某型号小卫星天线设计与分析

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1、1．1概述第一章绪论MT一1是一颗低轨道的地球极轨小卫星，该卫星的外形尺寸为650×700×500mm。卫星上需要安装的天线有数传天线，用以向地面接收站发射数据信号，测控天线完成卫星与地面间遥测和遥控信号的传输，包括信号的上行和下行，GPS天线用以接收来自GPS星座的信号。同时卫星上安装了红外地平仪，对地观察用有效载荷，星敏感器，调姿喷管等突出卫星表面对天线辐射性能有影响的仪器，这些因素在天线布局时需要综合考虑。1．2数传天线的要求与选型卫星在低轨道上『E常飞行时，卫星上数传天线对地面照射区内应有接近相等的照射电场强度，由于卫星离地面照射区

2、里各处的距离变化很大，数传天线需要具有一种称为对地匹配的辐射方向图，又称为赋形方向图。h：卫星轨道高度860KmP：地面站O：地心S’：卫星对称点L：星站距离图1．1卫星、地球、地面站的几何关系图1．1表示卫星和地面的几何关系，在△OPS’中应用正弦定理得月+向Rsin(口+，)sin口Ⅲin-1(竿sin口]一口∥：900一仁+y)三：R．兰坐给定卫星高度就可根据这些公式计算出我们需要的数据(见表1．1)。表1．1天线对地视角与卫星到地面站之间的斜距关系天线对地视地心角站仰角星站距离归一化距离角衰减yBL(Km)(dB)O。Oo90。86

3、2O．O5。O．68。84．3。8675O．0710。137。78．63。877．2O．1715。209。72．91口89770．3720o285。67．15。926．190．6425。367。6l33。9649510030。4．59。55．4l。10201．4835o5．63。49．37。1089．72．0540。686。43．14。“83928045。840o36．6。131623．7050。10．4。29．6o1501．34．8453。12．05o2495o1665457455。13．4。216。1802．464257o15．2。17

4、80。199l72959。17．69o1331。2258．58．3860。195。105。2455．79．10由表1．1天线对地视角与卫星到地面站之削的斜距关系可以提出卫星上天线的辐射方向图形状，这种形状的方向图是完全与地球匹配的赋形方向图原型，天线的轴向辐射比边缘可以下降9dB增益。考虑到轴向方向图下凹区很容易受环境影响而引起较大的信号起伏，所以只允许下降6dB。又根据发射机功率，地面站接收灵敏度等条件，确定边缘角度上的绝对增益得到实际使用的赋形波瓣的增益曲线，参见图l，2。图1．2地面站对天线增益的赋形要求数传天线在满足方向图要求的同时

5、，对极化方面也有要求。由于卫星相对于地面站一直处在运动状态，为了保证星地通信的稳定，星上数传天线和地面站接收天线的极化形式都为圆极化，这里采用右旋圆极化。并且为了减少极化损失，要求数传天线的轴比小于5dB，这个要求在单天线上可以比较容易实现，不过星上数传天线由于其本身是广角波瓣，而且由于它在卫星上安装环境的影响，后瓣和傍瓣的反射与主瓣迭加形成干涉，使其圆极化轴比性能变差，达到一个较大的轴比数值。为了改善这一性能，国外有些卫星把天线伸展出去，使其距离卫星本体有一定距离，以减小星体对天线的影响。一般卫星上天线的圆极化轴比要求是不大于5dB，这种

6、要求对于安装在卫星上的天线是很难达到的，即使单天线圆极化不大于2dB，由于上述分析的原因，装在卫星上后，圆极化轴比会变得很差。这样就要求单天线采用低后瓣的方向图。由于四臂螺旋天线具有有体积小、波瓣宽、圆极化性能优良的特点，故在卫星与个人通信领域被广泛应用““1。这种天线有两个馈电插座，分别把高频信号送到两对辐射臂上，而两对振子所必须的90。相位差要由90。移相网络实现。1。准备在这颗卫星上使用的四臂螺旋天线采用新型的自移相方式，由调节天线的辐射臂自身实现90。移相，不需外加移相网络，从而提高了天线的可靠性，又由于其结构紧凑，重量轻的特点非常

7、适合小卫星的使用。1．3测控天线要求与分析测控天线是配合卫星上的测控应答机完成星上遥测信号向地面站的下行传输和接收地面站向卫星发出的遥控信号的上行传输，由于上行和下行的需要，测控天线就要求即有发射天线又有接收天线。由于测控系统在卫星正常飞行和出现故障比如星体翻滚的时候都要使用，所以要求测控天线的方向图能够全方向覆盖。测控夭喳(射天)答帆测拄天线(对地)图1．3测控天线连接示意图为了实现这个目标，在卫星的对天和对地面各装一个天线，之间用微波网络进行信号能量的分配与合成(见图1．3)，这样形成一个近似全向的方向图，不过不可避免的在两个天线的交界

8、面存在干涉区。由上一节内容中卫星与地面站位置关系的计算可知当卫星飞行正常的时候天线要求的波束宽度为±60。，测控天线方向图最主要的区域还是在对地面±60。内。测控天线采用左旋圆极