海洋二号微波定标辐射计天线子系统.pdf

第 2 4卷 第 6期 2 0 0 9年 l 2月 电波科学学报 CI I 1 NES E J OURNA 0F RADI I S CI ENCE VO1 2 4 NO 6 De c e mb e r 2 0 0 9 文章 编号1 0 0 5 0 3 8 8 2 0 0 9 0 6 1 1 6 8 0 4 海洋二号微波定标辐射计天线子 系统 王宏建刘和光 中国科学院空问科学与应用研究中心 北京 1 0 0 1 9 0 摘 要 海 洋二 号微 波定标辐 射计 HY 一 2 C a l i b r a t i o n Ra d i o me t e r HY 一 2 C R 采 用 了 高增 益 低 副瓣 高波束 效率低损 耗的 天 线子 系统 三个 频率 共 用一 个偏 馈抛 物 面 天 线频 率分别 为 1 8 7 GHz 2 3 8 GHz和 3 7 GHz 采 用 双隔膜正 交模耦 合 器实现 双 极化 信号提 取 利用 紧凑型 圆锥 波纹喇 叭进 一 步 降低 天 线结 构尺 寸和 质 量 测试 结 果显 示天 线完全 达到 了设 计要 求 关键 词 微 波遥 感 波 束效率 交 叉极化 中图分 类号 T N8 2 1 文献标 志码 A An t e nn a s u b s y s t e m o f H a i y a ng 2 m i c r o wa v e c a l i b r a t i o n r a d i o m e t e r WANG Ho n g j i a n LI U He g u a n g C e n t e r f o r S p a c e S c i e n c e a n d Ap p l i e d Re s e a r c h C AS B e i j i n g 1 0 0 1 9 0 C h i n a Abs t r a c t HY2 mi c r o wa v e c a l i b r a t i o n r a d i o m e t e r HY2 CR r i s e s u b a nt e nna s ys t e m wi t h hi gh g a i n l ow no i s e h i g h be a m e f f i c i e n c y a n d l o w l o s s Of f s e t p a r a bo l i c t o g e t h e r wi t h c omp a c t c o ni c a J c o r r u g a t e d h o r ns i s ut i l i z e d f o r r e du c t i o n o f t he di me n s i o n a nd we i g ht f or t h e f e e d s Th e or t h o m o d e t r a ns du c e r OM T wi t h t wo s e p t u m s i s e mpl o ye d t o m e e t t h e d e m a nd o f t he du a l p o l a r i z a t i on s f o r a l l t hr e e f r e q u e nc i e s wh i c h a r e 1 8 7 GHz 2 3 8 GHz a nd 37 GHz Th e e x pe r i me n t a l r e s ul t s ve r i f y t he d e s i gn o f t he a n t e nn a Ke y wo r d s m i c r o wa ve r e m o t e s e n s i ng ma i n b e a m e f f i c i e n c y c r o s s p ol a r 引 言 微 波遥感 能穿 透 云雾 雨雪 具 有全 天 候 全 天 时的工作能力 对地物有一定的穿透性 具有可见光 和 红外遥感 所不 能提 供 的许 多信 息 因此 微 波遥 感 器得 到 了越 来越广 泛 的应用 定标辐 射计是 为海洋 二号 HY 一 2 雷 达 高度 计 提 供 大气 路 径延 时 校 正 的 微波 辐射计 具有如 下功 能 1 通过大 气的液态 水和 水汽含量的测量向雷达高度计提供 大气校正数据 2 在轨定标功能 修正 仪器的漂移 定标辐射计天 线子系统包括为高度计定标的抛物面天线和定标喇 叭天线 这里的海洋二号定标辐射计天线指原理样 机 天线 下 同 高精 度 天线 系 统对 整 个 微 波高 度计 来 说是至 关重要 的 定标辐 射计 天 线 子系 统 由一 个 共 用 的抛物 面 抛物面支架 三个分置的馈源 馈源塔 三个极 化分离器和各 自的馈 电网络等组成 见图 1所示 冷空定 