一种应用于星间微米级测距系统的高时延稳定性天线的制作方法

时间: 2025-02-10 04:56:52 |   作者: 输送设备

  本发明涉及一种应用于星间微米级测距系统的高时延稳定性天线，属于星载天线。

  1、地球重力场的精确测量在军事、地球物理科学等方面具有非常非常重要的作用。基于低轨卫-卫跟踪技术的重力场测量技术经过多年探索被认为是精度最高的测试手段。该技术由两颗同一轨道的低轨卫星组成，经过测量两颗卫星间的距离和距离变化率，再扣除非保守力的影响，经过多次测量，能恢复出地球重力场模型。要实现高阶重力场反演的精度，卫星需要提供微米级精度的测距能力。而天线作为整个测距系统中微波信号的入口，其相位中心是微波测距的基准点。如果天线相位中心在整星上的位置偏离质心且在一直在变化，则测距测速值就引入这个变化的误差量，这个变化量并不是重力异常引起的轨道慑动，所以最终会导致重力场反演产生误差。

  2、首先，根据任务要求，双星需要构建k/ka双频双向测距测速链路，通过双频双向链路的比较消除误差。因此，每颗星需要在两个频段内收发同时工作。由于系统极高的灵敏度要求，要求天线提供很高的同频隔离度性能，以达到系统正常工作的载噪比要求。通常的作法是采用两副天线分别工作在相同频率下的发射和接收模式，并拉开一定的间距，通过空间距离提供一定的隔离度。但背景任务要求四条测距链路的相位中心必须在两颗卫星质心的连线上，由于两个卫星的质心的连线是唯一的，因此就需要设计一副k/ka双频双线极化公用天线，能同时提供四条射频通道，以保证四条测距链路同时工作且相互独立。显然，在k/ka频段内同时实现天线高极化隔离度是一项极具挑战性的工作，遍历文献发现其极化隔离度最高值仅能达到-60db，不能满足系统的要求。因而，有必要开展高极化隔离度天线技术探讨研究并进行设计。

  3、其次，天线的相位中心稳定性决定了总系统的测距精度。此前国内外关于相位中心的研究主要在gps、北斗等gnss卫星的导航天线上，虽然开展了天线相位稳定性的研究，但由于其测距量级是毫米级因而并未在天线设计层面开展高相位稳定性的针对性设计。当测距精度来到微米这一量级时，以往被忽略的许多误差项都会对测距精度产生重大的影响，且在天线设计上必须对天线的相位中心稳定性进行高精度的分析并优化天线的设计，这超出了天线设计领域常规的认知范围，无相关文献报道微米级测距系统天线的有关技术及设计方法。因而为满足重力测量卫星的研制任务要求，实现微米级的星间测距精度，有必要开展高相位中心稳定性天线、最后，由于微波测距是采用测量信号相位(或称为信号时延)的方法来反演距离，显然多径信号的引入会导致测量信号相位的变化，该变化直接影响测距的精度。因此对天线而言，需要对多径信号进行抑制，以保证测距的精度。在不增加系统复杂度的前提下，对天线辐射方向图的远旁瓣进行抑制是有效的方法，但对于常规喇叭天线而言，对远旁瓣的进一步抑制无法通过仅优化方向图获得，因而必须对其进行创新性的设计。

  5、综上，对于应用背景的微米级测距系统天线需要的高同频极化隔离度、高相位稳定性及多径抑制有关技术及设计方法的研究，由于无相关文献报道且在我国星载天线设计上尚属首次，因而存在技术空白。

  1、本发明要解决的技术问题是：针对现存技术的不足，提出了一种应用于星间微米级测距系统的高时延稳定性天线设计方法，保证了双星微米级微波测距系统的正常工作及测距精度，满足了极高的同频极化隔离度、高相位中心稳定性和高多径抑制等技术要求。

