12 m深空组阵天线设计与工程实现

李勇，师民祥

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

12 m深空组阵天线设计与工程实现

李勇，师民祥

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

针对深空天线组阵系统对单元天线的需求，设计了12 m卡塞格伦全转台天线作为组阵单元。采用优化设计、过程监控及标校等措施实现高一致性的单元天线;采用一体化高频箱和外挂设备舱前置安装射频设备提高天线的接收灵敏度;采用交流伺服双电机消隙驱动系统来实现高精度、高可靠跟踪性能和免维护设计。从单元天线性能测试和天线组阵试验的验证效果来看，所设计的天线具有优良的性能，可以满足天线组阵的需求。

天线组阵；标校；交流伺服

0 引言

随着航天技术的不断发展和提高，世界上正兴起一个深空探测的热潮。美国、欧空局和俄罗斯完成了深空网的组网，美国深空测控通信网(DSN)是其中的佼佼者［1－3］。我国月球探测取得重大进展之后，开展深空探测是我国航天发展的必然选择。根据规划，我国深空探测将以火星探测为重点，逐步实现绕、落、回等目标，为进一步扩展远距离探测能力，远期还将安排木星探测任务［4］。

随着深空探测的距离越来越远，导致到达地面的信号越来越弱，但任务要求传输的探测数据量越来越大，所以需要一种能补偿信噪比(SNR)降低的方法。典型方案包括建造更大口径天线、开发更低噪声的接收机及使用更接近香农极限的编译码等，这些技术的开发潜力已经很有限，一个必然的技术发展方向就是通过多个中小口径天线以组阵的方式来替代单个大口径天线［5］。

国内在组阵理论研究取得了一定的成果，同时，也积极开展了组阵系统的工程研制，并在北京建立了我国首个天线组阵试验系统［6］。

本文提出了应用于天线组阵试验系统的12 m转台天线的设计思路，讨论了组阵单元天线不同于常规天线的特点及实现方法，并据此设计制造了4部12 m天线组成天线组阵试验系统。

1 组阵单元天线的需求

天线组阵是利用分布的多个天线组成天线阵列，同时接收来自深空探测器发送的信号，并将各个天线接收的信号进行合成，从而提高接收信号的信噪比。国内主流的合成方式为全频谱合成(FSC)，其要求单元天线性能基本一致［7－10］。为了获得较好的电磁环境和宽阔的布站场地，天线组阵一般布设在人迹罕至的地区，日常维护不便，要求天线具有高可靠性和免维护的特性。另外，大规模布阵要求单元天线的造价低，射频设备要全部安装在天线上以减小基建成本。为了提高天线的接收灵敏度，接收系统需要配置杜瓦等制冷设备，设备量庞大，天线要有足够的设备安装空间。

所以组阵天线相对与常规的天线来说，不仅要具备优良的性能，还要具备:①性能高一致性;②高可靠性;③充足的射频及制冷设备安装空间。12 m天线基于以上需求进行设计。

2 12 m组阵单元天线设计

2.1 基本设计

天线采用赋形卡塞格伦双反射面天线形式，天线反射面直径12 m，副面直径1．2 m，馈源照射角25°，反射面曲线参数由式(1)和式(2)得出［11］。

式中，c为等光程条件，F(x)为主面口径场分布函数，采用广义泰勒位移分布，f(θ)为馈源幅度方向图，采用高斯分布逼近。

馈源采用S/X组合馈源，S频段照射器由4喇叭构成，X频段照射器位于S频段4喇叭中间。复合馈源中S频段与X频段的馈电网络是独立的，避免了互相影响，有利于在2个频段上均实现良好的性能。馈源采用波导合成网络，低噪放直接安装在网络后端，减小传输损耗，提升天线G/T值。

2.2 一致性设计

天线组阵要求单元天线的性能要基本保持一致才能达到较好的组阵效果。要达到组阵天线使用效果一致主要在两方面:①单元天线性能一致性;②跟踪指向的准确性。

单元天线的性能一致性主要采取了三方面的措施:①设计:优化馈源网络设计，多数部件设计为免调试组件，圆极化器优化确定调谐销钉深度;加强力学分析，提高天线结构强度和环境适应性;②加工:优化加工工艺流程，加强生产过程中的质量监控，确保图物一致，实现设计意图;③装配:圆极化器按照优化确定的调谐销钉深度统一装配;大盘不水平、轴系精度等指标控制在0．005°以内。

组阵天线的跟踪方式为程序跟踪，天线的指向精度决定了天线性能的实现程度，而标校是实现高指向精度的前提。组阵天线的标校包括:

①码盘精度标校:方位与俯仰码盘均采用同轴安装，天线机械指向精度仅与码盘的安装精度有关。在安装中方位码盘采用T2经纬仪进行标校，俯仰码盘采用倾斜仪进行标校。经过标校，天线机械指向误差小于0．001 3°;

