“祝融號(hào)”火星車反射面天線設(shè)計(jì)

劉志佳，段江年，侯沁芳，孫大媛，莊建樓，魯帆，李璠

1. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094 2. 北京市電磁兼容與天線測(cè)試工程技術(shù)研究中心，北京 100094 3. 中國(guó)空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094

1 引言

在地外天體的著陸探測(cè)器中，一般需要配備一副X頻段高增益天線作為測(cè)控通信手段。例如中國(guó)月球探測(cè)“嫦娥四號(hào)”著陸器的定向天線，“嫦娥五號(hào)”著陸器的定向天線；美國(guó)2003年發(fā)射的用于火星著陸探測(cè)的“勇氣號(hào)”“機(jī)遇號(hào)”火星車高增益天線；2011年發(fā)射的用于火星著陸探測(cè)的“好奇號(hào)”火星車高增益天線；2020年發(fā)射的“毅力號(hào)”火星車高增益天線等。中國(guó)的“嫦娥四號(hào)”“嫦娥五號(hào)”著陸器在X頻段高增益天線鏈路上僅具備X頻段的下行能力，美國(guó)火星探測(cè)的“勇氣號(hào)”“機(jī)遇號(hào)”以及“好奇號(hào)”“毅力號(hào)”的X頻段高增益天線鏈路同時(shí)具備上行和下行能力。而根據(jù)中國(guó)“天問一號(hào)”火星探測(cè)器祝融號(hào)火星車的著陸探測(cè)需求，在X頻段高增益天線鏈路上也需要同時(shí)具備上行和下行能力，這也就要求天線應(yīng)具備收發(fā)共用的能力。對(duì)于深空探測(cè)X頻段通信頻率，上行一般工作在7.1～7.2 GHz，下行一般工作在8.4～8.5 GHz頻段[1-3]。

國(guó)內(nèi)外目前火星著陸探測(cè)器對(duì)X頻段高增益天線要求峰值增益約為25～27 dBi。技術(shù)途徑上，以美國(guó)為代表的一般采用陣列天線形式，最大的優(yōu)點(diǎn)是天線剖面低，此類天線通過加裝介質(zhì)保護(hù)罩后對(duì)于抗火星塵極其有利。其中，美國(guó)勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)的高增益天線為采用了印刷偶極子天線陣列技術(shù)，但是由于偶極子單元窄帶的諧振特性，導(dǎo)致該天線在7.1 GHz接收工作頻段時(shí)，駐波比僅為2.4∶1，且該頻段下的峰值增益僅為20.6 dBi。美國(guó)好奇號(hào)、毅力號(hào)的高增益天線為多層陣列天線，該天線相較于勇氣、機(jī)遇號(hào)高增益天線在輻射效率、增益、駐波比方面有了大幅度提升，輻射單元采用圓環(huán)微帶形式，輻射陣面利用6個(gè)子陣的三角形網(wǎng)格形式，但是該天線饋電網(wǎng)絡(luò)較復(fù)雜，同時(shí)饋電網(wǎng)絡(luò)造成的介質(zhì)損耗也比較可觀，導(dǎo)致該天線在質(zhì)量和性能方面并不最優(yōu)[3-6]。近些年來，也發(fā)展出一些新天線技術(shù)，例如，徑向線縫隙開槽陣列天線[7]，超表面天線等[8-10]，這些天線普遍存在的問題是帶寬受限，在寬頻段或者雙頻段工作的時(shí)候輻射效率極低，輻射效率約40%，這無(wú)法滿足祝融號(hào)火星車上下行同時(shí)具備的工程需求。

為實(shí)現(xiàn)祝融號(hào)火星車X頻段高增益天線需求，可以采用反射面天線形式，但是火星環(huán)境相比較于傳統(tǒng)的航天器最大特點(diǎn)是火星塵的存在，一旦火星塵進(jìn)入饋源內(nèi)部，無(wú)疑會(huì)惡化饋源的性能，進(jìn)而影響到通信鏈路，同時(shí)還要考慮到天線集成到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)后的包絡(luò)尺寸等因素限制。為了解決這些問題，介紹了一種緊湊防塵反射面天線，該天線工作在7.1～8.5 GHz，覆蓋了祝融號(hào)高增益天線的工作頻段，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該天線的性能。

