環境一號C星SAR天線設計與分析

鄭士昆 冀有志 崔兆云 方永剛 周麗萍

(中國空間技術研究院西安分院 西安 710100)

1 引言

環境一號 C星是我國環境與災害監測小衛星星座的一顆雷達星，具有全天候、全天時觀測能力，對我國大尺度水環境、生態環境、環境監管以及突發環境事件應急響應的監測發揮了重要作用，是我國第1顆集中式SAR體制衛星，對我國微波遙感應用總體技術水平的提升起到重要的推動作用。

環境一號C星采用的SAR天線是網狀拋物面天線，是國際上主要3種星載SAR天線形式之一，相對微帶平面天線陣和波導縫隙陣天線具有收攏體積小、重量輕、容易實現多波束、多極化的特點[1,2]。天線采用了構架式可展開拋物面天線和多波束饋源技術方案，是我國首個在軌飛行驗證的構架式可展開天線，也是目前我國在軌最大的網狀拋物面天線。

本文介紹了環境一號C星SAR天線的總體設計、結構設計、電性能仿真分析、力學分析及熱分析內容。

2 SAR天線總體設計

環境一號C星SAR天線安裝于衛星平臺頂部，主要包括反射器組件、饋源組件、展開組件(展開臂、轉動機構、饋源展開機構、壓緊釋放裝置、第4支撐結構)組成。衛星進入預定軌道后，第4支撐、饋源解鎖機構、反射器底部解鎖機構以及反射器包帶分別解鎖，天線按照預定展開動作實現展開，天線星上收攏和展開狀態如圖1所示。

SAR天線在軌通過多波束饋源輻射拋物面形成9個條帶波束，多波束饋源由輻射饋源陣、高頻電纜組件、大功率電子開關、功分網絡、波導組件、旋轉關節組成，通過大功率電子開關電控切換還可以形成SanSAR波束，滿足衛星寬幅測繪的需求。相鄰4個饋源形成1個波束，12個饋源由下而上依次共形成9個波束，通過大功率電子開關進行切換實現，其系統原理及天線波束工作模式如圖2所示。

圖1 SAR天線子系統在軌收攏和展開狀態Fig.1 On-orbit folded and deployed states of SAR antenna subsystem

圖2 SAR天線波束形成原理示意圖Fig.2 Forming principle diagram of SAR antenna beam

3 SAR天線結構設計

環境一號C星SAR天線是一個復雜的結構產品，在軌展開步驟多，空間運動復雜，按照天線在軌展開順序包括4步展開動作：第4支撐桿展開鎖定、饋源展開鎖定、天線展開臂展開、構架反射器展開，各個展開過程如圖3所示。

第4支撐展開和饋源展開是天線在軌展開序列的前兩步，采用彈簧展開鉸鏈進行驅動。彈簧展開鉸鏈由單個渦卷彈簧便可實現展開功能，但采用冗余備份設計，在每個鉸鏈安裝了兩個渦卷彈簧；此外，在加工生產方面對渦卷彈簧進行了嚴格的質量控制，對渦卷彈簧的表面質量、物理外觀尺寸、力矩特性等進行強制檢驗，以保證渦卷彈簧的加工制造精度；同時，渦卷彈簧表面噴涂MoS2固體涂層，防止渦卷彈簧空間冷焊。

天線展開臂展開是天線在軌展開的第3步，依靠電動展開機構實現驅動。電動展開機構主要由電機、角度傳感器、諧波減速器及機構支架等組成，電機采用繞組備份的形式實現冗余設計，提高了部件可靠性。空間電動展開可靠性同樣受加工及裝配精度影響，此外，機構的零部件尺寸精度及裝配精度還決定了機構的展開精度及重復精度，故對電機傳動軸系尺寸進行了強制檢驗，并要求控制關鍵裝配環節的裝配間隙，要求在機構裝配完畢后經過跑合、精度測試及環境試驗后才能裝入天線分系統。

構架反射器展開是天線在軌展開序列的第4步動作，而構架展開結構的設計更是SAR天線的設計難點。構架可展開結構有多種單元形式[3－5]，環境一號C星SAR天線反射器采用四面體構架單元的結構形式，每個單元由 3根腹桿、3根折疊桿、節點及扭簧驅動部件組成，依靠自身彈簧部件驅動展開，其工作原理如圖4所示。通過四面體構架單元幾何拓撲設計形成SAR天線需要的反射器型面，構架反射器安裝表面鋪設金屬網實現微波信號的反射傳輸。

構架反射器的幾何拓撲設計采用了以型面精度為優化目標的優化設計方法[6,7]，通過天線6×2.8 m展開口徑和優于3 mm型面精度的設計要求，首先可確定構架反射器正面桿件的初始拓撲長度。根據構架天線型面精度控制的近似公式：

求解估算桿件長度為：

將構架單元節點a,b,c,d,e坐標與目標反射器拋物面方程聯立可得：

聯立式(2)-式(4)，可得非線性方程組：

即

圖3 SAR天線在軌展開過程Fig.3 SAR antenna on-orbit deployed process

圖4 構架單元工作原理及組成Fig.4 Working principle and composition of truss unit

通過求解上述非線性方程組可以得到構架反射器正面節點的空間坐標及腹桿長度。進一步，通過正四面體單元設計原理，可以解算出反射器背面節點的空間位置，最終確定整個構架反射器的空間幾何位置，其結構拓撲如圖5所示。

