[发明专利]一种适用于火星表面着陆、巡视探测的可移点波束天线

说明书

本发明公开了一种适用于火星着陆巡视探测的高增益可移点波束天线。本发明中，馈源由波导D‑波导E以及另外两个支撑件三点支撑悬空于反射面中心，有效减小了支撑结构对天线性能的影响，同时，改变波导D、波导E以及馈源的波导口径，有效实现了馈源小型化、降低馈源的遮挡影响；同时，本发明采用非紧凑型天线组件压紧构型，采用的有高度差的压紧安装面与展开支撑结构提供的安装面既满足了天线展开后工作需求，同时使得天线安装后的最大附加包络最小可达到展开驱动轴组件部分的最大高度尺寸，从而大大降低该附加包络，满足了火星车应用包络需求。

技术领域

本发明涉及微波天线技术领域，是涉及一种适用于火星着陆巡视探测的高增益可移点波束天线。该天线系统可以应用到我国火星探测任务中，也可以应用到具有类似要求的其他深空探测着陆巡视器上。

背景技术

在火星探测工程中，着陆于火星表面并在火星表面进行着陆、巡视探测的火星车，需要配备一副高增益可移点波束天线天线用于同地球测控、通信以及同环绕火星轨道的人造火星卫星进行高速通信。

为了实现对地球和对人造火星卫星通信，火星车用高增益可移点波束天线需要天线组件结合展开机构、指向驱动机构以及压紧释放机构以及相关支撑结构和射频传输结构而形成一套天线系统，以实现：①在压紧状态下，天线系统承受发射入轨、环火轨道、火星大气进入以及火星表面着陆等不同状态下的环境载荷不被破坏；②在着陆后可以在火星表面环境条件下顺利完成解除压紧，实现天线展开，并按工作需求进行指向跟踪实现。按照传统方案，此类天线系统的实现，火星车高增益天线系统重量将在10kg以上，受到包络、空间的限制，很难安装到火星车车体，且安装于火星车后，垂直于其安装面的火星车包络需要增加400mm以上。对于我国火星探测工程配套的火星车来说，其重量和包络尺寸均是不能接受的。具体而言，火星车用高增益可移点波束天线的实现需要解决以下问题：

①相互并行的射频系统与天线组件-支撑结构-机构组件两个链路中材料和结构的热失配，容易对射频链路中的旋转关节造成附加力矩，从而增加机构组件的阻力距，阻碍机构正常转动。在射频传输结构中，为了实现与展开机构和指向驱动机构的转动同步转动，通常可以选用射频电缆随动或者旋转关节的方案。在火星车应用中，由于火星表面温差大且火星车不能提供电缆加热资源，采用旋转关节的方案较为合理。当选用旋转关节时，旋转关节自身阻力距通过设计可以满足要求，但由于旋转关节安装于射频系统中，射频系统与天线组件-支撑结构-机构组件为并行的两个支路，两个支路间当采用的材料热胀系数不同时，存在热匹配的问题，当热失配时，将对旋转关节相对旋转的两个构件产生弯矩作用，从而造成旋转关节阻力距的增大，进而增大天线指向调整难度甚至使得天线指向无法调整。

②射频系统中波导口面转动实现方式所需结构体积与系统干涉、传输性能之间的矛盾需要解决。在射频传输结构中，馈源到系统射频信号输出口之间通常通过波导和电缆连接实现，由于火星车测控通信的性能要求，当采用电缆时，天线增益等难以满足使用需求，因此需要采用波导进行连接。当采用波导进行射频通道连接时，由于被连接的馈源、旋转关节等口面相对位置存在一定的转动，需要通过弯波导组合或者扭波导来实现波导传输主模方向的调整。在火星车通信采用的X频段，波导的口径尺寸较大，而受限于火星车包络要求，天线组件本身具有较小的尺寸，因此用于波导传输主模方向调整的波导长度有限，通过弯波导组合实现方向调整时将带来较大的天线转动干涉且对于天线压紧装置等的设置造成障碍，而较短的扭波导存在差损大等缺点，不利于实现天线系统的电性能指标要求。

③天线系统压紧状态对火星车带来的附加包络增加难以为火星车接受。在天线系统压紧实施中，通常采用天线系统各组成尽量集中后进行压紧安装，形成结构紧凑、抗力学性能良好的天线压紧状态。但此种状态造成天线组件中反射面与馈源组合体及其支撑结构尺寸最大的方向附加在垂直压紧安装面的方向，叠加双轴驱动机构和压紧装置的高度后，天线对于火星车包络造成的附加包络贡献将达到不可接受的水平。