2 反射面天線設(shè)計(jì)需求

根據(jù)祝融號(hào)火星車的通信需求，為了實(shí)現(xiàn)火星車直接對(duì)地通信和火星車對(duì)環(huán)繞器通信，要求天線具備較高的覆蓋區(qū)增益和右旋圓極化輸出，具體設(shè)計(jì)需求如表1所示。

表1 反射面天線的設(shè)計(jì)需求

3 反射面天線設(shè)計(jì)

3.1 天線整體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)X頻段(7.1～8.5 GHz)天線的覆蓋區(qū)±4°不小于22.5 dBi和±2.5°不小于24 dBi的需求，初步計(jì)算反射面口徑尺寸約為300～400 mm，由于天線口徑尺寸相對(duì)于工作波長(zhǎng)較小，雙反射面并不合適，正饋單反射面應(yīng)為最優(yōu)選擇。為了盡可能降低天線的質(zhì)量，最終設(shè)計(jì)反射面為一個(gè)直徑330 mm的標(biāo)準(zhǔn)拋物面。反射面天線后續(xù)需要同雙軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行集成，受到火星車安裝包絡(luò)的限制，要求反射面天線自身需要剖面高度尺寸不能大于210 mm，將焦徑比設(shè)置為f/d=0.32，f為反射面焦距，d為反射面口徑尺寸，換算下來，饋源的整體長(zhǎng)度不能超過95 mm，這對(duì)于饋源的設(shè)計(jì)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

根據(jù)反射面天線設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)值，一般正饋的反射面天線饋源的錐削電平為-10～-15 dB左右[11]，目前一般星載常見的小型饋源形式主要為波導(dǎo)形式，微帶形式、螺旋天線形式或者振子形式，但是考慮到帶寬因素和環(huán)境因素波導(dǎo)型饋源應(yīng)為最優(yōu)的選擇[12-19]。根據(jù)反射面天線的工作頻率需求，常規(guī)的帶扼流環(huán)的小型波導(dǎo)饋源應(yīng)為較好的選擇，但是這種小型波導(dǎo)饋源為開放式結(jié)構(gòu)，火星塵的進(jìn)入不可避免，同時(shí)，一般的在7.1～8.4 GHz頻帶內(nèi)，饋源的口徑尺寸大約為50 mm，這會(huì)對(duì)口徑為330 mm的反射面造成比較嚴(yán)重的遮擋。為了能實(shí)現(xiàn)饋源輸出口徑減小，減小饋源的整體長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)防火星塵設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一種新型饋源，解決了上述問題。具體如圖1所示。饋源的爆炸示意圖詳見圖2所示。

圖1 饋源整體示意Fig.1 Structure of the whole feed

圖2 饋源整體示意及爆炸示意Fig.2 Explosion structure of the whole feed

饋源整體由饋源輻射部分、一體集成圓極化器段、阻抗變換段、輸入波導(dǎo)、吸收負(fù)載和嵌入介質(zhì)部分組成。在喇叭天線外圍加裝一圈扼流環(huán)，通過合理優(yōu)化扼流環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸，可以實(shí)現(xiàn)較好的交叉極化隔離度，減小邊緣散射效應(yīng)，降低天線后瓣。在饋源輻射段和一體化圓極化器段置入了聚四氟乙烯介質(zhì)，嵌入的聚四氟在阻擋火星塵進(jìn)入饋源系統(tǒng)內(nèi)部的同時(shí)減小了饋源口徑和長(zhǎng)度。為了確保聚四氟乙烯不會(huì)因?yàn)闊崦浝淇s效應(yīng)，力學(xué)環(huán)境等因素造成脫落，在輸出波導(dǎo)的末端加裝一圈翻邊限位，同時(shí)，在一體化圓極化器尾部設(shè)置了脊限位，確保了聚四氟乙烯固定和火星塵不進(jìn)入。

3.2 饋源輻射部分設(shè)計(jì)