4 SAR天線電性能仿真

構架式反射器由多個三角形近似擬合拋物面形成反射器網面，若以標準拋物面進行設計仿真，其仿真結果與實際天線性能差別較大[8]，因此仿真過程中要對構架反射器的實際三角形單元進行網格劃分處理，同時還需考慮天線展開臂、衛星平臺結構對天線視場內的遮擋，圖6給出了反射器仿真模型及SAR天線9個波束方位向方向圖，中心波束距離向方向圖及方位向、距離向交叉極化仿真結果。

圖5 構架反射器幾何拓撲結構Fig.5 Geometry topology of truss deployable reflector

通過SAR天線電氣仿真結果可見，天線波束設計的增益、波束寬度、夾角、距離向副瓣電平、極化純度均滿足設計要求，如表1所示，且與國外同類型產品技術水平相當。

5 SAR天線力學性能分析

環境一號C星SAR天線采用了構架式可展開網狀天線，構型復雜，機構類運動部件多，在天線力學分析方面的難點如下：

(1) 構架式可展開反射器由上千個活動部件組成，反射器局部模態低，如何設置合理的彈簧單元阻尼對天線整體模態分析至關重要；

表1 天線電氣性能符合表Tab.1 Antenna electrical properties table

圖6 SAR天線電氣性能仿真結果Fig.6 Electrical performance simulation results of SAR antenna

(2) SAR天線安裝于衛星平臺頂部，力學環境相對苛刻，天線X向頻率與衛星接近，因此，需優化第4支撐結構方案，避免天線與衛星頻率耦合；

(3) SAR天線構架反射器展開狀態與衛星太陽帆板的動力學耦合分析。

結合SAR天線工程研制情況，根據實測的構架反射器的收攏、展開剛度，通過調整各活動部件的連接剛度，實現有限元模型的簡化及修整，在天線第4支撐剛度強度分析及展開狀態反射器與衛星太陽帆板動力學耦合分析過程中考慮了大型柔性可展開幾何非線性問題。

根據仿真計算，可獲得HJ-1-C衛星SAR天線主要模態及振型，如表2和圖7所示，分析確定，最終設計方案可滿足系統要求。

表2 SAR天線主要模態固有頻率及振型描述Tab.2 Main modal natural frequency and vibration mode of SAR antenna

圖7 SAR天線主要模態振型Fig.7 Main modal vibration mode of SAR antenna

6 SAR天線熱分析

環境一號C星是太陽同步軌道衛星，在衛星壽命期內，軌道b角變化范圍大，天線表面外熱流復雜，又由于 SAR天線采用的構架式可展反射器結構復雜，運動關節的有限元處理增加了SAR天線極端工況選取的難度。針對SAR天線熱分析的技術難點，建立了熱分析模型如圖8所示，結合工程實際工作狀態對有限元模型進行了假設簡化，給出了天線高溫、低溫工況下的計算結果(如表 3所示)，分析結果對天線溫控及饋源部件散熱方案確定提供了有效保障。

進一步，根據在軌溫度，可計算反射器桁架的熱變形，熱變形分析結果見表4。由分析可見，反射器桁架熱變形很小，對天線波束指向影響可以忽略。

圖8 SAR天線熱分析模型Fig.8 Thermal analysis model of SAR antenna

表3 SAR天線在軌熱分析結果Tab.3 On-orbit thermal analysis result of SAR antenna

表4 反射器桁架熱變形計算值Tab.4 Thermal deformation calculated results of reflector truss

[1]鄧云凱, 趙鳳軍, 王宇.星載 SAR 技術的發展趨勢及應用淺析[J].雷達學報, 2012, 1(1): 19-27.Deng Yun-kai, Zhao Feng-jun, and Wang Yu.Development laws and macro trends analysis of radar technology[J].Journal of Radars, 2012, 1(1): 19-27.

[2]覃正, 陳紹汀.國外 SAR 天線的發展[J].工程力學(增刊),1996, A02: 617-620.Tan Zheng and Chen Shao-ting.Development of foreign SAR antenna[J].Engineering Mechanics, 1996, A02: 617-620.

[3]Miura K and Furuya H.Adaptive structure concept for future space applications[J].AIAA Journal, 1988, 26(8): 995-1002.

[4]Gantes C, Logcher R D, Connor J J, et al..Geometric design of deployable structures with discrete joint size[J].Interational Journal of Space Structure, 1993, 8(1): 107-117.

[5]Kwan A S K, You Z, and Pellegrino S.Active and passive cable elements in deployable/retractable masts[J].International Journal Space Structures, 1993, 8(1&2):29-40.

[6]關富玲, 侯國勇, 趙孟良.構架式可展開天線結構設計的程序實現[J].工程設計學報, 2006, 13(2): 108-113.Guan Fu-ling, Hou Guo-yong, and Zhao Meng-liang.Program implementation of structure design for deployable truss antenna[J].Journal of Engineering Design, 2006, 13(2): 108-113.

[7]侯國勇, 關富玲, 趙孟良.桁架式可展開天線精度計算方法[J].浙江大學學報(工學版), 2008, 42(9): 1469-1473.Hou Guo-yong, Guan Fu-ling, and Zhao Meng-liang.Error computation method of deployable truss antenna[J].Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2008, 42(9):1469-1473.

[8]崔兆云, 李榮軍, 李正軍, 等.星載構架拋物面天線反射器形面電設計[C].2007全國天線年會, 合肥, 2007: 793-798.Cui Zhao-yun, Li Rong-jun, Li Zheng-jun, et al..Reflectorsurface electrical design of spaceborne deployable truss antenna[C].2007 Nation Antenna Conference, Heifei, 2007:793-798.