空間天線手冊 Space Antenna Handbook

本書由多位具有理論和實踐經驗的專家合著而成。全書共18章，分別討論天線基礎，空間天線模型，衛星通信、雷達、導航和遙感的系統構架，空間環境與材料，空間天線的機械和熱設計，空間天線測試，空間天線發展的歷史回顧，空間應用的可展開網面天線：射頻表徵，空間應用的微帶陣列技術、用於空間的印刷反射天線陣，空間應用中的新天線技術，衛星通信天線，SAR天線，全球導航衛星系統接收機天線，小衛星天線，射電天文空間天線，深空應用天線，並展望了空間天線面臨的未來任務、關鍵技術和工藝的挑戰。

William A. Imbriale任职于美国加州理工学院喷气推进实验室。Steven Gao（高世昌）为英国肯特大学讲席教授，IET会士，英国航空航天学会会士。Luigi Boccia任教于意大利Calabria大学。

目 錄

第1章 天線基礎
1.1 引言
1.2 天線性能參數
1.2.1 反射系數和電壓駐波比
1.2.2 天線阻抗
1.2.3 輻射方向圖和覆蓋
1.2.4 極化
1.2.5 方向性
1.2.6 增益和實際增益
1.2.7 等效全向輻射功率
1.2.8 有效面積
1.2.9 相位中心
1.2.10 帶寬
1.2.11 天線噪聲溫度
1.3 基本天線單元
1.3.1 線天線
1.3.2 喇叭天線
1.3.3 反射面天線
1.3.4 螺旋天線
1.3.5 印刷天線
1.4 陣列
1.4.1 陣列天線佈置
1.5 天線在太空環境中的基本效應
1.5.1 倍增
1.5.2 無源互調(PIM)失真
1.5.3 出氣
參考文獻
第2章 空間天線模型
2.1 引言
2.1.1 麥克斯韋方程
2.1.2 CEM
2.2 天線建模方法
2.2.1 基本理論
2.2.2 矩量法
2.2.3 FEM
2.2.4 FDTD方法
2.3 大型稀疏陣建模的快速算法
2.3.1 引言
2.3.2 MLFMA
2.3.3 FEM的分層基
2.4 案例研究： 衛星本體對天線輻射方向圖的影響
2.5 總結
參考文獻
第3章 衛星通信、 雷達、 導航和遙感的系統構架
3.1 引言
3.2 構成衛星系統的各部分
3.3 衛星的任務
3.4 通信衛星
3.4.1 固定衛星服務(FSS)
3.4.2 廣播衛星服務(直播衛星服務)BSS(DBS)
3.4.3 數字音頻無線電服務(DARS)
3.4.4 直接到戶(DTH)寬帶服務
3.4.5 移動通信服務
3.5 雷達衛星
3.6 導航衛星
3.7 遙感衛星
3.8 衛星指令和控制結構
3.9 通信有效載荷應答器
3.9.1 彎管應答器
3.9.2 數字應答器
3.9.3 再生中繼器
3.10 衛星功能需求
3.10.1 主要性能概念： 覆蓋範圍， 頻率分配
3.10.2 通信有效載荷的結構
3.10.3 衛星通信系統性能要求
3.11 衛星鏈路方程
3.12 微波發射機模塊
3.12.1 交調點
3.12.2 輸出功率回退
3.12.3 發射天線和等效各向同性輻射功率
3.13 接收機前端模塊
3.13.1 噪聲系統和噪聲溫度
3.14 通信系統射頻鏈路接收功率
3.14.1 上下行鏈路的角度依賴性
3.15 衛星和天線中的額外損失
3.15.1 傳播效應和大氣引起的其他損耗
3.15.2 電離層效應——閃爍和極化旋轉
3.16 熱噪聲和天線噪聲溫度
3.16.1 天線和通信系統的接口
3.16.2 上行鏈路信噪比
3.17 SNR方程和最小可檢測信號
3.18 功率通量密度、 飽和通量密度和動態範圍
3.18.1 PFD和衛星應答器增益狀態之間的重要關系
3.19 全雙工工作和無源互調
