“祝融号”火星车反射面天线设计

刘志佳，段江年，侯沁芳，孙大媛，庄建楼，鲁帆，李璠

1. 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094 2. 北京市电磁兼容与天线测试工程技术研究中心，北京 100094 3. 中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部，北京 100094

1 引言

在地外天体的着陆探测器中，一般需要配备一副X频段高增益天线作为测控通信手段。例如中国月球探测“嫦娥四号”着陆器的定向天线，“嫦娥五号”着陆器的定向天线；美国2003年发射的用于火星着陆探测的“勇气号”“机遇号”火星车高增益天线；2011年发射的用于火星着陆探测的“好奇号”火星车高增益天线；2020年发射的“毅力号”火星车高增益天线等。中国的“嫦娥四号”“嫦娥五号”着陆器在X频段高增益天线链路上仅具备X频段的下行能力，美国火星探测的“勇气号”“机遇号”以及“好奇号”“毅力号”的X频段高增益天线链路同时具备上行和下行能力。而根据中国“天问一号”火星探测器祝融号火星车的着陆探测需求，在X频段高增益天线链路上也需要同时具备上行和下行能力，这也就要求天线应具备收发共用的能力。对于深空探测X频段通信频率，上行一般工作在7.1～7.2 GHz，下行一般工作在8.4～8.5 GHz频段[1-3]。

国内外目前火星着陆探测器对X频段高增益天线要求峰值增益约为25～27 dBi。技术途径上，以美国为代表的一般采用阵列天线形式，最大的优点是天线剖面低，此类天线通过加装介质保护罩后对于抗火星尘极其有利。其中，美国勇气号、机遇号的高增益天线为采用了印刷偶极子天线阵列技术，但是由于偶极子单元窄带的谐振特性，导致该天线在7.1 GHz接收工作频段时，驻波比仅为2.4∶1，且该频段下的峰值增益仅为20.6 dBi。美国好奇号、毅力号的高增益天线为多层阵列天线，该天线相较于勇气、机遇号高增益天线在辐射效率、增益、驻波比方面有了大幅度提升，辐射单元采用圆环微带形式，辐射阵面利用6个子阵的三角形网格形式，但是该天线馈电网络较复杂，同时馈电网络造成的介质损耗也比较可观，导致该天线在质量和性能方面并不最优[3-6]。近些年来，也发展出一些新天线技术，例如，径向线缝隙开槽阵列天线[7]，超表面天线等[8-10]，这些天线普遍存在的问题是带宽受限，在宽频段或者双频段工作的时候辐射效率极低，辐射效率约40%，这无法满足祝融号火星车上下行同时具备的工程需求。

为实现祝融号火星车X频段高增益天线需求，可以采用反射面天线形式，但是火星环境相比较于传统的航天器最大特点是火星尘的存在，一旦火星尘进入馈源内部，无疑会恶化馈源的性能，进而影响到通信链路，同时还要考虑到天线集成到驱动机构后的包络尺寸等因素限制。为了解决这些问题，介绍了一种紧凑防尘反射面天线，该天线工作在7.1～8.5 GHz，覆盖了祝融号高增益天线的工作频段，测试结果验证了该天线的性能。

2 反射面天线设计需求

根据祝融号火星车的通信需求，为了实现火星车直接对地通信和火星车对环绕器通信，要求天线具备较高的覆盖区增益和右旋圆极化输出，具体设计需求如表1所示。

表1 反射面天线的设计需求

3 反射面天线设计

3.1 天线整体设计

为了实现X频段(7.1～8.5 GHz)天线的覆盖区±4°不小于22.5 dBi和±2.5°不小于24 dBi的需求，初步计算反射面口径尺寸约为300～400 mm，由于天线口径尺寸相对于工作波长较小，双反射面并不合适，正馈单反射面应为最优选择。为了尽可能降低天线的质量，最终设计反射面为一个直径330 mm的标准抛物面。反射面天线后续需要同双轴驱动机构进行集成，受到火星车安装包络的限制，要求反射面天线自身需要剖面高度尺寸不能大于210 mm，将焦径比设置为f/d=0.32，f为反射面焦距，d为反射面口径尺寸，换算下来，馈源的整体长度不能超过95 mm，这对于馈源的设计是一个挑战。

