国防电子信息技术丛书 空间天线手册PDF电子书下载

第1章 天线基础 1

1.1引言 1

1.2天线性能参数 1

1.2.1反射系数和电压驻波比 1

1.2.2天线阻抗 2

1.2.3辐射方向图和覆盖 3

1.2.4极化 4

1.2.5方向性 5

1.2.6增益和实际增益 5

1.2.7等效全向辐射功率 6

1.2.8有效面积 6

1.2.9相位中心 6

1.2.10带宽 7

1.2.11天线噪声温度 7

1.3基本天线单元 7

1.3.1线天线 7

1.3.2喇叭天线 8

1.3.3反射面天线 11

1.3.4螺旋天线 13

1.3.5印刷天线 15

1.4阵列 20

1.4.1阵列天线布置 21

1.5天线在太空环境中的基本效应 23

1.5.1倍增 23

1.5.2无源互调（PIM）失真 23

1.5.3出气 24

参考文献 24

第2章 空间天线模型 28

2.1引言 28

2.1.1麦克斯韦方程 28

2.1.2 CEM 29

2.2天线建模方法 30

2.2.1天线基本理论 30

2.2.2矩量法 31

2.2.3 FEM 34

2.2.4 FDTD方法 36

2.3大型稀疏阵建模的快速算法 40

2.3.1引言 40

2.3.2 MLFMA 41

2.3.3 FEM的分层基 46

2.4案例研究：卫星本体对天线辐射方向图的影响 48

2.5总结 52

参考文献 53

第3章 卫星通信、雷达、导航和遥感的系统构架 55

3.1引言 55

3.2构成卫星系统的各部分 55

3.3卫星的任务 55

3.4通信卫星 55

3.4.1固定卫星服务（FSS） 56

3.4.2广播卫星服务（直播卫星服务）BSS（DBS） 56

3.4.3数字音频无线电服务（DARS） 56

3.4.4直接到户（DTH）宽带服务 56

3.4.5移动通信服务 57

3.5雷达卫星 57

3.6导航卫星 57

3.7遥感卫星 57

3.8卫星指令和控制结构 57

3.9通信有效载荷应答器 58

3.9.1弯管应答器 58

3.9.2数字应答器 58

3.9.3再生中继器 58

3.10卫星功能需求 58

3.10.1主要性能概念：覆盖范围，频率分配 58

3.10.2通信有效载荷的结构 59

3.10.3卫星通信系统性能要求 59

3.11卫星链路方程 60

3.12微波发射机模块 60

3.12.1交调点 61

3.12.2输出功率回退 62

3.12.3发射天线和等效各向同性辐射功率 62

3.13接收机前端模块 63

3.13.1噪声系统和噪声温度 63

3.14通信系统射频链路接收功率 65

3.14.1上下行链路的角度依赖性 65

3.15 卫星和天线中的额外损失 65

3.15.1传播效应和大气引起的其他损耗 66

3.15.2电离层效应——闪烁和极化旋转 67

3.16热噪声和天线噪声温度 67

3.16.1天线和通信系统的接口 67

3.16.2上行链路信噪比 68

3.17 SNR方程和最小可检测信号 68

3.18功率通量密度、饱和通量密度和动态范围 68

3.18.1 PFD和卫星应答器增益状态之间的重要关系 69

3.19全双工工作和无源互调 69

3.20增益和增益的变化 70

3.21指向误差 70

3.22卫星系统架构的其余部分 71

3.23轨道和轨道方面的考虑 71

3.24航天器介绍 73

3.25航天器预算（质量，功率，热量） 73

3.25.1卫星质量 73

3.25.2卫星功率 73

3.25.3卫星热量耗散 74

3.26轨道任务周期和运载火箭的考虑 74

3.27环境管理（热、辐射） 74

3.28飞行器结构（声学的/动力的） 75

3.29卫星定位（位置保持） 75

3.30卫星姿态控制 76

3.31电源子系统 76

3.32跟踪、遥感、指令和监控 76

参考文献 77

第4章 空间环境与材料 78

4.1引言 78

4.2天线的空间环境 78

4.2.1辐射环境 79

4.2.2等离子体环境 80

4.2.3中性环境 81

4.2.4典型的航天器轨道空间环境 82