3.20 增益和增益的變化
3.21 指向誤差
3.22 衛星系統架構的其餘部分
3.23 軌道和軌道方面的考慮
3.24 航天器介紹
3.25 航天器預算(質量， 功率， 熱量)
3.25.1 衛星質量
3.25.2 衛星功率
3.25.3 衛星熱量耗散
3.26 軌道任務周期和運載火箭的考慮
3.27 環境管理(熱、 輻射)
3.28 飛行器結構(聲學的/動力的)
3.29 衛星定位(位置保持)
3.30 衛星姿態控制
3.31 電源子系統
3.32 跟蹤、 遙感、 指令和監控
參考文獻
第4章 空間環境與材料
4.1 引言
4.2 天線的空間環境
4.2.1 輻射環境
4.2.2 等離子體環境
4.2.3 中性環境
4.2.4 典型的航天器軌道空間環境
4.2.5 熱環境
4.2.6 發射環境
4.3 材料選擇及其與電磁性能之間的關系
4.3.1 RF透明材料及其使用
4.3.2 RF導電材料及其使用
4.3.3 PIM控制的材料選擇黃金規則
4.4 空間材料與製造工藝
4.4.1 金屬及其合金
4.4.2 聚合物基復合材料
4.4.3 陶瓷及陶瓷基復合材料
4.5 機械和熱性能的表徵
4.5.1 熱真空環境和出氣作用的篩查
4.5.2 聚合物和復合材料的基本特性測試
4.5.3 機械性能表徵
4.5.4 熱和熱彈性特性
參考文獻
第5章 空間天線的機械和熱設計
5.1 引言： 機械熱電氣三角形
5.1.1 天線產品
5.1.2 配置、 材料和工藝
5.1.3 需求及其驗證的概述
5.2 天線結構的設計
5.2.1 反射面的典型設計方案
5.2.2 夾層板結構的描述
5.2.3 夾層板耐熱性的描述
5.2.4 與熱機械設計有關的夾層板結構的電氣描述
5.3 結構建模與分析
5.3.1 一階板理論
5.3.2 高階板理論
5.3.3 經典層合板理論
5.3.4 均勻各向同性板與對稱夾層板的比較
5.3.5 合成材料表皮
5.3.6 蜂窩芯材的特點
5.3.7 夾層板失效模式
5.3.8 質量優化的夾層天線結構
5.3.9 有限元分析
5.3.10 天線的聲負載
5.4 熱和熱彈性分析
5.4.1 空間天線的熱環境
5.4.2 橫向夾層板的熱傳導模型
5.4.3 平面夾層板的熱平衡
5.4.4 空間中的平板熱變形
5.4.5 偏置拋物反射面的熱彈性穩定性
5.4.6 熱分析工具
5.4.7 熱分析案例
5.4.8 熱模型的不確定性和安全系數
5.5 熱控制策略
5.5.1 要求和主要設計選擇
5.5.2 熱控制元件
5.5.3 熱設計實例
參考文獻
第6章 空間天線測試
6.1 引言
6.2 作為開發和驗證工具的測試
6.2.1 測試工程
6.2.2 模型的理念和定義
6.2.3 電氣模型關聯
6.2.4 熱測試和模型關聯
6.3 天線測試設施
6.3.1 遠場天線測試場
6.3.2 緊湊天線測試場
6.3.3 近場測量和設施
6.3.4 環境試驗設備和機械測試
6.3.5 PIM測試
6.4 案例分析： SMOS
6.4.1 SMOS MIRAS儀器
6.4.2 SMOS模型理念
6.4.3 天線方向圖測試活動
參考文獻
第7章 空間天線發展的歷史回顧
7.1 引言
7.2 早期情況
7.2.1 簡單衛星上的導線天線和裂縫天線
7.2.2 天線的電腦建模開始起步
7.2.3 改造現有的/經典的天線設計用於空間應用
7.3 採用復雜饋電系統的較大尺寸的反射器
7.3.1 引言
7.3.2 多頻天線
7.3.3 大型可展開天線
7.3.4 固體錶面可展開反射面天線
7.3.5 極化敏感反射面和賦形反射面
7.3.6 多饋天線
7.4 陣列天線
