉天　孫大媛　韓運忠　楊昌昊（北京空間飛行器總體設計部，北京 00094）（2北京市電磁兼容與天線測試工程技術研究中心，北京 00094）

火星著陸巡視器應用的背罩天線設計

王曉天1，2孫大媛1，2韓運忠1，2楊昌昊1
（1北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）
（2北京市電磁兼容與天線測試工程技術研究中心，北京 100094）

結合我國著陸器發展現狀及火星探測任務需求，提出了一種新的背罩天線設計，它由6個單元天線構成，通過給每個單元天線端口等幅同相饋電，實現近全空間波束覆蓋。單元天線采用單層共形微帶天線形式，通過在輻射貼片邊緣開兩對不等長度的槽實現雙頻功能。仿真結果顯示：此天線工作于（398±3）MHz和（440±3）MHz頻段，增益方向圖在俯仰角7o≤θ≤120o范圍內大于—8dBi，在俯仰面和方位面有良好的圓對稱性。研究結果可為未來我國火星著陸器背罩天線技術的實現提供參考。

火星探測；巡視器；背罩天線；共形；微帶陣；雙頻

1　引言

火星著陸巡視器（以下簡稱著陸器）進入、下降、著陸過程（簡稱EDL過程）是火星軟著陸探測任務中最為重要的環節之一，而EDL過程中的通信是地面了解探測器工作狀態和健康情況的主要渠道，也是火星軟著陸任務通信系統設計應關注的重點之一，得到國際航天機構的高度重視［1-3］。然而受器地通信距離較遠等因素限制，火星著陸器EDL過程中器地傳輸的信息速率較低，不足以支撐EDL過程產生的全部數據實時傳輸。對此，國外一般采用中繼通信技術，通過背罩天線實現EDL過程著陸器與環繞器的器間中繼通信，該天線安裝于著陸器背罩殼體表面，共形設計。然而國外背罩天線方案存在單頻段工作、頻帶較窄、質量較大的缺點，無法滿足未來我國火星探測任務的需求。不同于普通航天器通信天線，整個火星探測任務對背罩天線的質量有著嚴苛的要求，需要背罩天線實現器間收發共用雙向中繼通信，同時還要耐受著陸器進入火星過程嚴酷的熱流環境，既要滿足質量輕量化、雙頻工作模式要求，又要適應進入火星過程嚴苛的溫度環境，這給設計帶來一定的難度。

美國火星探測器從鳳凰號開始采用中繼通信，背罩天線采用6單元共形微帶陣形式，輻射貼片為方形貼片，屬于窄帶線極化天線，防熱罩外形與背罩一致［4］。鳳凰號之后，美國又發射了好奇心號火星探測器，背罩天線采用8單元共形微帶陣形式，輻射貼片為切角方形貼片，屬于窄帶圓極化天線，防熱罩設計與鳳凰號近似［5-6］。由于鳳凰號和好奇心號背罩天線都是采用較大密度的介質基材，介質基材基本覆蓋整個背罩外表面，且天線的防熱罩采用與背罩體積接近的不等厚度罩體，所以背罩天線整體質量較大。考慮到我國現有火箭運載能力，未來開展火星探測對天線產品的質量要求嚴苛，同時要求天線滿足器間雙向雙頻通信模式。國內外雙頻微帶天線實現方法很多，具體可以分為多片法［7］、雙饋電［8］、多模單片法［9-10］等。多片法會使天線結構變得復雜，不易于共形設計，而雙饋電法使天線諧振頻率的調諧范圍受到一定的限制，多模單片法需要在輻射貼片上加載縫隙實現多模工作，傳統縫隙加載方法往往會造成加工實物與仿真不一致，縫隙尺寸對雙頻的每一個頻段都有較大影響，所以實物較難調試。與傳統縫隙加載法不同，本文通過在輻射片邊緣加載兩對不等長的縫隙，實現雙頻工作模式，而每一對縫隙尺寸主要影響一個頻段，所以該天線后期調試手段便捷且易于共形。