根据反射面天线设计的经验值，一般正馈的反射面天线馈源的锥削电平为-10～-15 dB左右[11]，目前一般星载常见的小型馈源形式主要为波导形式，微带形式、螺旋天线形式或者振子形式，但是考虑到带宽因素和环境因素波导型馈源应为最优的选择[12-19]。根据反射面天线的工作频率需求，常规的带扼流环的小型波导馈源应为较好的选择，但是这种小型波导馈源为开放式结构，火星尘的进入不可避免，同时，一般的在7.1～8.4 GHz频带内，馈源的口径尺寸大约为50 mm，这会对口径为330 mm的反射面造成比较严重的遮挡。为了能实现馈源输出口径减小，减小馈源的整体长度，实现防火星尘设计，设计了一种新型馈源，解决了上述问题。具体如图1所示。馈源的爆炸示意图详见图2所示。

图1 馈源整体示意Fig.1 Structure of the whole feed

图2 馈源整体示意及爆炸示意Fig.2 Explosion structure of the whole feed

馈源整体由馈源辐射部分、一体集成圆极化器段、阻抗变换段、输入波导、吸收负载和嵌入介质部分组成。在喇叭天线外围加装一圈扼流环，通过合理优化扼流环的结构尺寸，可以实现较好的交叉极化隔离度，减小边缘散射效应，降低天线后瓣。在馈源辐射段和一体化圆极化器段置入了聚四氟乙烯介质，嵌入的聚四氟在阻挡火星尘进入馈源系统内部的同时减小了馈源口径和长度。为了确保聚四氟乙烯不会因为热胀冷缩效应，力学环境等因素造成脱落，在输出波导的末端加装一圈翻边限位，同时，在一体化圆极化器尾部设置了脊限位，确保了聚四氟乙烯固定和火星尘不进入。

3.2 馈源辐射部分设计

馈源的辐射部分如图3所示，其中Rin为圆波导口径的半径，Rout为馈源翻边前输出半径，Rout1为馈源翻边后输出半径，d1为扼流圈波纹脊宽度，hslot为扼流圈槽深度，wslot为扼流圈槽宽度，θ为Rin和Rout连接夹角，图中的斜线部分为填充的介质材料。考虑到火星的空间环境以及馈源设计的优化性能，选择了较低介电常数的聚四氟乙烯填充。喇叭天线圆波导输入的口径Rin对于天线的阻抗特性和辐射特性影响较大，考虑到阻抗匹配和交叉极化需求，Rin需要足够大且确保圆波导传输TE11模式，截止TM01模式。根据公式(1)[20]，为了尽可能将馈源做紧凑，取整后选择喇叭口的输入半径Rin=9 mm，fcutoff TE11为圆波导TE11模式的截止频率，fcutoff TM01为圆波导TM01模式的截止频率。一般喇叭口的输出口径Rout要大于等于Rin，为了尽可能减小遮挡效应和介质的可安装性，设计将Rout=Rin，即：θ=0°，其余参数Rout1、d1、hslot、wslot需要进行详细优化设计。

图3 波导馈源辐射部分示意Fig.3 Structure of the waveguide feed radiation part

(1)

3.3 一体集成圆极化器设计

圆极化器一般形式有波纹极化器、销钉极化器、介质极化器、隔板极化器等，由于馈源内置了聚四氟乙烯，同时为了尽量缩短馈源尺寸，则馈源极化器也应内置聚四氟乙烯，同时因为波导口面进行翻边设计，保证了聚四氟乙烯不会因为力学环境向前攒动，也要考虑不能向后攒动，所以综合考虑工作带宽和安装的可操作性，隔板极化器比较适用。