7.4.1 自旋穩定衛星上的共形陣列
7.4.2 用於遙感的陣列
7.4.3 用於遠程通信的陣列
7.5 總結
致謝
參考文獻
第8章 空間應用的可展開網面天線： 射頻表徵
8.1 引言
8.2 可展開網格反射面的歷史
8.3 網格反射面特有的設計上的考慮事項
8.4 SMAP任務——一個典型的案例研究
8.4.1 任務概述
8.4.2 關鍵的天線設計的驅動因素和約束
8.4.3 反射面材料的射頻性能確定
8.4.4 射頻天線方向圖的建模
8.4.5 饋源組件的設計
8.4.6 性能驗證
8.5 總結
參考文獻
第9章 空間應用的微帶陣列技術
9.1 引言
9.2 陣列天線的基礎知識
9.2.1 功能上(驅動)的要求和陣列設計解決方案
9.2.2 無源陣列的材料與環境和設計要求的關系
9.2.3 陣列優化方法和準則
9.3 無源陣列
9.3.1 SAR天線的輻射面板
9.3.2 導航天線
9.3.3 深空用的無源天線
9.4 有源陣列
9.4.1 有源天線的關鍵有源元器件： 放大器
9.4.2 有源混合電路
9.4.3 熱耗散設計方案
9.4.4 有源陣列控制
9.4.5 通信和數據傳輸用的有源陣列
9.5 總結
參考文獻
第10章 用於空間的印刷反射天線陣
10.1 引言
10.2 工作原理和反射天線陣單元的性能
10.3 分析與設計技術
10.3.1 反射天線單元的分析與設計
10.3.2 反射天線陣的設計與分析
10.3.3 寬帶技術
10.4 通信衛星和廣播衛星的反射天線陣
10.4.1 等場強線波束反射天線陣
10.4.2 雙極化覆蓋的發射天線
10.4.3 覆蓋南美的收發天線
10.5 空間應用的現狀和展望
10.5.1 大孔徑反射天線陣
10.5.2 充氣的反射天線陣
10.5.3 深空通信用的高增益天線
10.5.4 多波束反射天線陣
10.5.5 雙反射面結構
10.5.6 波束可再配置和可掃描的反射天線陣
10.5.7 結論和展望
參考文獻
第11章 空間應用中的新天線技術
11.1 引言
11.2 新興毫米波系統中片上/封裝天線
11.2.1 片上天線技術的最新進展
11.2.2 硅基片上天線的限制
11.2.3 片上天線的無源硅集成技術
11.3 平面波導集成技術
11.4 天線應用中微波/毫米波段下基於MEMS電路的技術
11.4.1 RF/微波基於MEMS的移相器
11.4.2 毫米波段下用於波束成形的反射型移相器
11.5 新興的THz天線系統及其集成結構
11.5.1 THz光子學技術： THz時代的光混頻天線
11.5.2 使用光混頻陣列天線產生THz信號
11.6 案例分析： 衛星陸地移動通信中的低成本/低復雜度天線技術
11.6.1 系統級要求
11.6.2 可重構的低剖面陣列天線技術
11.6.3 波束掃描技術
11.6.4 穩健的零知識波束控制算法
11.6.5 一個Ku波段下用於車輛通信的低剖面、 低成本陣列系統
11.7 總結
參考文獻
第12章 衛星通信天線
12.1 引言及設計要求
12.1.1 鏈路預算考慮
12.1.2 衛星通信天線類型
12.1.3 材料
12.1.4 空間環境及其設計含意
12.1.5 商業應用的設計
12.2 UHF衛星通信天線
12.2.1 典型要求和方案
12.2.2 單個單元設計
12.2.3 陣列設計
12.2.4 次級電子倍增效應門限
12.3 L或S波段移動衛星通信天線
12.3.1 簡介
12.3.2 對大型可展開反射面的需求
12.3.3 波束成形
12.3.4 混合矩陣功率放大
12.3.5 饋電陣列單元設計
12.3.6 雙工器
12.3.7 試驗場測量
