行星探测太空飞行器天线技术

作者：[美]William A. Imbriale 主编 李海涛 于益农 译

ISBN：9787302310709

定价：79元

印次：1-1

装帧：精装

印刷日期：2013-6-6

行星探测太空飞行器天线技术追溯了喷气推进实验室(JPL) 从1958年开始最早的人造卫星天线至今太空飞行器天线的发展。本书内容主要针对天线的射频（RF）设计与性能，同时也包括了有关环境和机械方面的内容。本书介绍了在其整个发展历程中所引入的所有新设计与技术革新，同时还全面论述了所有用于设计与性能评估的分析和测量技术。本书既可作为该领域的入门教程，也可作为业内高级从业人员的参考资料。书中的专业技术术语是假设读者已经熟悉了电磁学高级课程中的基本工程和数学概念。

本书是对2002年出版的介绍支持太空飞行器的所有地面天线的《深空网大天线技术》一书的补充。这两本书加在一起，完整地记述了JPL的天线技术。同时，与深空通信及导航丛书一起，收集了很多在过去几十年中使深空远程通信性能显着提高的技术革新。

与大多数太空飞行器天线一样，很多相关人员对工程的成功做出了贡献，但不可能在书中的每个章节列出所有人的名字。当然，这也不是一个合适的地方。特有的荣誉是通过完整地引用所有参考文献和材料出处的原始资料给予的。每章的署名者是内容的执笔者，并且他们完成了后续的编辑过程，但他们不一定是文中所描述工作的主要参与者。同时，允许那些没有参加实际设计工作而写作或者是一章的合着者署名。为了完整性，这种类型的努力有时是需要的，这是因为有些参与早期太空飞行器工程实际工作的人没有参与写作或者已经过世。编者William A. Imbriale2006年1月致谢在此，我对Joseph H. Yuen先生在本书原稿写作过程中给予的坚定不移的支持表示感谢。我还要深深地感谢Cynthia D. Copeland对内容的录入，Roger Carlson和Pat Ehlers对原稿的编辑以及Judi Dedmon对本书最终稿的排版。还要对各章或各章部分内容的作者表示感谢，有贡献的作者在每章的标题后都予以了标注。我还要感谢Paul W. Cramer, Jr.为第2章和第3章的写作提供了很多资料，并对这两章进行了审阅，感谢Raul Perez提供Cloudsat数据和Daniel J. Hoppe, Vahraz Jamnejad, David J. Rochblatt等人认真阅读后对部分章节提出的十分宝贵的建议。William A. Imbriale2006年1月行星探测太空飞行器天线技术编着者介绍编着者介绍Richard E. Cofield1974年获得加州理工学院(帕萨迪那，加利福尼亚州)套用物理学士学位, 1982年获得加州大学（洛杉矶，加利福尼亚州）（UCLA)电子工程硕士学位。1978年Cofield加入喷气推进实验室(帕萨迪那，加利福尼亚州) (JPL) 从事星载雷达和对地观测辐射测量仪器的天线和光学系统的设计、分析与校準工作。他的研究方向包括反射面天线和準光学馈源系统。

Gregory L. Davis在赖斯大学（休斯敦，德克萨斯州）获得机械工程博士学位。Davis博士拥有阿克伦大学（阿克伦，俄亥俄州）物理学学士和硕士学位。Davis博士作为机械工程技术人员已经在JPL工作了16年，现在是机械系统部的首席技术专家。在此之前，Davis博士是致力开发用于空间套用新颖轻便结构的先进展开结构组的主管。再之前，Davis博士是火星探测漫游者(MER)项目负责巡航、进入、下降和着陆的机械系统工程师。