4.2.5热环境 82

4.2.6发射环境 84

4.3材料选择及其与电磁性能之间的关系 87

4.3.1 RF透明材料及其使用 87

4.3.2 RF导电材料及其使用 87

4.3.3 PIM控制的材料选择黄金规则 88

4.4空间材料与制造工艺 88

4.4.1金属及其合金 89

4.4.2聚合物基复合材料 91

4.4.3陶瓷及陶瓷基复合材料 95

4.5机械和热性能的表征 96

4.5.1热真空环境和出气作用的筛查 96

4.5.2聚合物和复合材料的基本特性测试 97

4.5.3机械性能表征 99

4.5.4热和热弹性特性 99

参考文献 100

第5章 空间天线的机械和热设计 102

5.1引言：机械-热-电气三角形 102

5.1.1天线产品 103

5.1.2配置、材料和工艺 104

5.1.3需求及其验证的概述 104

5.2天线结构的设计 105

5.2.1反射面的典型设计方案 106

5.2.2夹层板结构的描述 108

5.2.3夹层板耐热性的描述 108

5.2.4与热机械设计有关的夹层板结构的电气描述 109

5.3结构建模与分析 109

5.3.1一阶板理论 109

5.3.2高阶板理论 112

5.3.3经典层合板理论 112

5.3.4均匀各向同性板与对称夹层板的比较 113

5.3.5合成材料表皮 114

5.3.6蜂窝芯材的特点 115

5.3.7夹层板失效模式 116

5.3.8质量优化的夹层天线结构 117

5.3.9有限元分析 118

5.3.10天线的声负载 121

5.4热和热弹性分析 125

5.4.1空间天线的热环境 125

5.4.2横向夹层板的热传导模型 126

5.4.3平面夹层板的热平衡 127

5.4.4空间中的平板热变形 128

5.4.5偏置抛物反射面的热弹性稳定性 129

5.4.6热分析工具 130

5.4.7热分析案例 131

5.4.8热模型的不确定性和安全系数 131

5.5热控制策略 131

5.5.1要求和主要设计选择 131

5.5.2热控制元件 132

5.5.3热设计实例 133

参考文献 135

第6章 空间天线测试 136

6.1引言 136

6.2作为开发和验证工具的测试 137

6.2.1测试工程 137

6.2.2模型的理念和定义 138

6.2.3电气模型关联 144

6.2.4热测试和模型关联 147

6.3天线测试设施 154

6.3.1远场天线测试场 154

6.3.2紧凑天线测试场 154

6.3.3近场测量和设施 160

6.3.4环境试验设备和机械测试 165

6.3.5 PIM测试 167

6.4案例分析：SMOS 169

6.4.1 SMOS MIRAS仪器 170

6.4.2 SMOS模型理念 172

6.4.3天线方向图测试活动 177

参考文献 184

第7章 空间天线发展的历史回顾 186

7.1引言 186

7.2早期情况 187

7.2.1简单卫星上的导线天线和裂缝天线 187

7.2.2天线的计算机建模开始起步 191

7.2.3改造现有的/经典的天线设计用于空间应用 193

7.3采用复杂馈电系统的较大尺寸的反射器 195

7.3.1引言 195

7.3.2多频天线 196

7.3.3大型可展开天线 201

7.3.4固体表面可展开反射面天线 207

7.3.5极化敏感反射面和赋形反射面 209

7.3.6多馈天线 211

7.4阵列天线 219

7.4.1自旋稳定卫星上的共形阵列 219

7.4.2用于遥感的阵列 220

7.4.3用于远程通信的阵列 222

7.5总结 226

致谢 226

参考文献 226

第8章 空间应用的可展开网面天线：射频表征 233

8.1引言 233

8.2可展开网格反射面的历史 233

8.3网格反射面特有的设计上的考虑事项 237

8.4 SMAP任务——一个典型的案例研究 237

8.4.1任务概述 237

8.4.2关键的天线设计的驱动因素和约束 239

8.4.3反射面材料的射频性能确定 242

8.4.4射频天线方向图的建模 244