12.4 C、 Ku和Ka波段FSS/BSS天線
12.4.1 典型的要求和解決方案
12.4.2 賦形反射面技術
12.4.3 耐功率
12.4.4 天線結構和反射面
12.4.5 反射面天線幾何結構
12.4.6 饋電鏈
12.5 多波束寬帶衛星通信天線
12.5.1 典型的要求和方案
12.5.2 SFB陣列饋電反射面天線
12.5.3 FAFR天線
12.5.4 DRA天線
12.5.5 射頻傳感及跟蹤
12.6 非地球同步軌道星座的天線
12.6.1 典型的要求和方案
12.6.2 全球波束對地鏈路
12.6.3 高增益對地鏈路
12.6.4 衛星間鏈路和交叉鏈接
12.6.5 饋線鏈路
致謝
參考文獻
第13章 SAR天線
13.1 星載SAR系統簡介
13.1.1 SAR系統總體介紹
13.1.2 傳統雷達和SAR的方位分辨率
13.1.3 天線的要求與性能參數的關系
13.2 SAR天線設計的挑戰
13.2.1 反射面天線
13.2.2 有源天線和子系統
13.3 星載SAR天線的發展回顧
13.3.1 TecSAR
13.3.2 偵察衛星(SARLupe)
13.3.3 ASAR合成孔徑雷達(EnviSat)
13.3.4 雷達衛星1號(Radar Sat 1)
13.3.5 雷達衛星 2號
13.3.6 Palsar(ALOS)
13.3.7 TerraSARX
13.3.8 COSMO(衛星星座)
13.4 星載SAR天線案例研究
13.4.1 設備設計
13.4.2 SAR天線
13.5 SAR天線的進展
13.5.1 Sentinel 1
13.5.2 Saocom任務
13.5.3 ALOS 2
13.5.4 COSMO第二代
參考文獻
第14章 全球導航衛星系統接收機天線
14.1 引言
14.2 GNSS接收天線的射頻要求
14.2.1 通用射頻要求
14.2.2 提高定位精度和多路徑信號的抑制的高級需求
14.3 全球導航衛星系統天線的設計挑戰和解決方案
14.3.1 寬頻覆蓋
14.3.2 天線延遲隨頻率和角度的變化
14.3.3 減少天線尺寸
14.3.4 天線平臺的散射效應
14.4 常用和新型的GNSS天線
14.4.1 一個單元的天線
14.4.2 多單元天線陣
14.5 星載GNSS天線
14.5.1 星上GNSS接收機天線的要求
14.5.2 為星載GNSS接收機開發的天線的回顧
14.6 案例研究： 用於航天器精密軌道確定應用的雙頻帶微帶貼片天線
14.6.1 天線的研製
14.6.2 結果與討論
14.7 總結
參考文獻
第15章 小衛星天線
15.1 小衛星簡介
15.1.1 小衛星及其分類
15.1.2 微小衛星及小衛星星群
15.1.3 立方體衛星
15.1.4 多個小衛星的編隊飛行
15.2 設計小衛星天線的挑戰
15.2.1 工作頻段的選擇
15.2.2 相對於工作波長的小尺寸地平面
15.2.3 天線與結構單元之間的耦合
15.2.4 天線方向圖
15.2.5 軌道高度
15.2.6 開發成本
15.2.7 加工成本
15.2.8 測試成本
15.2.9 展開系統
15.2.10 體積
15.2.11 質量
15.2.12 沖擊和振動載荷
15.2.13 材料降解
15.2.14 原子氧
15.2.15 材料揮發
15.2.16 蠕變
15.2.17 材料帶電
15.2.18 衛星天線與衛星結構的相互作用
15.3 小衛星天線發展回顧
15.3.1 遙測、 跟蹤及指揮(TT＆C)用途天線
15.3.2 高數據率下行鏈路天線
15.3.3 應用於全球衛星導航系統(GNSS)接收機和反射計的天線
