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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 CEM29

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 FEM34

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 MLFMA41

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：SMOS169

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 TecSAR408

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-X409

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 1416

13.5.2 Saocom任务417

13.5.3 ALOS 2417

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VLBI503

16.6.1空间VLBI技术概述503

16.6.2 HALCA504

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