②电轴指向标校:传统上，雷达的标校是以望远镜的光轴为基准来进行的，由于光轴是机械轴的中介，而机械轴又是天线调整的几何轴心，因而这种方法同光轴和机械轴的调整密切相关。理论上这种方法标校精度可以较高，物理概念也清晰。但在实用上，这种方法操作起来非常复杂，例如光电标的架设要求很高，望远镜不易准确对准目标，望远镜的读数受人的视力和经验的影响，标校室外作业，受天气的限制等等。这使得其标校精度受到了限制，而且也不能随时进行。结合组阵天线的需求，天线标校采用了电轴作基准进行标校的方法。标校采用正倒镜法进行，各系数由以下各式计算:

式中，A正、A倒分别为天线正倒镜对准目标时的方位角。E正、E倒分别为天线正倒镜对准目标时的俯仰角。这里为A0方位角零位误差，E0为俯仰角零位误差，K为机械轴与电轴不匹配误差，Eg为重力下垂误差。Aorg、Eorg是天线三轴原点对标校塔电标的大地测量值。利用电轴作基准进行标校，可以一次标定出零位误差、机械轴与电轴不匹配误差和重力下垂误差，工作量小，对操作人员要求较低，标校过程全部在室内进行，不受气候限制可随时进行，标校效率高。经跟星试验验证，按照此方法标校天线的指向精度满足要求。

2.3 射频及制冷设备安装设计

天线座架采用大叉臂形式，通过一体化高频箱和外挂设备舱2个措施来满足射频及制冷设备安装的需求。将天线中心体和俯仰箱体进行一体化设计，形成一个高2．7 m和直径2．5 m的整体空间作为高频房(如图1(a)所示)。高频房分为上下两层，上层用于布置低噪声放大器、功放等高频设备，下层用于布置上下变频器等中频及数传设备。另外，在天线的俯仰叉壁左右设计有2个长宽高为2 m的设备仓，用于布置杜瓦等大型设备，效果如图1(b)所示。

图1 一体化高频房及外挂舱

2.4 伺服控制高可靠性设计

传统的高性能天线伺服控制系统采用直流伺服系统。近年来随着微电子技术和永磁材料的飞速发展，特别是先进控制理论和策略的发展及应用，使得交流伺服的控制性能已经完全可以与直流伺服系统媲美，而且交流伺服驱动结构简单，不存在机械换向器磨损和碳刷损耗等直流系统的固有问题，更容易实现高可靠和免维护［12］，所以12 m天线选用交流伺服系统。

伺服设备主要包括:天线控制器(ACU)、天线驱动单元(ADU)、上电单元、限位安保传感器和对外接口等组成，图2为伺服控制原理框图。

图2 交流伺服控制框图

方位、俯仰驱动支路均采用双驱动器、双电机驱动，通过对电机施加力矩偏置实现双电机电消隙，提高天线指向精度和可靠性。天线驱动单元由MLC (Motion Logic Controller)通过SERCOS光纤总线集中管理4台驱动器，实现了全数字化控制。此系统自投入使用后，运行稳定，体现了较高的可靠性和良好的免维护性。

3 测试情况

对天线性能进行了测试，图3为天线在S频段和X频段的典型辐射方向图，测试结果与仿真结果基本一致，性能达到了设计预期。

图3 12 m天线辐射方向图

表1给出了4部天线性能的对比情况，G/T值由分别测定的天线增益和噪声温度计算，不包含低噪声放大器噪声温度;跟踪误差通过统计跟星试验中的均方根误差获得。

表1 天线性能测试结果

考虑到测试误差，4部天线的性能基本一致，由标校、伺服环路等造成的跟踪误差较小，满足组阵的需求。

4部12 m天线搭建的天线组阵试验验证系统利用嫦娥二号探月卫星发射和在轨运行阶段的S频段下行数据进行技术验证试验。经过计算和比对天线阵合成效果为:遥测通道信号合成增益大于5．5 dB，合成效率优于91%，达到预期试验效果［13，14］。

4 结束语

从天线组阵对单元天线的需求出发设计制造了应用于试验验证系统的12 m天线。单元天线具有性能一致性高、天线系统接收灵敏度高、可靠性高和免维护性好的特点。

从单元天线性能测试和天线组阵试验验证系统的验证效果来看，天线具有优良的性能，可以满足组阵的需求。

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Design and Engineering Implementation of 12m Antennas for Deep Space Antenna Array

LI Yong，SHI Ming-xiang
(The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

According to the demand on element antennas for deep space antenna array，a 12m Cassegrain full-motion antenna is proposed．Some methods are applied in the implementation process to realize high consistency，including optimization design，process monitoring and calibration techniques．The integrated hub and external cabin is designed to make RF equipment and refrigerating equipment closed to the antenna to enhance the system receiving sensitivity．The dual-motor anti-backlash digital AC servo system is applied to realize such characteristics as high precision，high reliability and free maintenance．The results of element antenna test and antenna array experiment show that the antenna has good characteristics，and can meet the requirements of deep space antenna array．

antenna array;calibration;digital AC Servo

TN82

A

1003－3114(2015)05－60－4

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.16

李勇，师民祥．12 m深空组阵天线设计与工程实现［J］．无线电通信技术，2015，41(5):60－63．

2015－04－20

国家高技术研究发展计划〈863计划)资助项目

李勇(1978—)男，高级工程师，主要研究方向:微波及卫星天线技术。师民祥(1960—)男，高级工程师，主要研究方向:天线结构工艺技术。