饋源的輻射部分如圖3所示，其中Rin為圓波導(dǎo)口徑的半徑，Rout為饋源翻邊前輸出半徑，Rout1為饋源翻邊后輸出半徑，d1為扼流圈波紋脊寬度，hslot為扼流圈槽深度，wslot為扼流圈槽寬度，θ為Rin和Rout連接夾角，圖中的斜線部分為填充的介質(zhì)材料?？紤]到火星的空間環(huán)境以及饋源設(shè)計(jì)的優(yōu)化性能，選擇了較低介電常數(shù)的聚四氟乙烯填充。喇叭天線圓波導(dǎo)輸入的口徑Rin對(duì)于天線的阻抗特性和輻射特性影響較大，考慮到阻抗匹配和交叉極化需求，Rin需要足夠大且確保圓波導(dǎo)傳輸TE11模式，截止TM01模式。根據(jù)公式(1)[20]，為了盡可能將饋源做緊湊，取整后選擇喇叭口的輸入半徑Rin=9 mm，fcutoff TE11為圓波導(dǎo)TE11模式的截止頻率，fcutoff TM01為圓波導(dǎo)TM01模式的截止頻率。一般喇叭口的輸出口徑Rout要大于等于Rin，為了盡可能減小遮擋效應(yīng)和介質(zhì)的可安裝性，設(shè)計(jì)將Rout=Rin，即：θ=0°，其余參數(shù)Rout1、d1、hslot、wslot需要進(jìn)行詳細(xì)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖3 波導(dǎo)饋源輻射部分示意Fig.3 Structure of the waveguide feed radiation part

(1)

3.3 一體集成圓極化器設(shè)計(jì)

圓極化器一般形式有波紋極化器、銷釘極化器、介質(zhì)極化器、隔板極化器等，由于饋源內(nèi)置了聚四氟乙烯，同時(shí)為了盡量縮短饋源尺寸，則饋源極化器也應(yīng)內(nèi)置聚四氟乙烯，同時(shí)因?yàn)椴▽?dǎo)口面進(jìn)行翻邊設(shè)計(jì)，保證了聚四氟乙烯不會(huì)因?yàn)榱W(xué)環(huán)境向前攢動(dòng)，也要考慮不能向后攢動(dòng)，所以綜合考慮工作帶寬和安裝的可操作性，隔板極化器比較適用。

圖4 一體集成圓極化器示意Fig.4 Structure of the integrated polarizer

隔板圓極化器是一種結(jié)構(gòu)緊湊、易于加工、質(zhì)量輕、體積小、性能良好的圓極化器。一般的隔板圓極化器的輸入端口和輸出端口均為方波導(dǎo)形式，然后再配合方圓過渡與饋源輻射部分連接，方圓過渡增加饋源的長(zhǎng)度尺寸，最終影響反射面整體包絡(luò)尺寸，為了最大化降低饋源長(zhǎng)度，一體集成圓極化器將輸入端為方波導(dǎo)和輸出端為圓波導(dǎo)進(jìn)行一體化的設(shè)計(jì)，減少了方圓過渡的長(zhǎng)度，并也置入了聚四氟乙烯，在進(jìn)一步縮短圓極化器尺寸的同時(shí)進(jìn)一步保證了聚四氟乙烯的前后固定安裝，新型的圓極化器設(shè)計(jì)如圖4所示，輸出端口直接同饋源輻射部分連接，半徑尺寸為Rin，通過優(yōu)化波導(dǎo)輸入長(zhǎng)度Wg，寬度Hg，隔板的厚度dg，以及隔板的臺(tái)階高度hp1～hp5和相應(yīng)的臺(tái)階長(zhǎng)度lp1～lp5實(shí)現(xiàn)良好的性能。

3.4 阻抗變換及吸收負(fù)載設(shè)計(jì)

為了能盡量減少產(chǎn)品質(zhì)量，考慮產(chǎn)品的功率耐受能力和低氣壓放電能力，饋源最終的輸入端口采用了非標(biāo)準(zhǔn)接口為長(zhǎng)Wf24.5 mm、寬Hf6 mm的波導(dǎo)。為此，需要將圓極化器具有置入介質(zhì)的波導(dǎo)端口Wg16.5 mm、Hg7.2 mm過渡到空氣腔體的Wf和Hf。為了盡量兼顧設(shè)計(jì)性能和控制產(chǎn)品尺寸，設(shè)計(jì)采用了三級(jí)阻抗變換來實(shí)現(xiàn)，具體如圖5中b1、b2、b3中過渡點(diǎn)所示，其中：介質(zhì)波導(dǎo)的寬度和高度Wg、Hg連接嵌入介質(zhì)的圓極化器，Wf和Hf為饋源的輸出接口，阻抗變換實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)波導(dǎo)到空氣波導(dǎo)的變換，具體變換尺寸需要優(yōu)化確定。