图4 一体集成圆极化器示意Fig.4 Structure of the integrated polarizer

隔板圆极化器是一种结构紧凑、易于加工、质量轻、体积小、性能良好的圆极化器。一般的隔板圆极化器的输入端口和输出端口均为方波导形式，然后再配合方圆过渡与馈源辐射部分连接，方圆过渡增加馈源的长度尺寸，最终影响反射面整体包络尺寸，为了最大化降低馈源长度，一体集成圆极化器将输入端为方波导和输出端为圆波导进行一体化的设计，减少了方圆过渡的长度，并也置入了聚四氟乙烯，在进一步缩短圆极化器尺寸的同时进一步保证了聚四氟乙烯的前后固定安装，新型的圆极化器设计如图4所示，输出端口直接同馈源辐射部分连接，半径尺寸为Rin，通过优化波导输入长度Wg，宽度Hg，隔板的厚度dg，以及隔板的台阶高度hp1～hp5和相应的台阶长度lp1～lp5实现良好的性能。

3.4 阻抗变换及吸收负载设计

为了能尽量减少产品质量，考虑产品的功率耐受能力和低气压放电能力，馈源最终的输入端口采用了非标准接口为长Wf24.5 mm、宽Hf6 mm的波导。为此，需要将圆极化器具有置入介质的波导端口Wg16.5 mm、Hg7.2 mm过渡到空气腔体的Wf和Hf。为了尽量兼顾设计性能和控制产品尺寸，设计采用了三级阻抗变换来实现，具体如图5中b1、b2、b3中过渡点所示，其中：介质波导的宽度和高度Wg、Hg连接嵌入介质的圆极化器，Wf和Hf为馈源的输出接口，阻抗变换实现了介质波导到空气波导的变换，具体变换尺寸需要优化确定。

图5 阻抗变换示意Fig.5 Structure of the impedance transformation

由于隔板极化器提供了三个物理端口，如图4中的1、2、3，其中,1、2两个为输入端口，端口3接辐射喇叭，祝融号火星车仅需要单右旋圆极化天线，所以对于照射反射面的馈源，则仅需要一个左旋圆极化端口即可，在完成阻抗变换后直接利用吸收材料设计成吸收负载，完成端口2的封闭处理。

吸收材料选用高介电常数材料，设计时着重考虑吸收负载的安装和固定方式，确保能通过力学环境、热环境试验等考核。阻抗变换段不再置入聚四氟乙烯，原因为该段长度较短，且其中的端口2通道端口需要安装固定吸收负载材料，所以必须为空气腔体，具体负载形式详见图6所示。

图6 负载示意Fig.6 Structure of the load

3.5 整体优化设计

利用基于有限元法的全波仿真分析软件Ansys HFSS对天线进行三维建模仿真分析，首先从功能上分为馈源辐射部分、一体化圆极化器、阻抗变换段、矩形波导输入段，最后在馈源右旋端口的矩形波导输入段内置入吸收负载。在仿真分析的时候需要分别完成馈源辐射部分、一体化圆极化器、阻抗变换段、匹配负载的优化设计，随后将各个部组件级联再进行整体优化。馈源和馈源安装反射面天线后的分析驻波比结果详见图7所示，馈源辐射特性的分析结果详见图8、图9所示。

图7 反射面天线测试驻波比Fig.7 Measured VSWR of the reflector antenna

图8 实测馈源7.1 GHz归一化方向图Fig.8 Measured normalized radiation pattern at 7.1 GHz

图9 实测馈源8.4 GHz归一化方向图Fig.9 Measured normalized radiation pattern at 8.4 GHz

4 测试验证

4.1 阻抗测试结果

为了验证设计的正确性，按上述设计结果，生产加工了馈源及反射面组件，将馈源的24.5 mm×6.0 mm的非标准波导接口转接到标准WR112波导口，利用安捷伦E8362B矢量网络分析仪对单独馈源的阻抗特性、馈源安装到反射面组件整体的阻抗特性分别进行了测试，图7给出了仿真结果和测量结果对比情况。