标 喇叭天线 子系统 由三 个 波 纹喇 叭 三个 极 化分离器和馈 源塔 等组成 三个频率采用三个馈 源 无疑会带来波束覆盖区的偏移 但经过总体分析 对应 用 不 会 产 生 影 响 天 线 采 用 偏 置 抛 物 面 结 构L 2 1 不仅避免抛物面对馈源的反射作用 也避免馈 源对抛物面反射线 的遮挡 降低反射器对馈源的反 射而引起的旁瓣 电平的上升和天线驻波特性的恶 收稿 日期 2 0 0 9 0 2 2 6 基金项 目 本课题得到 国家 高科技发展 计划支持 项 目编号 2 0 0 6 AA1 2 Z 1 3 7 联系人 王宏建 E ma i l h j w a n g n mr 8 a c e n 第 6期 王宏 建等 海 洋二号微 波定标辐 射 计天 线子 系统 l l 6 9 化 有 利 于抑制 旁 瓣 和 提 高 主 波束 效 率 小 张角 波 纹 园 锥喇 叭作馈 源 馈 源 相 位 中心 置 于 抛 物面 反 射 线 外 的焦点 上 波纹 圆锥 喇 叭旁 瓣 电平 底 交 叉极 化 小 方 向图具 有 旋 转轴 对 称 性 由于 天馈 系统 结 构 相 对复 杂 涉及 到电磁 场计 算 结构 流体 力学 外 空 间热流 等众 多学 科 需 要 进行 机 电热一 体化 设计 与 分 析 天线 的几何 尺 寸 是 天 线 增 益 馈 源 极 化 和 载 体安装约束等多因素折 中的结果 采用物理光学方 法 P O 对 抛物 面 馈 源进 行 设计 和 分 析 利 用 电 磁场 的 时域有 限差 分 法 结 合 遗 传 算 法 GA 3 对 正交 模耦 合器 优化 设 计 并 对 天 线 进 行 了 电性 能测 试 l 理论分析 1 1 HY 2定标 辐射 计 天线馈 源 馈 源场 分 布决 定 了抛 物 面 天 线 边 缘 电 平 进 而决 定整 个天 线 的电性 能 抛 物线旋 转 形成 的紧 凑 波纹 喇 叭 c o mp a c t c o r r u g a t e d h o r n 馈 源 和 一 般 的 固定 张 角波 纹 喇 叭 相 比其 优 点 是 相位 中心 近 似 于 口面易 于确定 相 位 中 心 具 有 较 低 的交 叉 极 化 电平 波 导开 口处 有较 小 的张 角易 于传 输 匹配 具 有 更 高 的增 益 和辐射 效 率 天 线 纵 向 尺 寸减 小 为 原 来 的 一半 质 量也 显 著 降 低 等 波纹 喇 叭 可分 为 四个 相对 独立 的部 分 口径 面 波 纹 部 分 斜 边 部 分 和 喉 部 区 采 用 紧凑波 纹 喇 叭 能 得 到 E 和 H 面 对 称 的 方 向图 同时 天线波 束 效率 较高 而 交叉 极化 电平 较 低 波纹 喇 叭 的波 纹 近 似 于 辐射 状 波 导 在 波 纹 里 面存 在 T E M 波 平 行 于波 纹 的 电场 为零 为 了使 得 圆锥 方 向磁 场 为零 波 纹 齿 深 一 般 选 择 为 自由空 间 波长 的 1 4 对 于 T EM 波纹 喇 叭来说 由波纹 喇 叭 其 内部 场得 到波 纹 喇 叭 表 面 电 流 和 等效 磁 流 按 照 一 般 电磁场 辐射 问题 处 理可 以得 到辐 射场 1 2偏置 抛物 面 图 1 是 抛物 面反 射 面天线 的结构 示意 图 偏 置 前馈抛物面天线能降低旁瓣 电平 基本上消除了馈 源对抛物面的遮挡 馈源的偏置角越大 旁瓣 电平下 降越快 但交叉极化却变差 这里选择偏置角 为 4 4 度 3 0分 在 反射 面参 数 与馈 源确 定后 利用 物理 光 学 近似 可得 到反射 面 天线 的二 次辐 射方 向图 1 3 正 交模 耦合 器 的全波 分 析和 设计 图 2为 正交模 耦 合 器 9 的结 构 示 意 图 方 形 波 导通过加台阶和模片以及x J L 耦合实现两个极化分 量 的提取 图 2所 示 的 OMT 包 括 了方 波 导 段 标 图 1 海洋二号定标辐射计抛物面天 线 图 2双 隔膜正 交模耦合器 准矩 形波 导段 耦 合 窗 金 属 膜 片 以及 波导 台 阶 只 传输基模的分支波导采用标准矩形波导 在金属膜 片处 TE 波无法传输 而 T E 波通过耦 合窗进入 矩 形 波 导 中 模 片 对 于 TE 波传 播 几 乎 没 有 影 响 TE 波 通过 此 金属膜 片后 汇 合 在 公 共 波 导 中耦 合 窗的对 面 的 台阶补 偿耦 合 窗造成 的阻 抗失 配 F D TD可 提供 瞬态 响应 随 时 间 的 演 变 过 程 并 具 有计 算存 储 量小 等 优 点 一 次 计 算 经 过傅 立 叶变 换 可 以得 到整 个相关 频 带 内的 电磁特 性 海洋 二号 定 标辐 射计 天 线 的 OMT采 用 F DTD结合 遗传算 法 来 进行 优化 设计 优化 对 象 是 单 元 网 格 的 尺 寸 以及 模片的长度和位置 