星载SAR缝隙波导天线环境适应性设计与验证_王志刚.pdf

星星载载 SASAR R 缝隙波导天线环境适应性设计与验证缝隙波导天线环境适应性设计与验证王志刚，陈梁玉，张先锋，姚雨帆（中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥230088）摘要：针对星载合成孔径雷达（SAR）长寿命、高可靠的需求，从天线的类型选择、构型设计和实现途径等方面介绍了某大型星载 SAR 平面相控阵天线的技术路线，确定采用真空钎焊技术的整块缝隙波导天线为研究对象；从机电热全面分析其在空间力学环境、热环境、真空环境和带电粒子辐射环境下的适应性设计关键技术和难点，如：通过合理减重、结构分块和布局优化等设计，解决天线的刚强度问题；对天线全流程工艺进行控制以获得满足热控要求的阳极氧化膜；采用游离设计减小天线在高低温环境下的热变形；通过合理确定电场最强处两个金属面的间距来消减天线在真空环境下的微放电现象；通过选择聚酰亚胺材料作为射频连接器的介质支撑来提高天线的抗辐射能力。环境试验和在轨验证结果证明，该缝隙波导天线设计合理，环境适应性良好，能够稳定正常工作。关键词：星载天线；合成孔径雷达；缝隙波导天线；航天器环境；环境适应性设计；试验验证中图分类号：TN823文献标志码：A文章编号：1673-1379(2023)01-0092-07DOI:10.12126/see.2022106Environmental adaptability design and verification ofslot waveguide antenna for spaceborne SARWANGZhigang,CHENLiangyu,ZHANGXianfeng,YAOYufan(The38thResearchInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,Hefei230088,China)Abstract:Inordertomeettherequirementsoflong-lifeandhighreliabilityofspacebornesyntheticapertureradar(SAR),thetechnicalrouteofalargeplanarphasedarrayantennaforspaceborneSARwasintroducedfromthe aspects of antenna type selection,configuration design and implementation approach.The whole slotwaveguideantennausingvacuumbrazingwasselectedastheresearchobject.Thekeytechnologiesanddifficultpointsoftheadaptivedesigninmechanical,thermalradiation,highandlowtemperature,vacuumandspaceradiationenvironmentswerecomprehensivelyanalyzedfrommechanical,electricalandthermalperspectives.Forexample,therigidityandstrengthoftheantennaweresolvedthroughthedesignsofreasonableweightreduction,structuralpartitioningandlayoutoptimization.Theanodizedfilmthatmeetsthethermalcontrolrequirementwasobtainedthroughthewholeprocesscontroloftheantenna.Thefreedesignwasusedtoreducethethermaldeformationoftheantennaathighandlowtemperature.Byreasonablydeterminingthespacingbetweenthetwometalsurfacesatthestrongestelectricfield,themultipactorinvacuumcouldbereduced.Theanti-irradiationcapabilityoftheantennawasimprovedbyselectingpolyimideasthedielectricsupportoftheRFconnector.Theresults of environmental test and on-orbit verification show that the design of slot waveguide antenna isreasonablewithgoodenvironmentaladaptability,andisabletoworkstablyandnormally.Keywords:spaceborne antenna;SAR;slot waveguide antenna;spacecraft environment;environmentaladaptabilitydesign;testverification收稿日期：2022-10-28；修回日期：2023-02-18引用格式：王志刚,陈梁玉,张先锋,等.星载SAR缝隙波导天线环境适应性设计与验证J.