15.3.4 衛星間鏈路天線
15.3.5 其他天線
15.4 案例研究
15.4.1 案例研究1： 天線指向機構和喇叭天線
15.4.2 案例研究2： X波段下行鏈路螺旋天線
15.5 結論
參考文獻
第16章 射電天文空間天線
16.1 引言
16.2 射電天文學概述和空間天線的作用
16.3 宇宙微波背景研究的空間天線
16.3.1 微波背景
16.3.2 蘇聯的宇宙微波背景空間觀測
16.3.3 宇宙背景探測者(COBE)衛星
16.3.4 威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)
16.3.5 普朗克任務
16.4 亞毫米波/遠紅外天文學的空間射電觀察
16.4.1 亞毫米波/遠紅外天文學概述
16.4.2 亞毫米波天文衛星
16.4.3 Odin軌道天文臺
16.4.4 赫歇爾空間天文臺
16.4.5 未來： Millimetron、 CALISTO及以後
16.5 低頻射電天文學
16.5.1 低頻射電天文學概況
16.5.2 早期低頻無線電的太空任務
16.5.3 未來
16.6 空間VLBI
16.6.1 空間VLBI技術概述
16.6.2 HALCA
16.6.3 射電天文(RadioAstron)任務
16.7 總結
參考文獻
第17章 深空應用天線
17.1 引言
17.2 遠程通信天線
17.3 案例I——火星科學實驗室
17.3.1 任務描述
17.3.2 火星號飛船X波段天線
17.3.3 火星號超高頻天線
17.3.4 火星號終端下降傳感器(著落雷達)
17.4 案例II——朱諾(Juno)
17.4.1 朱諾飛船任務描述
17.4.2 遠程通信天線
17.4.3 朱諾微波輻射儀天線
參考文獻
第18章 空間天線面臨的未來任務、 關鍵技術和工藝的挑戰
18.1 本章內容概要
18.2 引言
18.3 空間天線需求的演化
18.4 開發大口徑天線
18.4.1 問題和挑戰
18.4.2 目前和預期的未來的太空任務
18.4.3 有前途的天線的概念和技術
18.5 通信衛星容量的增加
18.5.1 問題和挑戰
18.5.2 目前和預期的未來太空任務
18.5.3 有前途的天線的概念和技術
18.6 使多波段、 多用途的天線共享相同的孔徑
18.6.1 問題和挑戰
18.6.2 目前和預期的未來太空任務
18.6.3 有前途的天線的概念和技術
18.7 增加常規天線產品的競爭力
18.7.1 問題和挑戰
18.7.2 現在和預期的未來太空任務
18.7.3 有前途的概念和技術
18.8 使能單波束動態覆蓋/極化重構
18.8.1 問題領域和挑戰
18.8.2 現在和預期的未來太空任務
18.8.3 有前途的天線的概念和技術
18.9 可以承受的成本使能有源天線
18.9.1 問題領域和挑戰
18.9.2 現在和未來的太空任務
18.9.3 有前途的天線的概念和技術
18.10 為未來的地球觀測和科學儀器開發出的新型天線
18.10.1 問題和挑戰
18.10.2 目前和預期的未來空間任務
18.10.3 有前途的天線概念和技術
18.11 朝衛星和用戶終端天線的大量生產演變
18.11.1 問題和挑戰
18.11.2 目前和預期的未來太空任務
18.11.3 有前途的天線概念和技術
18.12 使新任務成為可能的技術推動
18.12.1 問題領域和挑戰
18.12.2 有前途的天線概念和技術
18.13 開發對衛星天線的建模和測試的新方法
18.13.1 問題和挑戰
18.13.2 前景廣泛的天線的概念和技術
18.14 總結
本章縮略語
參考文獻