本文首先對天線原理進行分析，之后從單元天線設計、組陣設計、構型布局設計及防隔熱設計4個方面進行論述，最后通過仿真計算驗證了該設計的可行性。

2　天線原理及設計

2.1天線原理

為滿足未來我國火星探測任務需求以及天線質量輕量化、雙頻工作模式要求，本文設計的背罩天線為雙頻線極化、單層單饋微帶形式，通信模式采用收發共用，通過在輻射貼片四周開兩對不等長度的槽實現雙頻工作模式。

單饋點同軸饋電方形微帶貼片通常工作于TM10或TM01模式，它們是方形貼片的主模［11］。在線極化工作時，一般只激勵一種模式，要實現雙頻工作，須要同時激勵起兩種模式，且兩種模式對應兩種頻率。普通的正方形貼片上TM10和TM01模的表面電流分布如圖1所示。

當饋點位于對角線上時，因為結構對稱，兩種模式的電流分布完全相同，對應的兩個正交極化場的幅度和相位完全相同，則合成的總場仍為線極化。當在貼片一對垂直邊上切一對等長的矩形槽時，TM01模的表面電流分布將發生變化，而對TM10模的表面電流基本沒有影響，開槽后貼片表面的電流分布如圖2所示。TM01模的表面電流由于槽的影響，表面電流的路徑略微增加，則對應的TM01模的諧振頻率降低。同理，在貼片另一對水平邊上切一對等長的矩形槽時，TM10模的表面電流分布將發生變化，而對 TM01模的表面電流基本沒有影響。此時TM10和TM01模的諧振頻率不同，調節對應槽的長度，選擇天線的工作頻率在兩個諧振頻率的中心頻率上即可。每一對槽的調節只對應每一種模式諧振頻率的調節，互不干涉，即每一對槽尺寸主要影響一個頻段，對另外一個頻段影響較小，所以該天線后期調試手段便捷。

圖1　方形貼片表面電流分布Fig.1　Surface current distribution on square patch

圖2　加槽方形貼片表面電流分布Fig.2　Surface current distribution on square patch adding slots

2.2 天線設計

2.2.1單元天線設計

根據以上原理分析，單元天線設計模型如圖3所示，其中W、L為輻射貼片邊長尺寸，L1、L2為輻射貼片槽深尺寸，Wf為槽寬尺寸，G為介質基材邊長尺寸，a、b為饋電位置尺寸，h為介質基材厚度尺寸。介質層選用可短期耐溫240℃的泡沫材料，介電常數近似為1，選用泡沫材料可以減輕天線質量，同時降低天線介電常數，提高天線帶寬；輻射片為方形貼片，輻射片材料采用與介質基材線脹系數接近的鈦合金材料，采用單點饋電形式，所有部組件通過耐高溫硅橡膠粘接一體成型。

首先通過微帶天線經驗公式［11］，求得輻射貼片邊長W、L的初始尺寸。之后在輻射貼片四周加載等寬、不等長度凹槽，其中槽寬Wf對諧振頻率影響較小。輻射貼片加載槽后對諧振頻率會有一定的影響，根據實際需要對輻射貼片尺寸進行微調。圖4、圖5分別給出了不同槽深L1和L2對應天線反射系數變化曲線，可以看出槽深L1對低頻性能影響較大，槽深L2對高頻性能影響較大，隨著槽深增加或減少，天線頻點向低頻或高頻移動，可以通過單獨調節對應頻段的槽深尺寸實現頻點平移，通過調節饋電點位置a和b尺寸，可以調節天線反射系數大小。

借鑒國外經驗［4］，本文背罩天線收發頻段設計為（398±3）MHz和（440±3）MHz，采用HFSS軟件對天線性能優化，通過優化求得背罩天線單元最終結構參數尺寸。

圖3　背罩天線單元外形結構圖Fig.3　Configuration of the proposed antenna element

圖4　不同槽深尺寸L1對應單元天線反射系數仿真結果Fig.4　Calculated reflection coefficient of antenna element with different slot size L1

圖5　不同槽深尺寸L2對應單元天線反射系數仿真結果Fig.5　Simulated reflection coefficient of antenna element with different slot size L2