圖5 阻抗變換示意Fig.5 Structure of the impedance transformation

由于隔板極化器提供了三個(gè)物理端口，如圖4中的1、2、3，其中,1、2兩個(gè)為輸入端口，端口3接輻射喇叭，祝融號(hào)火星車僅需要單右旋圓極化天線，所以對(duì)于照射反射面的饋源，則僅需要一個(gè)左旋圓極化端口即可，在完成阻抗變換后直接利用吸收材料設(shè)計(jì)成吸收負(fù)載，完成端口2的封閉處理。

吸收材料選用高介電常數(shù)材料，設(shè)計(jì)時(shí)著重考慮吸收負(fù)載的安裝和固定方式，確保能通過力學(xué)環(huán)境、熱環(huán)境試驗(yàn)等考核。阻抗變換段不再置入聚四氟乙烯，原因?yàn)樵摱伍L(zhǎng)度較短，且其中的端口2通道端口需要安裝固定吸收負(fù)載材料，所以必須為空氣腔體，具體負(fù)載形式詳見圖6所示。

圖6 負(fù)載示意Fig.6 Structure of the load

3.5 整體優(yōu)化設(shè)計(jì)

利用基于有限元法的全波仿真分析軟件Ansys HFSS對(duì)天線進(jìn)行三維建模仿真分析，首先從功能上分為饋源輻射部分、一體化圓極化器、阻抗變換段、矩形波導(dǎo)輸入段，最后在饋源右旋端口的矩形波導(dǎo)輸入段內(nèi)置入吸收負(fù)載。在仿真分析的時(shí)候需要分別完成饋源輻射部分、一體化圓極化器、阻抗變換段、匹配負(fù)載的優(yōu)化設(shè)計(jì)，隨后將各個(gè)部組件級(jí)聯(lián)再進(jìn)行整體優(yōu)化。饋源和饋源安裝反射面天線后的分析駐波比結(jié)果詳見圖7所示，饋源輻射特性的分析結(jié)果詳見圖8、圖9所示。

圖7 反射面天線測(cè)試駐波比Fig.7 Measured VSWR of the reflector antenna

圖8 實(shí)測(cè)饋源7.1 GHz歸一化方向圖Fig.8 Measured normalized radiation pattern at 7.1 GHz

圖9 實(shí)測(cè)饋源8.4 GHz歸一化方向圖Fig.9 Measured normalized radiation pattern at 8.4 GHz

4 測(cè)試驗(yàn)證

4.1 阻抗測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，按上述設(shè)計(jì)結(jié)果，生產(chǎn)加工了饋源及反射面組件，將饋源的24.5 mm×6.0 mm的非標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)接口轉(zhuǎn)接到標(biāo)準(zhǔn)WR112波導(dǎo)口，利用安捷倫E8362B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)單獨(dú)饋源的阻抗特性、饋源安裝到反射面組件整體的阻抗特性分別進(jìn)行了測(cè)試，圖7給出了仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果對(duì)比情況。

由圖7可知，饋源及反射面天線的分析和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合比較好，存在輕微變化，存在變化主要有兩個(gè)原因，一個(gè)是測(cè)試饋源的時(shí)候需要將非標(biāo)準(zhǔn)接口波導(dǎo)轉(zhuǎn)接到WR112標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)接口，存在一定的轉(zhuǎn)接誤差，另一個(gè)就是產(chǎn)品加工和理論設(shè)計(jì)存在一定的偏差，尤其是介質(zhì)的介電常數(shù)會(huì)存在一定偏差。在饋源安裝到反射面以后駐波也存在輕微的變化，主要原因是：受到饋源照射的能量會(huì)有一部分返回到饋源內(nèi)部，造成電壓駐波比(VSWR)會(huì)存在一定的變化，經(jīng)過實(shí)測(cè)，饋源在7.0～8.5 GHz工作頻帶內(nèi)實(shí)測(cè)結(jié)果不大于1.23，性能滿足設(shè)計(jì)需求。