Mark S. Gatti1980年在新墨西哥州大学(拉斯克鲁塞斯，新墨西哥州)获得了电子工程学士学位，1986年获得加州大学（北瑞支，加利福尼亚州）电子工程硕士学位。Gatti先生于1981年加入JPL从事太空飞行器射频(RF)系统和天线的设计、分析与测试工作。Gatti先生已经属于深空网(DSN)的领导层，并且是通信地面系统部的部门副经理。最近，Gatti先生已经成为负责DSN天线阵计画立项前工作的系统经理。

Richard E. Hodges在奥斯汀的德克萨斯大学获得电子工程学士学位，在加州大学（北瑞支，加利福尼亚州）获得电子工程硕士学位，并在加州大学（洛杉矶，加利福尼亚州）获得电子工程博士学位。Hodges先生以前的工作经历包括休斯飞机公司雷达系统组Rantec/MDM(查茨沃斯, 加利福尼亚州)和雷声天线/非金属技术中心 (洛杉矶，加利福尼亚州)。 Hodges博士从1988年至1993年，从2001年至今在JPL工作，他是太空飞行器天线组的主管。

Daniel J. Hoppe分别于1982年和1983年在麦迪逊的威斯康星大学获得学士和硕士学位，1994年获得加州大学（洛杉矶，加利福尼亚州）（UCLA）电子工程博士学位。1984年Hoppe加入JPL, 目前是首席工程师。在JPL，Hoppe先生已经开发了用于解决众多电磁散射问题的程式，为深空网的大型天线设计了微波部件，并设计了太空飞行器套用天线。最近，Hoppe博士主要致力于大型天基望远镜的衍射建模。

John Huang于1970年在密支安理工大学（霍顿，密支安州）获得电子工程学士学位，1971年在加州大学伯克利分校获得硕士学位，1978年在俄亥俄州立大学(哥伦布, 俄亥俄州)获得博士学位。Huang先生在加利福尼亚州中国湖的海军武器中心工作了6年。Huang先生从1980年开始在JPL工作，他的研究工作包括微带天线、移动车辆天线、天线小型化技术、太空飞行器天线、相控阵、反射阵和可充气天线。

William A. Imbriale1964年在鲁特热尔的新泽西州立大学（新布伦瑞克，新泽西州）获得工程物理学学士学位，1966年在UCLA获得电子工程硕士学位，1969年在厄巴纳尚佩恩的伊利诺伊大学获得电子工程博士学位。Imbriale博士于1980年加入JPL，是通信地面系统部的高级研究人员。Imbriale领导了大型地面天线、轻便太空飞行器天线和毫米波太空飞行器测量仪器先进技术的开发，同时是目前NASA技术契约的主调查员。Imbriale博士也是地面天线与设施工程部负责微波技术的副经理和射频与微波子系统部的部门经理。

Rolando L. Jordan分别于1959年和1962年在麻省理工学院(坎布里奇，麻萨诸塞州) (MIT)获得电子工程学士和硕士学位。Jordan先生从1963年开始在JPL工作，是雷达科学与工程部的首席工程师。Jordan先生是众多星载雷达系统负责系统工程的系统工程师，包括阿波罗17月球探测器、SeasatA合成孔径雷达系统、星载成像雷达C和火星快车上用于表面和电离层探测的火星先进雷达。

Yunjin Kim分别于1985年和1987年在宾夕法尼亚大学（费城，宾夕法尼亚州）获得电子工程硕士和博士学位，于1983年在萨克拉门托的加州州立大学获得电子工程学士学位。Kim博士从1989年开始就已经在JPL参与了星载雷达的开发工作。目前，Kim博士是Hydros项目经理。

Roberto Mizzoni于1984年在义大利获得罗马大学物理学博士学位。1987年加入Alenia Spazio (罗马，义大利)之前，Mizzoni博士在Selenia S.p.A. (罗马，义大利)从事两维雷达和三维相控阵研究工作，在Elettronica S.p.A. (罗马，义大利)从事宽频定向/电磁兼容天线研究。Mizzoni博士在远程通信、地球观测、导航和科学探测空间天线的设计和开发方面具有丰富的经验。Mizzoni博士拥有三项专利，并且是Alcatel Alenia Space (罗马，义大利)天线电子单元设计的领导。

