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 3. 中國空間技術研究院通信與導航衛(wèi)星總體部，北京 100094

1 引言

在地外天體的著陸探測器中，一般需要配備一副X頻段高增益天線作為測控通信手段。例如中國月球探測“嫦娥四號”著陸器的定向天線，“嫦娥五號”著陸器的定向天線；美國2003年發(fā)射的用于火星著陸探測的“勇氣號”“機遇號”火星車高增益天線；2011年發(fā)射的用于火星著陸探測的“好奇號”火星車高增益天線；2020年發(fā)射的“毅力號”火星車高增益天線等。中國的“嫦娥四號”“嫦娥五號”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，美國火星探測的“勇氣號”“機遇號”以及“好奇號”“毅力號”的X頻段高增益天線鏈路同時具備上行和下行能力。而根據(jù)中國“天問一號”火星探測器祝融號火星車的著陸探測需求，在X頻段高增益天線鏈路上也需要同時具備上行和下行能力，這也就要求天線應具備收發(fā)共用的能力。對于深空探測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]。

國內(nèi)外目前火星著陸探測器對X頻段高增益天線要求峰值增益約為25～27 dBi。技術途徑上，以美國為代表的一般采用陣列天線形式，最大的優(yōu)點是天線剖面低，此類天線通過加裝介質(zhì)保護罩后對于抗火星塵極其有利。其中，美國勇氣號、機遇號的高增益天線為采用了印刷偶極子天線陣列技術，但是由于偶極子單元窄帶的諧振特性，導致該天線在7.1 GHz接收工作頻段時，駐波比僅為2.4∶1，且該頻段下的峰值增益僅為20.6 dBi。美國好奇號、毅力號的高增益天線為多層陣列天線，該天線相較于勇氣、機遇號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個子陣的三角形網(wǎng)格形式，但是該天線饋電網(wǎng)絡較復雜，同時饋電網(wǎng)絡造成的介質(zhì)損耗也比較可觀，導致該天線在質(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，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候輻射效率極低，輻射效率約40%，這無法滿足祝融號火星車上下行同時具備的工程需求。

為實現(xiàn)祝融號火星車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)的航天器最大特點是火星塵的存在，一旦火星塵進入饋源內(nèi)部，無疑會惡化饋源的性能，進而影響到通信鏈路，同時還要考慮到天線集成到驅(qū)動機構(gòu)后的包絡尺寸等因素限制。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，覆蓋了祝融號高增益天線的工作頻段，測試結(jié)果驗證了該天線的性能。

2 反射面天線設計需求

根據(jù)祝融號火星車的通信需求，為了實現(xiàn)火星車直接對地通信和火星車對環(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，具體設計需求如表1所示。

表1 反射面天線的設計需求

3 反射面天線設計

3.1 天線整體設計

為了實現(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，初步計算反射面口徑尺寸約為300～400 mm，由于天線口徑尺寸相對于工作波長較小，雙反射面并不合適，正饋單反射面應為最優(yōu)選擇。為了盡可能降低天線的質(zhì)量，最終設計反射面為一個直徑330 mm的標準拋物面。反射面天線后續(xù)需要同雙軸驅(qū)動機構(gòu)進行集成，受到火星車安裝包絡的限制，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，饋源的整體長度不能超過95 mm，這對于饋源的設計是一個挑戰(zhàn)。

根據(jù)反射面天線設計的經(jīng)驗值，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)境因素波導型饋源應為最優(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)的小型波導饋源應為較好的選擇，但是這種小型波導饋源為開放式結(jié)構(gòu)，火星塵的進入不可避免，同時，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，這會對口徑為330 mm的反射面造成比較嚴重的遮擋。為了能實現(xiàn)饋源輸出口徑減小，減小饋源的整體長度，實現(xiàn)防火星塵設計，設計了一種新型饋源，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、吸收負載和嵌入介質(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，可以實現(xiàn)較好的交叉極化隔離度，減小邊緣散射效應，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入饋源系統(tǒng)內(nèi)部的同時減小了饋源口徑和長度。為了確保聚四氟乙烯不會因為熱脹冷縮效應，力學環(huán)境等因素造成脫落，在輸出波導的末端加裝一圈翻邊限位，同時，在一體化圓極化器尾部設置了脊限位，確保了聚四氟乙烯固定和火星塵不進入。

3.2 饋源輻射部分設計

饋源的輻射部分如圖3所示，其中Rin為圓波導口徑的半徑，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。考慮到火星的空間環(huán)境以及饋源設計的優(yōu)化性能，選擇了較低介電常數(shù)的聚四氟乙烯填充。喇叭天線圓波導輸入的口徑Rin對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TE11模式的截止頻率，fcutoff TM01為圓波導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和介質(zhì)的可安裝性，設計將Rout=Rin，即：θ=0°，其余參數(shù)Rout1、d1、hslot、wslot需要進行詳細優(yōu)化設計。

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

(1)

3.3 一體集成圓極化器設計

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，同時為了盡量縮短饋源尺寸，則饋源極化器也應內(nèi)置聚四氟乙烯，同時因為波導口面進行翻邊設計，保證了聚四氟乙烯不會因為力學環(huán)境向前攢動，也要考慮不能向后攢動，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度尺寸，最終影響反射面整體包絡尺寸，為了最大化降低饋源長度，一體集成圓極化器將輸入端為方波導和輸出端為圓波導進行一體化的設計，減少了方圓過渡的長度，并也置入了聚四氟乙烯，在進一步縮短圓極化器尺寸的同時進一步保證了聚四氟乙烯的前后固定安裝，新型的圓極化器設計如圖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)化波導輸入長度Wg，寬度Hg，隔板的厚度dg，以及隔板的臺階高度hp1～hp5和相應的臺階長度lp1～lp5實現(xiàn)良好的性能。