8.4.5馈源组件的设计 252

8.4.6性能验证 253

8.5总结 253

参考文献 254

第9章 空间应用的微带阵列技术 256

9.1引言 256

9.2阵列天线的基础知识 256

9.2.1功能上（驱动）的要求和阵列设计解决方案 256

9.2.2无源阵列的材料与环境和设计要求的关系 259

9.2.3阵列优化方法和准则 260

9.3无源阵列 261

9.3.1 SAR天线的辐射面板 261

9.3.2导航天线 264

9.3.3深空用的无源天线 269

9.4有源阵列 271

9.4.1有源天线的关键有源元器件：放大器 271

9.4.2有源混合电路 274

9.4.3热耗散设计方案 274

9.4.4有源阵列控制 276

9.4.5通信和数据传输用的有源阵列 276

9.5总结 287

参考文献 288

第10章 用于空间的印刷反射天线阵 289

10.1引言 289

10.2工作原理和反射天线阵单元的性能 291

10.3分析与设计技术 293

10.3.1反射天线单元的分析与设计 294

10.3.2反射天线阵的设计与分析 296

10.3.3宽带技术 297

10.4通信卫星和广播卫星的反射天线阵 301

10.4.1等场强线波束反射天线阵 301

10.4.2双极化覆盖的发射天线 302

10.4.3覆盖南美的收发天线 306

10.5空间应用的现状和展望 310

10.5.1大孔径反射天线阵 310

10.5.2充气的反射天线阵 311

10.5.3深空通信用的高增益天线 313

10.5.4多波束反射天线阵 314

10.5.5双反射面结构 315

10.5.6波束可再配置和可扫描的反射天线阵 318

10.5.7结论和展望 321

参考文献 322

第11章 空间应用中的新天线技术 328

11.1引言 328

11.2新兴毫米波系统中片上/封装天线 328

11.2.1片上天线技术的最新进展 329

11.2.2硅基片上天线的限制 329

11.2.3片上天线的无源硅集成技术 331

11.3平面波导集成技术 332

11.4天线应用中微波/毫米波段下基于MEMS电路的技术 336

11.4.1 RF/微波基于MEMS的移相器 337

11.4.2毫米波段下用于波束成形的反射型移相器 337

11.5新兴的THz天线系统及其集成结构 339

11.5.1 THz光子学技术：THz时代的光混频天线 340

11.5.2使用光混频阵列天线产生THz信号 341

11.6案例分析：卫星陆地移动通信中的低成本/低复杂度天线技术 342

11.6.1系统级要求 342

11.6.2可重构的低剖面阵列天线技术 343

11.6.3波束扫描技术 343

11.6.4稳健的零知识波束控制算法 344

11.6.5一个Ku波段下用于车辆通信的低剖面、低成本阵列系统 346

11.7总结 348

参考文献 349

第12章 卫星通信天线 352

12.1引言及设计要求 352

12.1.1链路预算考虑 352

12.1.2卫星通信天线类型 354

12.1.3材料 355

12.1.4空间环境及其设计含意 355

12.1.5商业应用的设计 355

12.2 UHF卫星通信天线 356

12.2.1典型要求和方案 356

12.2.2单个单元设计 357

12.2.3阵列设计 357

12.2.4次级电子倍增效应门限 358

12.3 L或S波段移动卫星通信天线 359

12.3.1简介 359

12.3.2对大型可展开反射面的需求 359

12.3.3波束成形 360

12.3.4混合矩阵功率放大 360

12.3.5馈电阵列单元设计 362

12.3.6双工器 362

12.3.7试验场测量 362

12.4 C、 Ku和Ka波段FSS/BSS天线 363

12.4.1典型的要求和解决方案 363

12.4.2赋形反射面技术 363

12.4.3耐功率 364

12.4.4天线结构和反射面 364

12.4.5反射面天线几何结构 365

12.4.6馈电链 372

12.5多波束宽带卫星通信天线 376

