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

火星著陸巡視器應(yīng)用的背罩天線設(shè)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(shè)計部，北京 100094）
（2北京市電磁兼容與天線測試工程技術(shù)研究中心，北京 100094）

結(jié)合我國著陸器發(fā)展現(xiàn)狀及火星探測任務(wù)需求，提出了一種新的背罩天線設(shè)計，它由6個單元天線構(gòu)成，通過給每個單元天線端口等幅同相饋電，實現(xiàn)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(xiàn)雙頻功能。仿真結(jié)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(nèi)大于—8dBi，在俯仰面和方位面有良好的圓對稱性。研究結(jié)果可為未來我國火星著陸器背罩天線技術(shù)的實現(xiàn)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(jìn)入、下降、著陸過程（簡稱EDL過程）是火星軟著陸探測任務(wù)中最為重要的環(huán)節(jié)之一，而EDL過程中的通信是地面了解探測器工作狀態(tài)和健康情況的主要渠道，也是火星軟著陸任務(wù)通信系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)關(guān)注的重點之一，得到國際航天機(jī)構(gòu)的高度重視［1-3］。然而受器地通信距離較遠(yuǎn)等因素限制，火星著陸器EDL過程中器地傳輸?shù)男畔⑺俾瘦^低，不足以支撐EDL過程產(chǎn)生的全部數(shù)據(jù)實時傳輸。對此，國外一般采用中繼通信技術(shù)，通過背罩天線實現(xiàn)EDL過程著陸器與環(huán)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(shè)計。然而國外背罩天線方案存在單頻段工作、頻帶較窄、質(zhì)量較大的缺點，無法滿足未來我國火星探測任務(wù)的需求。不同于普通航天器通信天線，整個火星探測任務(wù)對背罩天線的質(zhì)量有著嚴(yán)苛的要求，需要背罩天線實現(xiàn)器間收發(fā)共用雙向中繼通信，同時還要耐受著陸器進(jìn)入火星過程嚴(yán)酷的熱流環(huán)境，既要滿足質(zhì)量輕量化、雙頻工作模式要求，又要適應(yīng)進(jìn)入火星過程嚴(yán)苛的溫度環(huán)境，這給設(shè)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(fā)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(shè)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(zhì)基材，介質(zhì)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(zhì)量較大?？紤]到我國現(xiàn)有火箭運載能力，未來開展火星探測對天線產(chǎn)品的質(zhì)量要求嚴(yán)苛，同時要求天線滿足器間雙向雙頻通信模式。國內(nèi)外雙頻微帶天線實現(xiàn)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(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，不易于共形設(shè)計，而雙饋電法使天線諧振頻率的調(diào)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(xiàn)多模工作，傳統(tǒng)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(diào)試。與傳統(tǒng)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(xiàn)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(diào)試手段便捷且易于共形。

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

2　天線原理及設(shè)計

2.1天線原理

為滿足未來我國火星探測任務(wù)需求以及天線質(zhì)量輕量化、雙頻工作模式要求，本文設(shè)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(fā)共用，通過在輻射貼片四周開兩對不等長度的槽實現(xiàn)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(xiàn)雙頻工作，須要同時激勵起兩種模式，且兩種模式對應(yīng)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(dāng)饋點位于對角線上時，因為結(jié)構(gòu)對稱，兩種模式的電流分布完全相同，對應(yīng)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(dāng)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(fā)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(yīng)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(fā)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(diào)節(jié)對應(yīng)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(diào)節(jié)只對應(yīng)每一種模式諧振頻率的調(diào)節(jié)，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(diào)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(shè)計

2.2.1單元天線設(shè)計

根據(jù)以上原理分析，單元天線設(shè)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(zhì)基材邊長尺寸，a、b為饋電位置尺寸，h為介質(zhì)基材厚度尺寸。介質(zhì)層選用可短期耐溫240℃的泡沫材料，介電常數(shù)近似為1，選用泡沫材料可以減輕天線質(zhì)量，同時降低天線介電常數(shù)，提高天線帶寬；輻射片為方形貼片，輻射片材料采用與介質(zhì)基材線脹系數(shù)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(jīng)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(jù)實際需要對輻射貼片尺寸進(jìn)行微調(diào)。圖4、圖5分別給出了不同槽深L1和L2對應(yīng)天線反射系數(shù)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(diào)節(jié)對應(yīng)頻段的槽深尺寸實現(xiàn)頻點平移，通過調(diào)節(jié)饋電點位置a和b尺寸，可以調(diào)節(jié)天線反射系數(shù)大小。

借鑒國外經(jīng)驗［4］，本文背罩天線收發(fā)頻段設(shè)計為（398±3）MHz和（440±3）MHz，采用HFSS軟件對天線性能優(yōu)化，通過優(yōu)化求得背罩天線單元最終結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸。

圖3　背罩天線單元外形結(jié)構(gòu)圖Fig.3　Configuration of the proposed antenna element

圖4　不同槽深尺寸L1對應(yīng)單元天線反射系數(shù)仿真結(jié)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(yīng)單元天線反射系數(shù)仿真結(jié)果Fig.5　Simulated reflection coefficient of antenna element with different slot size L2

2.2.2組陣設(shè)計

由于背罩天線斜裝于背罩外表面，要實現(xiàn)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(zhì)量因素，要保證組陣增益方向圖沒有柵瓣出現(xiàn)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(shù)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(shù)越少，質(zhì)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(jié)果可以看出，4單元組陣方案雖然天線整體質(zhì)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(qū)，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(jié)果Fig.6　Simulated radiation patterns of six-cell and four-cell wraparound antenna