2.2.2組陣設計

由于背罩天線斜裝于背罩外表面，要實現近全空間覆蓋，單元天線無法滿足要求，采用組陣方式可以滿足近全空間覆蓋。天線組陣要綜合考慮電性能和質量因素，要保證組陣增益方向圖沒有柵瓣出現且單元間互偶影響較小，單元間距須滿足0.5λ0左右［11］，組陣單元數越多，組陣方向圖切面一致性越好，組陣方向圖增益越高；組陣單元數越少，質量越小，但是性能越差。

圖6給出了4單元組陣和6單元組陣不同切面的仿真增益方向圖對比，分別給出了增益最大和最小的兩個切面，背罩殼體尺寸借鑒好奇心號背罩殼體尺寸［1］，由仿真結果可以看出，4單元組陣方案雖然天線整體質量較小，但是電性能較差，切面一致性較差，個別切面存在凹區，無法滿足近全空間覆蓋；6單元組陣方案切面一致性較好，可以滿足近全空間覆蓋要求。綜合比較，背罩天線選用6單元組陣形式。

圖6　4單元和6單元組陣背罩天線不同切面增益方向圖仿真計算結果Fig.6　Simulated radiation patterns of six-cell and four-cell wraparound antenna

2.2.3構型布局設計

如圖7所示，背罩結構外殼刻6個等面積的正方形槽，并提供安裝接口，背罩天線所有部件單獨設計，背罩天線作為獨立的產品安裝在背罩殼體內部，天線外表面與背罩殼體外表面平齊、共形。這種設計將天線單元設計成單獨的部件，天線整體質量減輕很多，同時便于后期拆裝和維修。

圖7　背罩天線構型布局示意圖Fig.7　Configuration and layout of wraparound antenna

2.2.4防隔熱設計

由于背罩天線安裝于背罩外表面，直接裸露在大氣中，整個EDL過程，背罩天線要經歷嚴苛的高速氣流沖刷和高溫環境，所以背罩天線的防隔熱設計至關重要。

由于本文背罩天線結構形式簡單，防隔熱設計的重點在于材料選取。考慮到質量輕量化和繼承性，借鑒我國返回式衛星防隔熱技術，本文背罩天線防隔熱透波窗采用石英纖維材料，短期可以耐受1200℃高溫考核，同時具有較強的耐氣動沖刷性能，通過調節合適的透波窗厚度來適應環境要求。天線介質基材選用聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）泡沫材料，其密度較小，短期可以耐受240℃高溫考核。參考國外火星探測器熱流環境條件，選取合適的材料特性參數，透波窗厚度越厚，天線內部溫度也越低，但是天線質量越重。利用ANSYS軟件對背罩天線進行防隔熱仿真分析與優化，最終選取透波窗厚度為3mm。

3　天線仿真分析驗證

利用HFSS軟件，對天線電性能進行仿真分析。圖8給出優化后單元天線反射系數仿真結果，圖9、圖10給出單元天線低、高頻中心頻點增益仿真結果，由仿真結果可以看出，本文背罩天線單元天線在（398±3）MHz和（440±3）MHz帶寬內端口反射系數小于—15dB，0o方向主極化增益大于7dBi。

圖8　優化后單元天線反射系數仿真結果Fig.8　Simulated reflection coefficient of antenna element

圖9　優化后單元天線增益方向圖仿真結果（f=398 M Hz）Fig.9　Simulated radiation patterns of antenna element（f=398 MHz）

圖10　優化后單元天線增益方向圖仿真計算結果（f=440 M Hz）Fig.10　Simulated radiation patterns of antenna element（f=440 MHz）

圖11、圖12給出了6單元組陣背罩天線收發中心頻點器體增益仿真結果，由仿真結果可以看出，6單元組陣背罩天線方向圖增益可以實現近全空間覆蓋，在俯仰角7o～120o方向主極化增益大于—8 dBi。

圖11　6單元組陣背罩天線增益方向圖仿真計算結果（f=398 MHz）Fig.11　Simulated radiation patterns of six-cell wraparound antenna（f=398 MHz）

圖12　6單元組陣背罩天線增益方向圖仿真計算結果（f=440 MHz）Fig.12　Simulated radiation patterns of six-cell wraparound antenna（f=440 MHz）