12.5.1典型的要求和方案 376

12.5.2 SFB阵列馈电反射面天线 377

12.5.3 FAFR天线 379

12.5.4 DRA天线 382

12.5.5射频传感及跟踪 382

12.6非地球同步轨道星座的天线 383

12.6.1典型的要求和方案 383

12.6.2全球波束对地链路 383

12.6.3高增益对地链路 384

12.6.4卫星间链路和交叉链接 385

12.6.5馈线链路 385

致谢 386

参考文献 387

第13章 SAR天线 389

13.1星载SAR系统简介 389

13.1.1 SAR系统总体介绍 389

13.1.2传统雷达和SAR的方位分辨率 389

13.1.3天线的要求与性能参数的关系 391

13.2 SAR天线设计的挑战 394

13.2.1反射面天线 394

13.2.2有源天线和子系统 395

13.3星载SAR天线的发展回顾 408

13.3.1 TecSAR 408

13.3.2侦察卫星（SAR-Lupe） 408

13.3.3 ASAR合成孔径雷达（EnviSat） 408

13.3.4雷达卫星1号（Radar Sat 1） 409

13.3.5雷达卫星2号 409

13.3.6 Palsar（ALOS） 409

13.3.7 TerraSAR-X 409

13.3.8 COSMO（卫星星座） 409

13.4星载SAR天线案例研究 412

13.4.1设备设计 412

13.4.2 SAR天线 413

13.5 SAR天线的进展 416

13.5.1 Sentinel 1 416

13.5.2 Saocom任务 417

13.5.3 ALOS 2 417

13.5.4 COSMO第二代 418

参考文献 418

第14章 全球导航卫星系统接收机天线 420

14.1引言 420

14.2 GNSS接收天线的射频要求 422

14.2.1通用射频要求 422

14.2.2提高定位精度和多路径信号的抑制的高级需求 426

14.3全球导航卫星系统天线的设计挑战和解决方案 431

14.3.1宽频覆盖 431

14.3.2天线延迟随频率和角度的变化 432

14.3.3减少天线尺寸 435

14.3.4天线平台的散射效应 437

14.4常用和新型的GNSS天线 440

14.4.1一个单元的天线 440

14.4.2多单元天线阵 446

14.5星载GNSS天线 449

14.5.1星上GNSS接收机天线的要求 449

14.5.2为星载GNSS接收机开发的天线的回顾 450

14.6案例研究：用于航天器精密轨道确定应用的双频带微带贴片天线 451

14.6.1天线的研制 451

14.6.2结果与讨论 453

14.7总结 455

参考文献 455

第15章 小卫星天线 459

15.1小卫星简介 459

15.1.1小卫星及其分类 459

15.1.2微小卫星及小卫星星群 459

15.1.3立方体卫星 460

15.1.4多个小卫星的编队飞行 461

15.2设计小卫星天线的挑战 461

15.2.1工作频段的选择 462

15.2.2相对于工作波长的小尺寸地平面 462

15.2.3天线与结构单元之间的耦合 463

15.2.4天线方向图 463

15.2.5轨道高度 463

15.2.6开发成本 463

15.2.7加工成本 463

15.2.8测试成本 463

15.2.9展开系统 463

15.2.10体积 464

15.2.11质量 464

15.2.12冲击和振动载荷 464

15.2.13材料降解 464

15.2.14原子氧 464

15.2.15 材料挥发 464

15.2.16蠕变 464

15.2.17材料带电 465

15.2.18卫星天线与卫星结构的相互作用 465

15.3小卫星天线发展回顾 466

15.3.1遥测、跟踪及指挥（IT＆C）用途天线 466

15.3.2高数据率下行链路天线 468

15.3.3应用于全球卫星导航系统（GNSS）接收机和反射计的天线 472

15.3.4卫星间链路天线 474

15.3.5其他天线 475