Rebekah L. Tanimoto于2004年在UCLA获得航天工程学士学位，目前正在UCLA攻读航天工程硕士学位。Tanimoto小姐从2004年开始在 JPL工作，从事先进充气结构领域的研究工作。

Joseph Vacchione于1985年获得东北大学（波士顿，麻萨诸塞州）电子工程学士学位，在俄亥俄大学获得硕士学位，1990年又在该校获得博士学位。 Vacchione博士1990年加入JPL，从事航天飞行套用天线的设计与开发工作。他在深空远程通信天线和遥感科学测量天线方面有着丰富的经验，目前是地球轨道科学测量天线的技术带头人。

第1章 概述1

1.1技术需求3

1.1.1分配给深空通信的频段4

1.1.2推荐的接入链路频段4

1.2反射面天线设计分析技术5

1.2.1天线辐射方向图分析5

1.2.2馈源喇叭分析12

1.2.3球面波分析14

1.2.4双反射器赋形15

1.2.5双色面反射器分析17

1.2.6网状结构分析21

1.3线天线27

1.3.1理论公式27

1.3.2任意形状线和线连线29

1.4微带天线的分析、设计与套用29

1.4.1引言29

1.4.2技术背景30

1.4.3分析、设计和CAD工具35

1.4.4太空飞行器套用 49

1.4.5概括和结论 52

1.5天线测量 52

1.5.1远场测量54

1.5.2近场测量 57

1.5.3结论62

参考文献63

第2章早期时代73

2.1探索者Ⅰ号74

2.2先驱者3号和 4号75

2.3徘徊者号计画77

2.3.1高增益天线系统79

2.3.2全向天线84

2.4勘测者号87

2.4.1勘测者号无线电开关网路和天线系统88

2.4.2高增益平面天线阵 89

参考文献92

第3章行星飞越94

3.1水手系列95

3.1.1水手1号和2号95

3.1.2水手5号97

3.1.3水手10号100

3.2飞向外行星的旅行者号任务 103

3.2.1旅行者号S/X频段天线分系统 105

3.2.2要求106

3.2.3旅行者号高增益天线106

3.2.4旅行者号S频段馈源和低增益天线设计 111

3.2.5旅行者号频率选择表面（FSS）副反射面 116

参考文献117

第4章火星任务119

4.1火星任务概况119

4.2NASA 火星轨道器/着陆器122

4.2.1水手3号和4号122

4.2.2水手6号和7号123

4.2.3水手8号和9号126

4.2.4海盗号126

4.2.5火星观测者129

4.2.6火星全球勘测者130

4.2.7火星气候轨道器 132

4.2.8火星极地着陆器 133

4.2.9火星奥德赛134

4.3火星漫游器134

4.3.1火星探路者134

4.3.2火星探测漫游器144

4.4后续的火星探测 154

参考文献158

第5章轨道飞行器161

5.1探测金星的麦哲伦号161

5.1.1麦哲伦号太空飞行器164

5.1.2高增益天线分系统165

5.1.3中增益天线166

5.1.4麦哲伦号的高度计天线167

5.2伽利略号天线系统170

5.2.1任务描述173

5.2.2要求174

5.2.3高增益天线的权衡研究179

5.2.4挑战者号失事之后的改进180

5.2.5选定的高增益天线设计182

5.2.6射频系统——高增益天线185

5.2.7低增益天线系统192

5.2.8结论197

5.3卡西尼号高增益天线分系统198

5.3.1对高增益天线的要求和限制因素199

5.3.2布局选择201

5.3.3天线建模和分系统设计205

5.3.4S频段的天线性能219

5.3.5X频段的天线性能220

5.3.6Ku频段的天线性能221

5.3.7Ka频段的天线性能225

5.3.8结论226

参考文献227

第6章用于地球科学的星载SAR天线233

6.1概述233

6.2星载地球科学SAR天线的特性235