利用ANSYS軟件對背罩天線進行防隔熱仿真分析，圖13給出了本文背罩天線EDL過程中的溫度場預示。

圖13　背罩天線EDL過程整體溫度場分布圖Fig.13　Temperature distribution field of wraparound antenna

由圖13可以看出，整個EDL過程中，背罩天線最高溫度出現在天線透波窗外表面，約207℃，內部部件溫度都小于150℃，遠小于材料可耐受最高溫度。

4　與美國火星探測器背罩天線比較分析

鳳凰號和好奇心號背罩天線都屬于窄帶單頻微帶天線陣，介質基材采用Duroid5870［5］，其密度為2.2g/cm3，是本文天線介質基材密度的20倍，且介質基材基本覆蓋整個背罩外表面，所以質量較大。另外，鳳凰號和好奇心號背罩天線防熱罩采用與背罩外形一致的防熱罩［6］，這樣做主要是從兩方面考慮:①國外背罩天線采用8單元共形微帶陣，單元數較本文背罩天線單元多2個，天線布局后基本覆蓋整個背罩外表面，從實用性考慮需要防熱罩與背罩外形一致；②好奇心號背罩外表面除了背罩天線外，還有兩副低增益天線，將防熱罩做成與背罩外形一致也是為了兼顧其他兩副天線的防熱設計，所以整個防熱罩厚度不均勻，整體體積較大，質量較大。而本文采用防熱透波窗為天線的單獨部件，總共含6片獨立的防熱透波窗，不須要覆蓋整個背罩外表面，除背罩天線外背罩其余外表面噴涂防熱涂層來滿足整個背罩的防隔熱設計，這樣可以使背罩防熱部分質量減輕很多，且只須考慮背罩天線自身的防隔熱性能即可。由增益及駐波仿真結果可以看出，本文背罩天線為雙頻工作模式，而國外背罩天線為單頻工作模式，帶寬（±3 MHz）也優于鳳凰號背罩天線（小于±1 MHz）［4］。表1給出了本文背罩天線與國外鳳凰號、好奇心號背罩天線性能比對，其中θ表示坐標俯仰角，φ表示坐標方位角。

表1　本文背罩天線與美國火星探測器背罩天線主要性能比對表Table1　Performance comparison between the proposed and foreign wraparound antennas

5　結束語

本文針對國外背罩天線方案存在單頻段工作、頻帶較窄、質量較大的缺點，結合當前我國著陸器發展狀況及未來我國火星探測任務需求，提出了一種新的背罩天線設計方案，從單元天線設計、組陣設計、構型布局設計及防隔熱設計4個方面進行了詳細論述，通過仿真分析驗證該設計的可行性，最后與美國成功應用的火星著陸器背罩天線性能進行比對。后續須要根據未來我國火星探測任務的具體要求，對該天線進行適應性修改及進一步深入研究，本文提出的方案可為未來我國火星著陸器背罩天線技術實現提供參考。

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（編輯：李多）

Wraparound Antenna Design Applied to Mars-rover Application

WANG Xiaotian1，2SUN Dayuan1，2HAN Yunzhong1，2YANG Changhao1
（1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）
（2 Beijing Engineering Research Center of EMC and Antenna Test Technology，Beijing 100094，China）

By combining with the state of the art of rover technology in China，a new dual-band linear polarized wraparound antenna is proposed.The wraparound antenna is composed of six antenna elements which use different cutting slots on edges of patch to achieve dual-frequency. Constant amplitude and in-phase feeding are used to achieve whole space beam-covering approximately.The simulation results show that the operating frequency is（398±3）MHz and（440± 3）MHz，and the gain is beyond-8dBi at pitch angle 7o≤θ≤120o.Besides，good circular symmetry in both elevation and azimuth is achieved.The proposed scheme provides technical reference for the future wraparound antenna of a Mars-rover.

Mars exploration；rover；wraparound antenna；conformal；microstrip array；dual-band

TN82

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.03.014

2015-09-29；

2016-02-18

王曉天，男，工程師，研究方向為航天器天線設計。Email：wxt33022317@126.com。