15.4案例研究 476

15.4.1案例研究1：天线指向机构和喇叭天线 476

15.4.2案例研究2： X波段下行链路螺旋天线 478

15.5结论 481

参考文献 481

第16章 射电天文空间天线 482

16.1引言 482

16.2射电天文学概述和空间天线的作用 482

16.3宇宙微波背景研究的空间天线 483

16.3.1微波背景 483

16.3.2苏联的宇宙微波背景空间观测 484

16.3.3宇宙背景探测者（COBE）卫星 485

16.3.4威尔金森微波各向异性探测器（WMAP） 486

16.3.5普朗克任务 488

16.4亚毫米波/远红外天文学的空间射电观察 492

16.4.1亚毫米波/远红外天文学概述 492

16.4.2亚毫米波天文卫星 493

16.4.3 Odin轨道天文台 496

16.4.4赫歇尔空间天文台 497

16.4.5未来：Millimetron、 CALISTO及以后 499

16.5低频射电天文学 501

16.5.1低频射电天文学概况 501

16.5.2早期低频无线电的太空任务 501

16.5.3未来 503

16.6空间VLBI 503

16.6.1空间VLBI技术概述 503

16.6.2 HALCA 504

16.6.3射电天文（RadioAstron）任务 505

16.7总结 506

参考文献 507

第17章 深空应用天线 510

17.1引言 510

17.2远程通信天线 511

17.3案例Ⅰ——火星科学实验室 511

17.3.1任务描述 511

17.3.2火星号飞船X波段天线 512

17.3.3火星号超高频天线 517

17.3.4火星号终端下降传感器（着落雷达） 520

17.4案例Ⅱ——朱诺（Juno） 522

17.4.1朱诺飞船任务描述 522

17.4.2远程通信天线 523

17.4.3朱诺微波辐射仪天线 524

参考文献 530

第18章 空间天线面临的未来任务、关键技术和工艺的挑战 532

18.1本章内容概要 532

18.2引言 533

18.3空间天线需求的演化 533

18.4开发大口径天线 535

18.4.1问题和挑战 535

18.4.2目前和预期的未来的太空任务 536

18.4.3有前途的天线的概念和技术 538

18.5通信卫星容量的增加 542

18.5.1问题和挑战 542

18.5.2目前和预期的未来太空任务 542

18.5.3有前途的天线的概念和技术 543

18.6使多波段、多用途的天线共享相同的孔径 544

18.6.1问题和挑战 544

18.6.2目前和预期的未来太空任务 544

18.6.3有前途的天线的概念和技术 545

18.7增加常规天线产品的竞争力 545

18.7.1问题和挑战 545

18.7.2现在和预期的未来太空任务 546

18.7.3有前途的概念和技术 546

18.8使能单波束动态覆盖/极化重构 548

18.8.1问题领域和挑战 548

18.8.2现在和预期的未来太空任务 548

18.8.3有前途的天线的概念和技术 548

18.9可以承受的成本使能有源天线 549

18.9.1问题领域和挑战 549

18.9.2现在和未来的太空任务 551

18.9.3有前途的天线的概念和技术 552

18.10为未来的地球观测和科学仪器开发出的新型天线 557

18.10.1问题和挑战 557

18.10.2目前和预期的未来空间任务 558

18.10.3有前途的天线概念和技术 561

18.11朝卫星和用户终端天线的大量生产演变 563

18.11.1问题和挑战 563

18.11.2目前和预期的未来太空任务 564

18.11.3有前途的天线概念和技术 564

18.12使新任务成为可能的技术推动 565

18.12.1问题领域和挑战 565

18.12.2有前途的天线概念和技术 566

18.13开发对卫星天线的建模和测试的新方法 567

18.13.1问题和挑战 567

18.13.2前景广泛的天线的概念和技术 567

18.14总结 568

本章缩略语 569

参考文献 570