深空測控通信大天線技術(shù)研究.pdf

1、深空探測是人類在新世紀(jì)的三大航天活動之一。深空測控通信系統(tǒng)完成對深空探測器測控及通信。論文密切結(jié)合總裝預(yù)研項目“S/Ka測控通信系統(tǒng)研究”中關(guān)鍵技術(shù)之一“窄波束天線捕獲”需求,以實現(xiàn)粗略軌道預(yù)報下的窄波束大天線的快速捕獲為出發(fā)點,對深空測控通信大天線相關(guān)技術(shù)展開研究。作者的主要工作和創(chuàng)造性成果可概括為以下幾個方面:
　　 ①研究了基于物理光學(xué)法的大反射面天線輻射場計算方法,并利用Matlab實現(xiàn)了計算軟件包。對幾種常用于天線仿真

2、設(shè)計的電磁計算方法及相應(yīng)的商用軟件進行了分析,并總結(jié)出了適用于本文的天線設(shè)計方法。利用Matlab實現(xiàn)了基于物理光學(xué)法的大天線輻射場計算軟件包。最后將基于Matlab代碼的計算結(jié)果與通用反射面天線GRASP軟件的仿真結(jié)果進行比較分析,兩種仿真結(jié)果相符,表明了本文開發(fā)的計算軟件包的正確性及可靠性。為本文后續(xù)的研究提供了基礎(chǔ)。
　　 ②研究了陣列天線饋電大反射面天線系統(tǒng)的靈敏度、效率、噪聲等性能參數(shù),提出了基于電小喇叭陣列饋電改善大

3、反射面天線性能的思路?；诙S陣列的結(jié)構(gòu)分析,對適合用于反射面饋電的六邊形陣進行了研究。針對深空測控的應(yīng)用,分別研究了基于電大喇叭陣列饋電和電小喇叭陣列饋電的大反射面天線性能。仿真和分析結(jié)果表明:利用陣列天線對反射面饋電可以改善大反射面天線靈敏度及可視范圍；電小喇叭陣列饋電的反射面天線與電大喇叭陣列饋電的反射面大天線相比,具有更廣的可視范圍及更高的孔徑效率。
　　 ③針對深空測控通信中地面站窄波束天線捕獲深空探測器的難題,提出了

4、一種電波束掃描和機械掃描相結(jié)合的多波束-螺旋快速掃描捕獲方法。從反射面天線偏饋掃描原理出發(fā),利用物理光學(xué)法對偏饋反射面方向圖進行分析,對共焦面饋源陣列中每個饋源照射反射面形成的次級遠(yuǎn)場方向圖計算,利用間接共軛場匹配技術(shù)綜合出多個正交的波束,形成了具有更廣的可視范圍多波束反射面天線,以更大螺距進行螺旋掃描。仿真和分析結(jié)果表明:多波束-螺旋掃描在較粗預(yù)報范圍能快速對指定空域完成掃描、捕獲探測器；利用共軛場匹配技術(shù)綜合的多波束不但能改善天線的

5、可視范圍,而且獲得了更高的增益,改善了鏈路中信號的信噪比,為更遠(yuǎn)的深空探測提供可能。
　　 ④為了改善深空測控通信中大口徑窄波束天線的掃描范圍,提出了一種基于粒子群算法(PSO)的陣列饋電波束綜合的方法。在深入研究PSO算法特性的基礎(chǔ)上,提出了先利用物理光學(xué)法計算共焦面饋電陣每個饋源照射反射面的次級遠(yuǎn)場方向圖并進行存儲,再用PSO對饋電陣列的權(quán)值進行優(yōu)化,對各個饋源產(chǎn)生的次級方向圖加權(quán)綜合出期望方向圖的思想。仿真和分析結(jié)果表明:

6、基于PSO優(yōu)化方法與傳統(tǒng)共軛場匹配方法相比,更能精確指向期望方向、控制旁瓣電平、綜合出期望方向圖、擴大深空測控通信天線的可視范圍。
　　 ⑤研究了深空測控通信中天線組陣技術(shù),提出了一種適用大規(guī)模平板陣的快速來波方向(DOA)估計方法。研究了現(xiàn)有深空測控通信系統(tǒng)中大天線及天線組陣的技術(shù)與特點,探討了大規(guī)模平板陣在深空探測中的應(yīng)用。提出了一種利用新穎的平行陣結(jié)構(gòu)、基于傳播因子方法的快速DOA估計方法。仿真和分析結(jié)果表明:該算法可以實

7、現(xiàn)快速而精確的DOA估計,適用于大規(guī)模陣及實時DOA估計。
　　 ⑥研究了大反射面天線饋源陣列技術(shù),主要設(shè)計一種有EBG結(jié)構(gòu)的六邊形饋電陣列。首先設(shè)計了加扼流槽電小喇叭饋源,仿真和實測結(jié)果表明扼流槽結(jié)構(gòu)可使圓錐喇叭主瓣平坦、主瓣邊緣變化陡峭,更適用于組陣。在深入研究EBG結(jié)構(gòu)的帶隙特性及抑制表面波特性的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一種基于EBG結(jié)構(gòu)的六邊形微帶天線陣列饋源結(jié)構(gòu),并對其性能進行了實測和分析。結(jié)果表明:EBG結(jié)構(gòu)可以有效抑制天線陣