  3、本发明公开了一种应用于星间微米级测距系统的高时延稳定性天线，包括：喇叭、正交模耦合器、频率双工器和连接波导，其中：

  6、作为接收端时，喇叭接收线极化信号，将线极化信号传输给所述正交模耦合器；所述正交模耦合器将线极化信号进行分离得到水平线极化信号和垂直线极化信号；将水平线极化信号通过所述第一频率双工器进一步分离得到k频段和ka频段水平线极化信号，垂直线极化信号通过所述第二频率双工器和连接波导分离得到k频段和ka频段垂直线、作为发射端时，发射机将k频段和ka频段信号分别送至两个频率双工器，第一频率双工器将k和ka频段信号合成水平线极化信号传输给所述正交模耦合器水平极化端口，第二频率双工器将k和ka频段信号合成垂直线极化信号经过连接波导传输给所述正交模耦合器垂直极化端口，正交模耦合器合并水平极化信号和垂直极化信号传输给喇叭并通过喇叭实现k频段和ka频段双线极化电磁波的辐射。

  8、在上述稳定性天线中，所述喇叭包括模式转换段、光壁赋形段、喇叭口段、单轴向槽和扼流环；其中：

  9、模式转换段为圆锥波导变换段结构，用于喇叭输入口主模到喇叭腔体内高次模式的转换，实现喇叭的宽频带匹配；

  10、光壁赋形段的内腔是由样条赋形曲线度而成的曲面，实现喇叭的高增益和高交叉极化特性；

  11、喇叭口段与光壁赋形段连接处设置单轴向槽，用于提升喇叭天线辐射波束的等化性，获得稳定的相位中心；

  12、喇叭口段顶端向外翻转形成翻边和外沿，在翻边上，距外沿s位置处设置一个深度为m的扼流环，用于抑制喇叭口面翻边上的电流。

  14、在上述稳定性天线中，所述正交模耦合器包括耦合枢纽、t型合成器和拐弯波导，其中：耦合枢纽包括四个e面耦合矩形波导；t型合成器和拐弯波导将两两相对的e面耦合矩形波导合成为一路波导，通过台阶形过渡实现向标准波导的转换；拐弯波导包括e面矩形拐弯波导和h面矩形拐弯波导，e面矩形拐弯波导和h面矩形拐弯波导连接处采用台阶形过渡。

  15、在上述稳定性天线中，耦合枢纽还包括公共口圆波导和阶梯圆柱；其中，四个e面耦合矩形波导沿公共口圆波导的四周垂直对称分布，阶梯圆柱位于公共口圆波导中心；e面耦合矩形波导实现水平线极化和垂直线极化的分离，阶梯圆柱实现e面耦合矩形波导的信号匹配。

  16、在上述稳定性天线中，所述频率双工器包括t型分支、k频段带通滤波器和ka频段高通滤波器，其中：

  17、t型分支为t型结构，t型结构的两侧臂分别连接k频段带通滤波器和ka频段高通滤波器；k频段滤波器采用低阶次波纹型带通滤波器结构，ka频段滤波器采用截止波导型滤波器结构。

  18、进一步地，在上述稳定性天线中，所述双星天线的镜像性设计，具体为：在实现双星通信时，将两卫星的天线°线极化扭转，实现两个卫星物理结构镜像，收发极化相匹配。

  19、进一步地，在上述稳定性天线中，所述喇叭，具有高效率、宽频带、低交叉极化，结构相对比较简单、重量轻的特点。

  20、进一步地，在上述稳定性天线中，所述正交模耦合器的极化隔离度在k频段和ka频段均大于65db。

  23、(1)本发明设计的天线具备极高的同频极化隔离度、时延稳定性和多径抑制性能，经过地面测试及在轨验证满足双星微波测距系统微米量级测量精度的要求；

  24、(2)本发明通过采用轴向槽加载的光壁赋形喇叭天线获得了高增益和高相位中心稳定性，同时在喇叭翻边上设置扼流槽抑制了辐射远旁瓣，提高了天线)本发明通过采用四臂对称耦合正交模耦合器的优化设计及精细化容差分析，极大的提升了天线)本发明通过将低阶波纹型带通滤波器和截止波导滤波器引入基于t型分支频率双工器，规避了传统双工器中多次谐振对传播电磁场相位的影响，提升了整个传输通道的时延稳定性。

  27、(5)本发明是为我国第一个重力测量卫星的核心载荷kbr(k-band ranging)系统而设计攻关的，解决了微米级微波测距系统天线设计的技术瓶颈，对于提升雷达及导航系统测距测速的精度具备极其重大的意义；

  28、(6)该发明设计的天线不仅适用于卫星载荷，对于地面系统也适用，同时其对于相位中心稳定性、多径抑制的考量及设计分析方法也可推广至其他天线设计中，因而具有很强的实用性和广泛的市场应用前景。