小型化星载收发天线设计

摘 要：随着航天研究不断深入，立方体卫星需求大大增加。作为卫星上的重要部件，小型化星载天线成为研究热点。本文采用复合材料基本、多馈点技术、高可靠安装等技术，设计仿真了小型化星载收发天线。天线直径为50cm，高度5.5cm，接收和發射波束宽度大于100度。

关键词：星载；平面天线；导航信号；多馈点

0 引言

随着航天研究的不断深入，针对低轨道的空间探测任务以及对地观测任务需求日益增多。传统卫星平台的长周期、高成本已经无法满足日益增长的发射需求，立方体卫星正式针对此类低轨道空间任务而研制的一种具备多载荷适配性的低成本航天器平台。当前立方体卫星已获得飞速发展并得到了实际应用[1]

立方星体积大多在分米级，又面临复杂的力学、热、真空、太阳紫外辐射及空间粒子辐射等复杂空间环境[2]。这就对位于立方体卫星上的天线提出了小型化及高可靠性的要求。

1 天线设计模型

针对立方体卫星星载天线的特殊要求，结合以前的相关产品设计，本文采用多馈点方式，设计了一个结构对称的微带天线。为了满足温度和质量的要求，天线基板采用了复合材料，同时能够满足宇航辐射条件。如果采用陶瓷材料，天线的大小以及重量就会超过星载天线的要求。

为了满足星载天线的过载要求，目前天线可以通过如图1所示的方式增加固定螺钉。保证在高过载情况下，天线有足够的牢固度和稳定度，不会受到破坏。

本文设计的星载天线直径为50mm，高度5.5mm，采用复合材料，天线可依据安装需求增加金属地板，在金属地板背面安装馈电网络电路板，最终引出GPS L1接收和1.6GHz发射两个同轴接头，接头形式为SMA-K。星载天线由于采用复合材料，天线的总质量控制在100g以内。由于天线较小，为了进一步加强天线的抗振动能力，天线无源板之间可以采用耐温胶以及螺丝加以固定。

2 天线仿真结果

以下给出星载小型收发天线在GPS接收频率和1.6GHz发射频率处各个指标的仿真结果。

从图2仿真结果可以看出，在天线仰角≥20°的时候，GPS接收天线增益大于-2dBi。天线仰角≥50°的时候，天线增益≥1.6dBi。满足一般导航天线对增益的要求。

从图3仿真结果可以看出，在天线仰角≥10°的情况下，天线极化不圆度在1dB以内。考虑到实际加工精度及组装误差，天线不圆度会比仿真情况恶化，最终实际估算天线不圆度在1.5～2dB以内。

从图4仿真结果可以看出，在天线仰角≥20°的时候，1.6GHz发射天线增益大于-2dBi。天线仰角≥50°的时候，天线增益≥1.6dBi。满足一般导航天线对增益的要求。

1.6GHz发射天线天线极化不圆度见图5，仿真结果与GPS接收天线类似。

从图6仿真结果可以看出，收发两个端口之间的隔离度大于27dB，配合后端变频器滤波，较好的保证了收发之间的影响。

3 材料选型

由于星载设备所处的空间环境的特殊性及恶劣的环境条件，一般要求长寿命、高可靠性、体积小、重量轻、天线阵面板间间隙及平整度和热变形要小。因此对热设计、抗热辐射、紫外辐射、高能光子和粒子辐射、电磁兼容设计、腔效应、抗原子氧、预防微流星和空间碎片的撞击以及天线机构的展开和锁定等均有苛刻的要求。

对于天线而言，需要重点保证天线的结构稳定性、天线无源性能等。由于星上使用条件，材料必须满足卫星轨道环境-90℃～+150℃高真空条件下电气板不鼓泡、不脱落的使用要求，因此要求材料具有良好的工作温度范围，密度低，模量高，强度高，低膨胀系数，抗辐照等特性。

天线无源板材选用泰兴微波的板材，该厂有适用于宇航级应用的板材。天线固定底座可以选用金属铝合金进行加工。其工作温度可达 200～300度，其低温性能好，导热性 能好。

本文设计选用的无源复合介质板主要指标如下：

介电常数（DK）：2.2～20.00

正切角损耗（DF）：0.0035@10GHz

铜皮附着力：lOibs/inch

吸水性：≤0.01%

表面电阻：1×1013欧

体电阻：l×l015欧

热传导系数：0.5千卡/米/小时℃

工作温度：-100～+150℃

根据以上特点可以看出，所采用的无源板材有如下特点：损耗小、介电常数高且稳定、适用温度范围大。

4 加工设计

本文设计小型化星载收发天线加工需要注意加工精度以及天线结构的表面处理，对金属厚度，热防护涂层等进行重点考虑。本天线设计采用被动热控制技术中的热控涂层来调节固体表面的热辐射性能，从而达到控制温度的目的。天线和天线的热防护涂层具有优异的耐湿热、耐冷热交变的能力，经真空——紫外辐照、真空——电子/质子辐照等模拟空间环境考核，其性能指标基本无变化。

本文设计天线是直接面对外太空环境，直接承受空间热环境及空间粒子辐照等环境作用。作为无源天线，采用被动热控措施，在天线辐射面喷涂热控涂层，在天线背腔面包覆热控多层。热控涂层采用温控白漆SR107—ZK，该天线各部分所采取的结构设计，实现工艺均是成熟可操作的，从而保证了产品优化设计目标的顺利达成，满足了星载产品高可靠、长寿命工作要求。

5 结论

本文采用复合材料设计天线基本，仿真结果复合技术要求。加工完成后，需要在实际应用中进行进一步的检测。

参考文献

[1] 廖文和.立方体卫星技术发展及其应用[J].南京航空航天大学学报.2015，47（6）：792-797.

[2] 方伟.星载天线环境防护及设计[J].电讯技术，2014，54（8）：1160-1165.

作者简介

郭国君（1985-），男，硕士学位，电子科学与技术专业，主要研究方向：信号采集回放、微波、微波光子学。