2.2.3構(gòu)型布局設(shè)計

如圖7所示，背罩結(jié)構(gòu)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(shè)計，背罩天線作為獨立的產(chǎn)品安裝在背罩殼體內(nèi)部，天線外表面與背罩殼體外表面平齊、共形。這種設(shè)計將天線單元設(shè)計成單獨的部件，天線整體質(zhì)量減輕很多，同時便于后期拆裝和維修。

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

2.2.4防隔熱設(shè)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(jīng)歷嚴(yán)苛的高速氣流沖刷和高溫環(huán)境，所以背罩天線的防隔熱設(shè)計至關(guān)重要。

由于本文背罩天線結(jié)構(gòu)形式簡單，防隔熱設(shè)計的重點在于材料選取?？紤]到質(zhì)量輕量化和繼承性，借鑒我國返回式衛(wèi)星防隔熱技術(shù)，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(qiáng)的耐氣動沖刷性能，通過調(diào)節(jié)合適的透波窗厚度來適應(yīng)環(huán)境要求。天線介質(zhì)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(huán)境條件，選取合適的材料特性參數(shù)，透波窗厚度越厚，天線內(nèi)部溫度也越低，但是天線質(zhì)量越重。利用ANSYS軟件對背罩天線進(jìn)行防隔熱仿真分析與優(yōu)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(jìn)行仿真分析。圖8給出優(yōu)化后單元天線反射系數(shù)仿真結(jié)果，圖9、圖10給出單元天線低、高頻中心頻點增益仿真結(jié)果，由仿真結(jié)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(nèi)端口反射系數(shù)小于—15dB，0o方向主極化增益大于7dBi。

圖8　優(yōu)化后單元天線反射系數(shù)仿真結(jié)果Fig.8　Simulated reflection coefficient of antenna element

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

圖10　優(yōu)化后單元天線增益方向圖仿真計算結(jié)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(fā)中心頻點器體增益仿真結(jié)果，由仿真結(jié)果可以看出，6單元組陣背罩天線方向圖增益可以實現(xiàn)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(jié)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(jié)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(jìn)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(yù)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(xiàn)在天線透波窗外表面，約207℃，內(nèi)部部件溫度都小于150℃，遠(yuǎn)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(zhì)基材采用Duroid5870［5］，其密度為2.2g/cm3，是本文天線介質(zhì)基材密度的20倍，且介質(zhì)基材基本覆蓋整個背罩外表面，所以質(zhì)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(shù)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(shè)計，所以整個防熱罩厚度不均勻，整體體積較大，質(zhì)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(shè)計，這樣可以使背罩防熱部分質(zhì)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(jié)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(yōu)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(biāo)俯仰角，φ表示坐標(biāo)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(jié)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(zhì)量較大的缺點，結(jié)合當(dāng)前我國著陸器發(fā)展?fàn)顩r及未來我國火星探測任務(wù)需求，提出了一種新的背罩天線設(shè)計方案，從單元天線設(shè)計、組陣設(shè)計、構(gòu)型布局設(shè)計及防隔熱設(shè)計4個方面進(jìn)行了詳細(xì)論述，通過仿真分析驗證該設(shè)計的可行性，最后與美國成功應(yīng)用的火星著陸器背罩天線性能進(jìn)行比對。后續(xù)須要根據(jù)未來我國火星探測任務(wù)的具體要求，對該天線進(jìn)行適應(yīng)性修改及進(jìn)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(shù)實現(xiàn)提供參考。

（References）

［1］Schratz Brian C，Soriano Melissa，Ilott Peter，et al.Telecommunication performance during entry，descent，and landing of the Mars Science Laboratory［J］.Journal of Spacecraft and Rockets，2014，51（4）:1237-1250

［2］Estabrook P，Barbieri A J，Edwards C D，et al.Mars Exploration Rovers:telecom system design and operation highlights，20060043392［R］.Pasadena，CA:JPL，2004

［3］Edwads Charles D，Arnold Bradford W，Bell David J，et al.Relay support for the Mars Science Laboratory and the coming decade of Mars relay network evolution ［C］//2012 IEEE Aerospace Conference.New York: IEEE，2012

［4］Kornfeld Richard P，Garacia Mark D，Craig Lynn E，et al.Entry，descent，and landing communications for the 2007 Phoenix Mars lander［J］.Journal of Spacecraft and Rockets，2008，45（3）:534-567

［5］K Edquist，A Dyakonov，Hampton，et al.Aero thermodynamic design of the Mars Science Laboratory backshell and parachute cone，NASA 20090024230［R］. Washington D.C.:NASA，2009

［6］K Edquist，A Dyakonov，Hampton，et al.Aero thermodynamic design of the Mars science laboratory heat shield，NASA 20090024218［R］.Washington D.C.: NASA，2009

［7］劉凱.新型多頻段微帶圓極化天線的設(shè)計與應(yīng)用研究［D］.南京:南京郵電大學(xué)，2013 Liu Kai.Study of novel microstrip circularly polarized dual-frequency GPS antenna［D］.Nanjing:Nanjing U-niversity of Posts and Telecommunications，2013（in Chinese）

［8］Roberto C.A novel dual-feed slot-coupling feeding technique for circularly polarized patch arrays［J］.IEEE Trans.on Antennas and Propagation，2010（9）:182-186

［9］Nasimuddin.Dual-band circularly polarized S-shaped slotted patch antenna with a small frequency-ratio［J］. IEEE Trans.on Antennas and Propagation，2010，58 （6）:2112-2115

［10］Zaharis Z，Vafiadis E，Sahalos J N.On the design of a dual-band base station wireantenna［J］.IEEE Antennas and Propagation Magazine，2000，42（11）:144-151

［11］林昌祿，聶在平.天線工程手冊［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002 Lin Changlu，Nie Zaiping.Antenna engineering handbook［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2002（in Chinese）

（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(shè)計。Email：wxt33022317@126.com。