一般在参考面位置上抽取输人 波和反射波计算其反射系数和驻波系数 OMT需 要 优化 的结 构 实 际 上 就 是 O MT 的 模 片 长 度 模 片 位 置 台 阶高 度 优 化 单 元 网格 在 长 和 宽两 个 方 向 上 的尺 寸 进 行 优 化 优 化 对 象 是 模 片 的 长 度 和 位 置 这 里采 用微 型 遗 传 算 法 5 群体 数 量 5 遗 传 世 代 2 0 0 交叉概率 0 5 取 7位 2进制编码 把 网格 单元进行 二进制编码 参与遗传操作 再进行解码 还原 成具 体 网格 大小 优 化 目标 是 O MT 在 特 定 频 带下 的驻 波 系数 1 4天 线主 波束 效率 对于微波辐射计来说天线主波束效率是非常重 要 的指标 式 1 中分子代表天线在主波束角域内的 1 1 7 O 电 波 科 学 学 报 第 2 4卷 辐射功率 分 母代 表 天 线 全空 间 的 辐射 功率 计 算 主波束效率归结为口面辐射场的数值积分 过程相 当复杂 通过实测结果计算波束效率时 势必需要 在全 空 间 测 定 许 多 方 向 图 即 F 口 妒 i l 2 N J l 2 M 和 M 的 取值 由方 向图 决 定 Pdf Z 一 1 5结构设计 和分 析 在轨 飞行过程 中 反 射 面受太 阳辐射 地 球反 照 辐射和地球红外辐射等环境外热流的加热 同时又 要 周期性地 进入地 球 阴影 区 加 上 反射 面 自身结 构 的阴影遮挡 影响 空 间飞 行 器 天线 要 经历 温 度交 变 环境 反射面结构中存在较大的温度梯度引起天线 结构 热应 力 从 而使 反 射 器 结 构 产 生 屈 曲 和 变 形 这就是常说的反射面的热变形 热变形会使天线辐 射性能变坏 因此必须把结构的变形控制在允许的 范围内 考虑到定标辐射计天线的高主波束效率和 高指向精度要求 把形面均方根偏差 R MS 控制在 X 1 0 0量级 是天线的最高工作波长 反射面形面轮廓的半光程差引起的天线增益下 降系数为 引 r s一 6 8 4 1 2 式 中 是表 面误差 的均 方根 值 半光 程差 与 轮 廓法向偏差 反射面误差主要由三个部分组成 一 部分是形面的制造与组装公差 均方根值 统称为 机械公差 另一部分为在轨冷热交变 热载荷引起 的 变形 还有一 部分 是 其 他 因素 引起 的变 形 由于定 标辐射计天线主波束效率要求较高 应严格控制形 面精度 HY 一 2定标辐 射计天线的形 面误差分配如 表 1所示 反射面可以采用三种材料 锻铝 碳纤维复合材 料 碳化硅 三种材料的比较见表 2 所示 一般来说 金属材料具有容易变形 电导率高 热传导性好 各 项同性好等特点 而碳纤维复合材料具有不容易变 形 热传导性差 射频损耗 大等特点 碳化硅材料其 综合特性介乎两种材料之问 考虑到实验样机的需 要 金属件就可满足要求 天线本体材料 背板支撑 等机构采用锻铝 加工完成后 的反射 面进行精密抛 光 打磨 表 l H Y 2 定标辐射计天线的形面误差分 配 表 2三种天线材料的性能 比较 2 测试结果分析 加工后 的 HY一2定标辐 射计 天线见 图 1 所示 对其进行的测试包括方向图测试 驻波测试 增益测 试以及在此基础上的主波束效率计算 结果表明 各 项指标 均优 于规范 这 里 仅仅 列 出电性 能测试 结果 见表 3所示 表 3 HY一2定标 辐 射 计 天 线 指 标 测 试 结 果 工作频率 GHz 1 8 7 2 3 8 3 7 增益 d B 3 9 C 3 7 主波束效率 9 4 1 9 O 波束 宽度 1 1 旁瓣电平 d B 一3 2 一2 0 交叉极化 d B 一2 6 一2 0 波束偏移 2 3 4 3 驻波系数 1 1 8 1 5 4 1 3 7 4 3 3 7 9 5 4 9 0 9 3 5 9 0 1 4 4 0 99 1 4 士 0 1 1 0 土 0 1 一 3 7 一2 0 一3 0 一 2 0 一 3 O 一 2 0 一 2 8 一 2 0 2 5 3 2 9 3 1 1 2 1 5 1 1 5 1 5 注 括 号 内 为要 求 值 由图 3可 以看 出 1 8 7 GHz天 线 的 E 面方 向 图副瓣电平是 一3 2 d B 远旁瓣 基本在 一4 0 d B以 下 1 8 7 GHz天 线 H 面 方 向 图 副 瓣 电 平 是 一 3 4 d B 远旁瓣 电平是一3 7 d B以下 由图 4可以看出 2 3 8 GHz 天线的 E面方向图副瓣 电平是一3 7 d B 远旁瓣基本在一3 9 d B以下 2 3 8 GHz 天线 H面方 向 图副瓣 电平是 一3 9 d B 远 旁 瓣 电平 是 一4 0 d B以 下 由图 5 可 以看 出 3 7 GHz天 线 的 E面 方 向 图 副 瓣 电平 是 一3 0 d B 远旁 瓣基 本在 一4 0 d B以下 3 7 GHz 