3.4 阻抗變換及吸收負載設計

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準接口為長Wf24.5 mm、寬Hf6 mm的波導。為此，需要將圓極化器具有置入介質(zhì)的波導端口Wg16.5 mm、Hg7.2 mm過渡到空氣腔體的Wf和Hf。為了盡量兼顧設計性能和控制產(chǎn)品尺寸，設計采用了三級阻抗變換來實現(xiàn)，具體如圖5中b1、b2、b3中過渡點所示，其中：介質(zhì)波導的寬度和高度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，阻抗變換實現(xiàn)了介質(zhì)波導到空氣波導的變換，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物理端口，如圖4中的1、2、3，其中,1、2兩個為輸入端口，端口3接輻射喇叭，祝融號火星車僅需要單右旋圓極化天線，所以對于照射反射面的饋源，則僅需要一個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計成吸收負載，完成端口2的封閉處理。

吸收材料選用高介電常數(shù)材料，設計時著重考慮吸收負載的安裝和固定方式，確保能通過力學環(huán)境、熱環(huán)境試驗等考核。阻抗變換段不再置入聚四氟乙烯，原因為該段長度較短，且其中的端口2通道端口需要安裝固定吸收負載材料，所以必須為空氣腔體，具體負載形式詳見圖6所示。

圖6 負載示意Fig.6 Structure of the load

3.5 整體優(yōu)化設計

利用基于有限元法的全波仿真分析軟件Ansys HFSS對天線進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、矩形波導輸入段，最后在饋源右旋端口的矩形波導輸入段內(nèi)置入吸收負載。在仿真分析的時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、匹配負載的優(yōu)化設計，隨后將各個部組件級聯(lián)再進行整體優(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 反射面天線測試駐波比Fig.7 Measured VSWR of the reflector antenna

圖8 實測饋源7.1 GHz歸一化方向圖Fig.8 Measured normalized radiation pattern at 7.1 GHz

圖9 實測饋源8.4 GHz歸一化方向圖Fig.9 Measured normalized radiation pattern at 8.4 GHz

4 測試驗證

4.1 阻抗測試結(jié)果

為了驗證設計的正確性，按上述設計結(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的非標準波導接口轉(zhuǎn)接到標準WR112波導口，利用安捷倫E8362B矢量網(wǎng)絡分析儀對單獨饋源的阻抗特性、饋源安裝到反射面組件整體的阻抗特性分別進行了測試，圖7給出了仿真結(jié)果和測量結(jié)果對比情況。

由圖7可知，饋源及反射面天線的分析和實測結(jié)果吻合比較好，存在輕微變化，存在變化主要有兩個原因，一個是測試饋源的時候需要將非標準接口波導轉(zhuǎn)接到WR112標準波導接口，存在一定的轉(zhuǎn)接誤差，另一個就是產(chǎn)品加工和理論設計存在一定的偏差，尤其是介質(zhì)的介電常數(shù)會存在一定偏差。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有一部分返回到饋源內(nèi)部，造成電壓駐波比(VSWR)會存在一定的變化，經(jīng)過實測，饋源在7.0～8.5 GHz工作頻帶內(nèi)實測結(jié)果不大于1.23，性能滿足設計需求。

4.2 輻射特性測試結(jié)果

在箱型微波暗室對饋源的輻射方向圖進行了測試，測試方向圖的結(jié)果同設計分析結(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，實測的饋源在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，實測的饋源在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，實測的饋源在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)交叉極化實測值比設計值略有惡化，主要原因一個是加工裝配誤差，另一個就是聚四氟乙烯的介電常數(shù)和理論設計存在一定的偏差。

在MI大型平面近場對反射面天線進行了輻射特性測試。天線在7.1 GHz、8.4 GHz兩個頻率下測試結(jié)果同分析結(jié)果均吻合較好，實測的等高線方向如圖10、圖11所示，等高線數(shù)值的單位為dBi。

圖10 MI近場實測增益方向圖Fig.10 Measured gain pattern at MI planar near field

圖11 MI近場實測軸比方向圖Fig.11 Measured AR pattern at MI planar near field

如表2所示，天線在7.1 GHz實測峰值增益為25.9 dBi，在8.4 GHz實測峰值增益為27.2 dBi，相對應的口徑效率分別為64.6%和62.3%。天線的設計和測試結(jié)果比對如表3所示。實測結(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)增益設計值和實測值吻合較好，最大偏差小于0.5 dB。天線的±4°角域范圍實測軸比同設計相比略有惡化，最大惡化不超過0.4 dB，主要原因是饋源±76°照射角域范圍實測的交叉極化同設計相比略有惡化。

表2 MI平面近場測試的天線增益

表3 分析和測試結(jié)果比對

5 結(jié)論

本文介紹了“天問一號”火星探測器“祝融號”火星車X頻段緊湊型反射面天線及其饋源的設計方法，利用HFSS全波分析軟件進行天線模塊和整體的優(yōu)化分析和設計結(jié)果確認。仿真分析和實測結(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可以達到64.6%，在8.4 GHz下可以達到62.3%。天線的實際口徑為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，饋源長度方向減少了20%，天線性能優(yōu)異，解決了“祝融號”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計提供借鑒。