一种满足静止气象卫星测控要求的天线设计方案

王 涵,姜 通,张国升

(上海卫星工程研究所,上海 200240)

0 引言

我国研制的新一代地球静止轨道气象卫星采用全新的卫星平台。作为一个全新的卫星平台,需满足卫星测控分系统正常工作的要求。测控天线作为卫星测控分系统的重要组成部分,实现地面遥控指令的接收与卫星遥测信息的发送,是卫星与地面间的“桥梁”,因此测控天线设计是保证测控系统正常工作的重要环节。与星上其他天线不同,为保证卫星在任何条件下测控通信都能正常工作,在满足增益要求的同时,要求天线波束尽可能宽,其理想状态要求天线波束覆盖为全向,实际要求测控天线具备准全向波束。本文对一种满足静止气象卫星测控要求的天线设计进行了研究。

1 卫星平台

我国新一代静止气象卫星姿态控制采用三轴稳定,与第一代自旋稳定的卫星相比,其特点为：一是新平台携带载荷多。除原可见光及红外观测外,增加了大气垂直观测、闪电观测等对地观测系统。二是覆盖频段范围广,无线传输通道多。频段从UHF频段到X频段,天线既有接收通道也有发射通道。为提高卫星业务能力,星上还采用了极化复用和频分复用。三是信息传输速率高。遥感器速率可达每秒数百兆位。四是采用三轴稳定方式工作,显著增加了卫星对地观测的时间。

2 测控天线方案设计

2.1 测控系统组成

测控系统由应答机、功放、双工器、天线网络和测控天线等组成,如图1所示。其中：测控天线采用收发共用方式。对天、对地面各2副天线,对天面天线与对地面天线组成近全向覆盖的方向图,2组天线为异频备份。

图1 测控系统组成Fig.1 Principle of telemetry and telecommand system

2.2 天线指标要求

测控天线的电性能指标要求见表1。由测控系统的链路计算可知：若测控系统要求接收机入口处的增益不小于-6.0 dBi,则到达天线端口处的增益要求为(-6.0+3.0+1.5+0.5)dB=-1.0 dBi,其中天线网络损耗3.0 d B,多工器损耗1.5 dB,天线馈线损耗0.5 d B。由此,为满足测控分系统要求,测控天线增益不小于-1.0 dB。为验证此方案,用FEKO电磁仿真软件对天线进行了仿真。

表1 测控天线电性能技术指标Tab.1 TT&C antenna electrical performance specifications

2.3 天线设计与性能仿真

2.3.1 设计原则

螺旋天线可满足天线性能指标,其中双臂椎螺旋或柱锥螺旋均为可选方案,但因柱锥螺旋直径相对较小,故本文采用了柱锥螺旋：天线由上下两部分组成,其中下部为5圈螺旋组成的柱螺旋,上部为2圈。天线采用顶部馈电的方式,其主要辐射区域是顶部的圆椎螺旋部分。圆锥螺旋天线的辐射沿轴指向圆锥顶点方向,具单向辐射特性。圆锥螺旋天线受激励后会在螺旋线上产生T0,T1,T2模电流[1-2]。因圆锥螺旋线半径为变量,当螺旋周长2πa≪λ(此处：a为螺旋的半径;λ为工作波长)时,主要以T0模为主,相当于螺旋慢旋慢波传输线,该模式中电磁能量几乎不辐射。随着往末端推移,当2πa大致为0.8λ～1.3λ时,电流波主要以T1模式存在,产生稳定的后向辐射(即指向圆锥顶点方向的辐射),该辐射能量方向与电流行进方向相反。当2πa＞1.3λ时,将激励形成T2,T3等高次模,但主要以T 2模为主,其他高次模因能量很小,对整体辐射性能影响可忽略,T2模特性是最大辐射指向偏离轴向方向。

根据圆锥螺旋的辐射特性,以及对测控天线要求具单向辐射宽波束特性,要求设计的圆锥螺旋部分具辐射T1,T2模的特性。本文取中心频点为2.2 GHz,λ=0.136 m,并考虑工程实际,馈电部分不能太大,螺旋半径分别为5,35 mm(0.2λ～1.6λ),螺距52 mm。圆锥螺旋下面的柱螺旋部分主要用于改善辐射方向图的后瓣,提高天线前后比。

2.3.2 单天线性能仿真

在FEKO仿真软件中建立天线仿真模型如图2所示。用矩量法对测控天线电磁特性进行了仿真,结果如图3所示[3-4]。由图可知：测控单天线增益约3 d Bi,±80°波束角内增益不小于0 dBi。单天线性能满足系统指标要求。