航天器环境工程,2023,40(1):92-98WANG Z G,CHEN L Y,ZHANG X F,et al.Environmental adaptability design and verification of slot waveguide antenna forspaceborne SARJ.Spacecraft Environment Engineering,2023,40(1):92-98Vol.40,No.1航天器环境工程第40卷第1期92SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2023年2月http:/E-mail:Tel:(010)68116407,68116408,68116544 0 引言引言星载合成孔径雷达（SAR）具有全天候和全天时的观测能力，广泛应用于军事和民用领域。天线是星载 SAR 的核心，主要有反射面天线和相控阵天线两种体制1。反射面天线质量小、成本低，多用于轻小型星载 SAR1-2。相控阵天线由于具有更加灵活可控的波束扫描性能而成为大部分高性能星载 SAR 的首选3。星载 SAR 天线在整个生命周期内要经历地面阶段、发射阶段和在轨运行阶段的环境4。天线在地面阶段所经历的力热载荷量级较小，不需要进行额外的设计和分析。发射阶段的声振环境会给天线带来复杂和恶劣的动力学载荷。在轨运行时天线会经历高低温交变及内、外热流等热环境5，可能使天线产生微放电效应的真空环境，以及由可造成敏感材料表面辐射累积损伤的带电粒子辐射环境6。据有关统计5，航天器在发射阶段的故障数量占故障总量的 22.9%，在轨阶段的故障数量占故障总量的 76.7%。因此对航天器进行环境适应性设计和试验验证极为重要。星载 SAR 天线的功能是对地辐射微波信号，因此在星载 SAR 系统设计时，无论内部布局如何调整，天线始终须布置在系统的最外侧，使天线辐射面能够面向地球而不被遮挡。星载 SAR 天线所处的特殊物理位置，决定了其要承受更加恶劣的振动、热和空间辐射环境。某大型星载 SAR 采用平面相控阵体制天线。本文以其为研究对象，从环境适应性角度论述平面相控阵天线的技术路线，包括天线的类型选择、构型设计及实现途径；围绕星载环境，全面分析和介绍缝隙波导天线在空间环境适应性设计中的难点以及试验验证情况。1 平面相控阵天线的技术路线平面相控阵天线的技术路线1.1天线类型选择星载 SAR 平面相控阵天线主要有微带天线和缝隙波导天线两种类型。微带天线剖面低、重量轻、加工简单，通常在低频段使用。相对于微带天线，缝隙波导天线具有高效率、低损耗、散热性能好和结构强度高等优点7。从环境适应性角度来看，缝隙波导天线与微带天线相比主要有以下优势：1）传热和散热性能更佳微带天线一般是由单层或多层微带板通过胶接的方式同泡沫板和蜂窝板连接在一起。多层结构的微带天线比单层结构的能够获得更强的电性能，但是多层结构会使天线变得厚重。微带天线的材料均为非金属材料，传热系数一般不高，仅相当于保温材料8，传热能力不佳。而缝隙波导天线一般采用铝合金材料，因此其散热性能明显强于微带天线，可以作为星载 SAR 有源相控阵天线的散热面，将有源单机产生的热量通过辐射的方式发散到空间环境中。随着星载 SAR 的能力提升，其功率和热流密度均显著增加，因此选配传热和散热性能优良的缝隙波导天线能增强其适应空间热环境的能力。2）材料单一，环境适应性更好构成微带天线的材料有微带板、泡沫板、胶膜、金属预埋件和蜂窝板等。各层材料的热膨胀系数不一致，温度的变化会导致各层材料产生不同的变形和内应力，可能引起层板之间的开裂；另外，各层材料在面对空间辐照和原子氧等恶劣环境时的表现也存在差异：这些都可能导致微带天线功能失效。而缝隙波导天线材料单一，不存在上述材料差异可能导致的问题，有良好的环境适应性。3）工艺简单、成熟微带天线的复合成型工艺比较复杂，影响因素很多：胶接过程中由于空气的原因会在胶接层产生微小气泡，严重的会影响胶接强度；胶接固化时间的长短、固化的温度/压力以及胶膜的质量也会影响胶接强度，进而影响天线整体的力学性能9。成型后的微带天线能否适应空间环境的要求，有待进一步验证10。而缝隙波导天线的成型过程和工艺相对简单、成熟，产品性能一致性较好11。综上，缝隙波导天线因其良好的性能和环境适应性而成为星载 SAR 的优选天线，目前已应用于多个星载 SAR 产品型号11-13。1.2天线构型设计在缝隙波导天线的构型设计中，首先由电信设计师根据电性能指标对天线进行建模和仿真分析，满足电性能指标后提交结构设计师进行详细构型设计，再由工艺设计师负责天线的最终实现。在这个过程中会出现反复迭代和优化设计，具体包括以下方面：第1期王志刚等：星载 SAR 缝隙波导天线环境适应性设计与验证931）构型划分缝隙波导天线的构型有两种：一种是沿距离向将天线划分为单根天线；另一种是将其视为一个整块天线（如图 1 所示）。单根天线整块天线图1缝隙波导天线的两种构型Fig.1Twoconfigurationsofslotwaveguideantenna单根缝隙波导天线的结构和安装接口均较为简单，加工难度相对较小。整块缝隙波导天线面积大、结构复杂，天线波导腔内部尺寸精度和位置精度的保证相对单根天线来说难度有所增加。整块缝隙波导天线每两个单元之间共用一个壁，而单根缝隙波导天线的壁是独立的，且安装紧固件数量也比整块天线的多，故相同尺寸的整块缝隙波导天线的质量比单根缝隙波导天线的小，因此，对于对质量有苛刻要求的大型星载 SAR 天线而言，整块缝隙波导天线更具应用优势。2）材料选择目前，星载 SAR 缝隙波导天线可以选择的材料主要有碳纤维复合材料、镁合金和铝合金。碳纤维复合材料密度小、模量高，理论上可以通过铺层设计实现“0”膨胀系数；其缺点是本身不导电，因此必须对其表面进行金属化，然而目前的金属化工艺还不成熟，尚无法满足空间环境的要求。镁合金材料密度很小，但是防腐蚀性能差，不适合真空钎焊。3A21 铝合金加工性能好、耐腐蚀、焊接性能良好，是目前星载 SAR 缝隙波导天线常用的成熟材料。3）壁厚设计从质量的角度考虑，缝隙波导天线的壁厚越薄，质量越小；但是壁厚过薄会使缝隙波导天线内腔产生足以影响天线电性能的变形，同时会使天线的焊接强度下降。通过对壁厚 0.6mm、0.8mm 和1.0mm 的缝隙波导天线的研制和对比，最终确定天线壁厚为 0.8mm，从而实现在减小质量的同时保证天线的电性能和焊接强度。4