天线 H面方 向图副瓣电平是 一3 O d B 远旁 瓣电平是一4 0 d B以下 三个频率的副瓣 电平使得 天线 辐射 能量主要 集 中在 主 波束 区域 内 从 而实 现 了较 高的 主波束效 率 见 表 3所 示 而 驻 波 系数 均 第 6期 王宏 建等 海 洋二号 微 波定标 辐射 计 天线 子 系统 1 1 7 1 远远 达 到 了设 计指 标 各 个 通 道 最 差 的 驻 波 系数 也 不过 1 1 8 兰 配 置 权 强 厦 习 叫 习 一 l 0 5 0 5 1 0 E谢 角度 201 翊 0 I t 砸 角度 图 5定标 辐射计 3 7 G H z天线方向图 3 结 论 HY一 2定 标辐 射 计 天 线 温 度 变 化 非 常 大 为 达 到高增 益低 副瓣 的要求 表面精 度要 求很 高 此外 表 面 处理 加工 工艺 温 控措 施 正 交模 耦 合 器 的 设计 与加工 馈源 和反 射 面 的系统装 调 技术 形 面 检测技 术 电性能测试技术 等都提 出了很高的要求 掌握 这 些关键 技术 对 于我 国 毫米波 双极 化 多频 率星 载 天线的研制是 十分重要 的 HY一2定标辐射计使 航天 器天 线延 伸 到 了 毫米 波 段 提 高 了星 载 高 频率 多极 化天 线 的水平 参 考文献 1 MA RT I NE Z L O RE N Z O J A G AR C I A P I N A G NZALEZ VALDES B e t a 1 Zo omi ng a n d s c a n n i n g g r e g o r i a n c o n f o c a l d u a 1 r e f l e c t o r a n t e n n a s J I EEE Tr a n s a c t i ons on A n t e nn as a nd Pr op a ga t i on 2O O8 56 9 29 10 29 19 2 肖 疆 徐晓文 董 涛 多孔 毁伤 时赋 形反射 面天 线辐射 特性 的研究 J 电波科 学学 报 2 0 0 3 1 8 6 64 8 6 51 3 4 5 6 7 8 9 XI A J i a n g XU Xi a o we n DONG Ta o S t u d y o n t h e r a di at i on c ha r a c t e r i s t i c s of a s h ap e d b e a m r e f l e c t o r a n t e n n a u n d e r t h e mu l t i h o l e d a mn i f i c a t i o n J C h i n e s e j o u r n a l o f Ra d i o S c i e n c e 2 0 0 3 1 8 6 6 4 8 6 5 1 i n Ch i n e s e 王宏建 高本庆 范斌 等 平板宽带单极 与偶 极天 线 的全 波分 析 J 电波 科学 学 报 2 0 0 2 1 7 3 3 0 0 30 3 W ANG Ho n g j i a n GAO B e n q i n g F AN B i n e t a 1 Fu l l wa v e a na l ys i s o f t he wi de ba n d mon op ol e a n d di p o l e a n t e n n a s E J C h i n e s e J o u r n a l o f R a d i o S c i e n c e 2 0 0 2 1 7 3 3 0 0 3 0 3 i n Ch i n e s e GOLDBERG D E Ge n e t i c Al go r i t hms i n Se a r c h Op t i mi z a t i o n a n d Ma c h i n e L e a r n i n g M Ad d i s i o n W e s l e y Re a d i n g M a s s 1 9 89 W ANG Ho n g j i a n Nu me r i c a l a n a l y s i s a n d d e s i g n O f t h e p l a n a r s p i r a l i n d u c t o r s J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f M i c r o wa w a n d Op t i c a l Te c h n o l o g y 2 0 0 7 2 2 9 1 98 GAW R0NS KI W S e r v o p e r f o r ma n c e p a r a me t e r s o f t h e n a s a d