6.3海洋卫星SIRA和SIRB星载天线243

6.4SIRC和SRTM天线247

6.5未来的天线技术和总结评价257

6.5.1天线结构技术258

6.5.2电磁辐射体技术258

6.5.3天线电子器件技术259

参考文献260

第7章星载测量设备组件262

7.1辐射计262

7.1.1微波（大气）探测单元263

7.1.2海洋卫星和Nimbus7卫星上的多频段扫描微波辐射计265

7.1.3TOPEX/海神水汽辐射计269

7.1.4詹森(Jason)微波辐射计272

7.1.5罗塞塔(Rosetta)轨道器上的微波测量设备274

7.2微波边缘探测器(MLS)277

7.2.1UARS MLS278

7.3地球观测系统(EOS)MLS285

7.3.1天线要求286

7.3.2折中考虑287

7.3.3选择的设计方案 288

7.3.4辐射计未来的任务293

7.4散射仪293

7.4.1扇形波束测量设备: 海洋A星散射仪294

7.4.2扇形波束测量设备: NASA散射仪(NSCAT)295

7.4.3笔形波束散射仪: QuikSCAT和SeaWinds300

7.4.4未来的散射仪任务303

7.5测云卫星系统(CloudSat)303

7.5.1云团截面测量雷达(CPR)304

7.5.2天线要求305

7.5.3準光学传输系统线(QOTL)306

7.5.4校準天线309

7.5.5测量结果314

7.6宽刈幅海洋高度计315

7.6.1天线要求 316

7.6.2贴片阵元设计 318

7.6.3馈源设计319

7.6.4样机测试结果 322

7.6.5结论324

7.7总结325

参考文献326

第8章天线系统机械结构的发展332

8.1具有历史意义的天线系统332

8.1.1回声气球332

8.1.2轨道建造示範项目 333

8.1.3电控赋形薄膜反射天线334

8.1.4Lockheed缠绕肋天线335

8.1.5Astro网状反射体336

8.1.6充气天线试验337

8.1.7大型雷达天线计画338

8.2实用性340

8.2.1机械结构340

8.2.2其他机械设计考虑344

8.3天线技术发展346

8.3.1任务的技术驱动346

8.3.2关键技术与要求346

8.3.3技术发展水平评估348

8.3.4技术发展途径348

8.4未来天线系统的发展 350

8.4.1雷达高度计351

8.4.2合成孔径雷达351

8.4.3大气雷达351

8.4.4散射仪352

8.5结束语352

参考文献354

第9章各种类型的其他天线356

9.1太阳探测器天线356

9.1.1太阳探测器描述356

9.1.2天线技术要求357

9.1.3太阳探测器的热保护罩/抛物面天线358

9.1.4频率和馈源要求359

9.1.5馈源设计359

9.2深度撞击任务S频段贴片阵列天线363

9.2.1深度撞击任务描述363

9.2.2天线的技术要求364

9.2.3天线设计365

9.2.4测量结果370

9.2.5环境试验373

9.2.6当前状态376

参考文献376

第10章针对未来任务的星载天线研究及发展动向378

10.1充气式阵列天线379

10.1.1充气式L频段SAR阵列天线380

10.1.2Ka频段3m反射阵382

10.1.3充气式阵列天线的技术挑战388

10.2可摺叠框架支撑的薄膜阵列天线391

10.2.1天线描述392

10.2.2天线性能测试394

10.3用于波束扫描的薄膜阵列天线395

10.3.1天线描述397

10.3.2天线性能测试结果397

10.4印製反射阵天线400

10.4.1印製反射阵天线的优点和缺点402

10.4.2发展历史回顾402

10.4.3分析和设计程式404

10.4.4频宽问题408

10.5套用和近期发展409

10.6小结413

参考文献413

缩略语418