由图7可知，馈源及反射面天线的分析和实测结果吻合比较好，存在轻微变化，存在变化主要有两个原因，一个是测试馈源的时候需要将非标准接口波导转接到WR112标准波导接口，存在一定的转接误差，另一个就是产品加工和理论设计存在一定的偏差，尤其是介质的介电常数会存在一定偏差。在馈源安装到反射面以后驻波也存在轻微的变化，主要原因是：受到馈源照射的能量会有一部分返回到馈源内部，造成电压驻波比(VSWR)会存在一定的变化，经过实测，馈源在7.0～8.5 GHz工作频带内实测结果不大于1.23，性能满足设计需求。

4.2 辐射特性测试结果

在箱型微波暗室对馈源的辐射方向图进行了测试，测试方向图的结果同设计分析结果吻合很好，具体如图8、图9所示。分析的馈源在7.1 GHz的±76°角域范围的照射锥削为-11.2～-11.5 dB，实测的馈源在7.1 GHz的±76°角域范围的照射锥削为-11.0～-11.6 dB；分析的馈源在8.4 GHz的±76°角域范围的照射锥削为-11.2～-11.7 dB，实测的馈源在8.4 GHz的±76°角域范围的照射锥削为-11.5～-12.1 dB。分析的馈源在7.1 GHz和8.4 GHz的轴向交叉极化抑制度分别为-29.36 dB和-30.32 dB，实测的馈源在7.1 GHz和8.4 GHz的轴向交叉极化抑制度分别为-27.01 dB和-28.30 dB，馈源的±76°照射角域范围内交叉极化实测值比设计值略有恶化，主要原因一个是加工装配误差，另一个就是聚四氟乙烯的介电常数和理论设计存在一定的偏差。

在MI大型平面近场对反射面天线进行了辐射特性测试。天线在7.1 GHz、8.4 GHz两个频率下测试结果同分析结果均吻合较好，实测的等高线方向如图10、图11所示，等高线数值的单位为dBi。

图10 MI近场实测增益方向图Fig.10 Measured gain pattern at MI planar near field

图11 MI近场实测轴比方向图Fig.11 Measured AR pattern at MI planar near field

如表2所示，天线在7.1 GHz实测峰值增益为25.9 dBi，在8.4 GHz实测峰值增益为27.2 dBi，相对应的口径效率分别为64.6%和62.3%。天线的设计和测试结果比对如表3所示。实测结果表明该天线在7.1 GHz工作频率下的±2.5°角域范围，±4°角域范围的覆盖区增益以及在8.4 GHz的±2.5°角域范围，±4°角域范围的覆盖区增益设计值和实测值吻合较好，最大偏差小于0.5 dB。天线的±4°角域范围实测轴比同设计相比略有恶化，最大恶化不超过0.4 dB，主要原因是馈源±76°照射角域范围实测的交叉极化同设计相比略有恶化。

表2 MI平面近场测试的天线增益

表3 分析和测试结果比对

5 结论

本文介绍了“天问一号”火星探测器“祝融号”火星车X频段紧凑型反射面天线及其馈源的设计方法，利用HFSS全波分析软件进行天线模块和整体的优化分析和设计结果确认。仿真分析和实测结果表明该天线工作频段可以覆盖7.1～8.5 GHz频段，在±4°内轴比不大于2.1 dB，峰值增益不小于25.9 dBi，口径效率在7.1 GHz可以达到64.6%，在8.4 GHz下可以达到62.3%。天线的实际口径为330 mm，高度为205 mm，同传统的正馈反射面天线宽带馈源比较，馈源长度方向减少了20%，天线性能优异，解决了“祝融号”小型紧凑反射面天线上下行共用需求问题，可以为后续星载小型低剖面天线设计提供借鉴。