图2 测控天线仿真模型Fig.2 TT&C antenna simulation

测控天线合成方向图仿真结果如图4所示。由于功分器的影响,方向图合成后增益下降了3d B,此时天线输出端口处的增益约0 d Bi,且在天线方向图中出现了明显的干涉区。干涉区是由对天对地天线电磁场能量相互叠加形成的。在干涉区存在区域,天线增益出现剧烈波动,部分点的增益会变得非常低。由于地球同步轨道卫星覆盖地球的波束角为±9°左右,卫星在太空中一个小角度的变动经星地距离放大后会对地球站或卫星接收的信号产生很大影响。因此,新一代静止气象卫星测控天线方案设计的重点之一是在保证天线增益的前提下避开天线干涉区的影响,尤其在卫星变轨阶段。由图4可知：干涉区的范围约为±20°,无法满足卫星测控系统“允许对天和对地两天线间的干涉区(在±90°以外),存在不大于5°的范围内,天线净增益小于-12 dBi的盲区”要求。

3 方案优化

3.1 优化方案描述

由前文仿真发现,原测控天线方案的干涉区过大,天线增益在±80°范围内靠近指标临界值。为使卫星定点后测控不受天线干涉区的影响,考虑在卫星变轨阶段测控避免干涉区的影响。为此,参考东方红四号卫星平台测控方案,测控天线斜装16°,将干涉区偏移一个角度,另外为满足对地面天线增益尽可能大的要求,地面测控天线采取宽波束,天面测控天线采取窄波束。

图4 天线合成方向图Fig.4 Pattern of antenna combination

单天线设计中,对地面测控天线的圆锥部分增加锥底半径以增大T2模辐射强度,展宽波束;对天面的测控天线减小圆锥部分锥底半径以减少T2的模辐射强度并增大T1模的辐射强度。同时为平衡对地面和对天面测控天线因波束变化导致的合成方向图增益不一致,采取不等功率的馈电形式,功分比为2∶1。

优化后的测控覆盖如图5所示,图中阴影部分为干涉区。其调整后的测控天线指标见表2。

图5 优化后测控覆盖Fig.5 Optimized TT&Cantenna coverage

表2 优化后测控天线指标Tab.2 Optimized TT&Cantenna performancespecifications

3.2 优化后天线仿真

3.2.1 单天线仿真

优化的对地面和对天面天线仿真结果分别如图6、7所示。

图6 优化后对地面测控天线方向图Fig.6 Optimized pattern of antenna facing earth

由图6、7可知：对地面天线增益0 d Bi的波束宽度由原方案的±80°提高为±90°;对天面天线采取窄波束,增益约8.5 d Bi。采取不同增益天线是为配合功率不等分馈电后对地、对天天线合成方向图增益保持一致。

图7 优化后对天面测控天线方向图Fig.7 Optimized pattern of antenna facing space

3.2.2 天线合成方向图

优化后天线合成方向图仿真结果如图8所示。某型号测控天线(不等功率馈电)的实测方向图如图9所示。

图8 优化后天线合成方向图(天线未斜装)Fig.8 Optimized combination pattern(antenna not inclined loading)

由图8、9的比较可知：优化后的测控天线方案具可行性,且能满足测控系统的要求。

图9 某型号测控天线实测方向图Fig.9 Measured pattern of some antenna

4 卫星对测控天线性能影响

新一代静止气象卫星携带载荷多,整星结构布局复杂,尤其是卫星对地观测面布有较多数量的观测仪器,整星的电磁环境恶劣,对整星天线布局的要求更高。因此,分析天线装星后的电磁特性,研究卫星本体及其载荷对天线性能的影响就十分必要。

测控天线装星(天线斜装16°)后,卫星对测控天线性能影响的仿真结果如图10、11所示。由图可知：测控天线装星后受天线周围载荷及其他天线的影响,天线方向图出现了凹点,增益最小值为约-1 d Bi[5]。考虑天线网络及馈线损耗的影响并减去仿真结果与实际天线性能间的误差1 d B,到达接收机端口处的增益已超出测控系统要求的-6 dBi指标,因此需考虑提高对地面测控天线支架,以减少天线周围载荷对天线方向图的影响。

5 结束语

根据新一代静止气象卫星测控要求,本文选择并设计了满足测控指标要求的天线形式,分析了天线干涉区对测控的影响。并提出了改进的测控天线设计方案。通过采用对地天线宽波束,对天天线窄波束,不等分功率馈电及天线斜装等多种设计,使地面测控站在发送遥控指令时能避开天线干涉区的影响。仿真结果与预期结果一致,表明方案具可行性,可满足我国下一代静止气象卫星测控要求。

图10 整星状态测控天线极坐标方向图Fig.10 TT&C antenna polar pattern on stateof whole satellite

图11 整星状态测控天线直角坐标方向图Fig.11 TT&C antenna Cartesian coordinate pattern on stateof wholesatellite

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