4.2 輻射特性測(cè)試結(jié)果

在箱型微波暗室對(duì)饋源的輻射方向圖進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試方向圖的結(jié)果同設(shè)計(jì)分析結(jié)果吻合很好，具體如圖8、圖9所示。分析的饋源在7.1 GHz的±76°角域范圍的照射錐削為-11.2～-11.5 dB，實(shí)測(cè)的饋源在7.1 GHz的±76°角域范圍的照射錐削為-11.0～-11.6 dB；分析的饋源在8.4 GHz的±76°角域范圍的照射錐削為-11.2～-11.7 dB，實(shí)測(cè)的饋源在8.4 GHz的±76°角域范圍的照射錐削為-11.5～-12.1 dB。分析的饋源在7.1 GHz和8.4 GHz的軸向交叉極化抑制度分別為-29.36 dB和-30.32 dB，實(shí)測(cè)的饋源在7.1 GHz和8.4 GHz的軸向交叉極化抑制度分別為-27.01 dB和-28.30 dB，饋源的±76°照射角域范圍內(nèi)交叉極化實(shí)測(cè)值比設(shè)計(jì)值略有惡化，主要原因一個(gè)是加工裝配誤差，另一個(gè)就是聚四氟乙烯的介電常數(shù)和理論設(shè)計(jì)存在一定的偏差。

在MI大型平面近場(chǎng)對(duì)反射面天線進(jìn)行了輻射特性測(cè)試。天線在7.1 GHz、8.4 GHz兩個(gè)頻率下測(cè)試結(jié)果同分析結(jié)果均吻合較好，實(shí)測(cè)的等高線方向如圖10、圖11所示，等高線數(shù)值的單位為dBi。

圖10 MI近場(chǎng)實(shí)測(cè)增益方向圖Fig.10 Measured gain pattern at MI planar near field

圖11 MI近場(chǎng)實(shí)測(cè)軸比方向圖Fig.11 Measured AR pattern at MI planar near field

如表2所示，天線在7.1 GHz實(shí)測(cè)峰值增益為25.9 dBi，在8.4 GHz實(shí)測(cè)峰值增益為27.2 dBi，相對(duì)應(yīng)的口徑效率分別為64.6%和62.3%。天線的設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果比對(duì)如表3所示。實(shí)測(cè)結(jié)果表明該天線在7.1 GHz工作頻率下的±2.5°角域范圍，±4°角域范圍的覆蓋區(qū)增益以及在8.4 GHz的±2.5°角域范圍，±4°角域范圍的覆蓋區(qū)增益設(shè)計(jì)值和實(shí)測(cè)值吻合較好，最大偏差小于0.5 dB。天線的±4°角域范圍實(shí)測(cè)軸比同設(shè)計(jì)相比略有惡化，最大惡化不超過0.4 dB，主要原因是饋源±76°照射角域范圍實(shí)測(cè)的交叉極化同設(shè)計(jì)相比略有惡化。

表2 MI平面近場(chǎng)測(cè)試的天線增益

表3 分析和測(cè)試結(jié)果比對(duì)

5 結(jié)論

本文介紹了“天問一號(hào)”火星探測(cè)器“祝融號(hào)”火星車X頻段緊湊型反射面天線及其饋源的設(shè)計(jì)方法，利用HFSS全波分析軟件進(jìn)行天線模塊和整體的優(yōu)化分析和設(shè)計(jì)結(jié)果確認(rèn)。仿真分析和實(shí)測(cè)結(jié)果表明該天線工作頻段可以覆蓋7.1～8.5 GHz頻段，在±4°內(nèi)軸比不大于2.1 dB，峰值增益不小于25.9 dBi，口徑效率在7.1 GHz可以達(dá)到64.6%，在8.4 GHz下可以達(dá)到62.3%。天線的實(shí)際口徑為330 mm，高度為205 mm，同傳統(tǒng)的正饋反射面天線寬帶饋源比較，饋源長(zhǎng)度方向減少了20%，天線性能優(yōu)異，解決了“祝融號(hào)”小型緊湊反射面天線上下行共用需求問題，可以為后續(xù)星載小型低剖面天線設(shè)計(jì)提供借鑒。