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内容简介

本书由多位具有理论和实践经验的专家合著而成。全书共18章，分别讨论天线基础，空间天线模型，卫星通信、雷达、导航和遥感的系统构架，空间环境与材料，空间天线的机械和热设计，空间天线测试，空间天线发展的历史回顾，空间应用的可展开网面天线：射频表征，空间应用的微带阵列技术、用于空间的印刷反射天线阵，空间应用中的新天线技术，卫星通信天线，SAR天线，全球导航卫星系统接收机天线，小卫星天线，射电天文空间天线，深空应用天线，并展望了空间天线面临的未来任务、关键技术和工艺的挑战。

作者简介

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。

目录

目 录

第1章 天线基础

1.1 引言

1.2 天线性能参数

1.2.1 反射系数和电压驻波比

1.2.2 天线阻抗

1.2.3 辐射方向图和覆盖

1.2.4 极化

1.2.5 方向性

1.2.6 增益和实际增益

1.2.7 等效全向辐射功率

1.2.8 有效面积

1.2.9 相位中心

1.2.10 带宽

1.2.11 天线噪声温度

1.3 基本天线单元

1.3.1 线天线

1.3.2 喇叭天线

1.3.3 反射面天线

1.3.4 螺旋天线

1.3.5 印刷天线

1.4 阵列

1.4.1 阵列天线布置

1.5 天线在太空环境中的基本效应

1.5.1 倍增

1.5.2 无源互调(PIM)失真

1.5.3 出气

参考文献

第2章 空间天线模型

2.1 引言

2.1.1 麦克斯韦方程

2.1.2 CEM

2.2 天线建模方法

2.2.1 基本理论

2.2.2 矩量法

2.2.3 FEM

2.2.4 FDTD方法

2.3 大型稀疏阵建模的快速算法

2.3.1 引言

2.3.2 MLFMA

2.3.3 FEM的分层基

2.4 案例研究： 卫星本体对天线辐射方向图的影响

2.5 总结

参考文献

第3章 卫星通信、 雷达、 导航和遥感的系统构架

3.1 引言

3.2 构成卫星系统的各部分

3.3 卫星的任务

3.4 通信卫星

3.4.1 固定卫星服务(FSS)

3.4.2 广播卫星服务(直播卫星服务)BSS(DBS)

3.4.3 数字音频无线电服务(DARS)

3.4.4 直接到户(DTH)宽带服务

3.4.5 移动通信服务

3.5 雷达卫星

3.6 导航卫星

3.7 遥感卫星

3.8 卫星指令和控制结构

3.9 通信有效载荷应答器

3.9.1 弯管应答器

3.9.2 数字应答器

3.9.3 再生中继器

3.10 卫星功能需求

3.10.1 主要性能概念： 覆盖范围， 频率分配

3.10.2 通信有效载荷的结构

3.10.3 卫星通信系统性能要求

3.11 卫星链路方程

3.12 微波发射机模块

3.12.1 交调点

3.12.2 输出功率回退

3.12.3 发射天线和等效各向同性辐射功率

3.13 接收机前端模块

3.13.1 噪声系统和噪声温度

3.14 通信系统射频链路接收功率

3.14.1 上下行链路的角度依赖性

3.15 卫星和天线中的额外损失

3.15.1 传播效应和大气引起的其他损耗

3.15.2 电离层效应——闪烁和极化旋转

3.16 热噪声和天线噪声温度

3.16.1 天线和通信系统的接口

3.16.2 上行链路信噪比

3.17 SNR方程和最小可检测信号

3.18 功率通量密度、 饱和通量密度和动态范围

3.18.1 PFD和卫星应答器增益状态之间的重要关系

3.19 全双工工作和无源互调

3.20 增益和增益的变化

3.21 指向误差

3.22 卫星系统架构的其余部分

3.23 轨道和轨道方面的考虑

3.24 航天器介绍

3.25 航天器预算(质量， 功率， 热量)

3.25.1 卫星质量

3.25.2 卫星功率

3.25.3 卫星热量耗散

3.26 轨道任务周期和运载火箭的考虑

3.27 环境管理(热、 辐射)

3.28 飞行器结构(声学的/动力的)

3.29 卫星定位(位置保持)

3.30 卫星姿态控制

3.31 电源子系统

3.32 跟踪、 遥感、 指令和监控

参考文献

第4章 空间环境与材料

4.1 引言

4.2 天线的空间环境

4.2.1 辐射环境

4.2.2 等离子体环境

4.2.3 中性环境

4.2.4 典型的航天器轨道空间环境

4.2.5 热环境

4.2.6 发射环境

4.3 材料选择及其与电磁性能之间的关系

4.3.1 RF透明材料及其使用

4.3.2 RF导电材料及其使用

4.3.3 PIM控制的材料选择黄金规则

4.4 空间材料与制造工艺

4.4.1 金属及其合金

4.4.2 聚合物基复合材料

4.4.3 陶瓷及陶瓷基复合材料

4.5 机械和热性能的表征

4.5.1 热真空环境和出气作用的筛查

4.5.2 聚合物和复合材料的基本特性测试

4.5.3 机械性能表征

4.5.4 热和热弹性特性

参考文献

第5章 空间天线的机械和热设计

5.1 引言： 机械热电气三角形

5.1.1 天线产品

5.1.2 配置、 材料和工艺

5.1.3 需求及其验证的概述

5.2 天线结构的设计

5.2.1 反射面的典型设计方案

5.2.2 夹层板结构的描述

5.2.3 夹层板耐热性的描述

5.2.4 与热机械设计有关的夹层板结构的电气描述

5.3 结构建模与分析

5.3.1 一阶板理论

5.3.2 高阶板理论

5.3.3 经典层合板理论

5.3.4 均匀各向同性板与对称夹层板的比较

5.3.5 合成材料表皮

5.3.6 蜂窝芯材的特点

5.3.7 夹层板失效模式

5.3.8 质量优化的夹层天线结构

5.3.9 有限元分析

5.3.10 天线的声负载

5.4 热和热弹性分析

5.4.1 空间天线的热环境

5.4.2 横向夹层板的热传导模型

5.4.3 平面夹层板的热平衡

5.4.4 空间中的平板热变形

5.4.5 偏置抛物反射面的热弹性稳定性

5.4.6 热分析工具

5.4.7 热分析案例

5.4.8 热模型的不确定性和安全系数

5.5 热控制策略

5.5.1 要求和主要设计选择

5.5.2 热控制元件

5.5.3 热设计实例

参考文献

第6章 空间天线测试

6.1 引言

6.2 作为开发和验证工具的测试

6.2.1 测试工程

6.2.2 模型的理念和定义

6.2.3 电气模型关联

6.2.4 热测试和模型关联

6.3 天线测试设施

6.3.1 远场天线测试场

6.3.2 紧凑天线测试场

6.3.3 近场测量和设施

6.3.4 环境试验设备和机械测试

6.3.5 PIM测试

6.4 案例分析： SMOS

6.4.1 SMOS MIRAS仪器

6.4.2 SMOS模型理念

6.4.3 天线方向图测试活动

参考文献

第7章 空间天线发展的历史回顾

7.1 引言

7.2 早期情况

7.2.1 简单卫星上的导线天线和裂缝天线

7.2.2 天线的计算机建模开始起步

7.2.3 改造现有的/经典的天线设计用于空间应用

7.3 采用复杂馈电系统的较大尺寸的反射器

7.3.1 引言

7.3.2 多频天线

7.3.3 大型可展开天线

7.3.4 固体表面可展开反射面天线

7.3.5 极化敏感反射面和赋形反射面

7.3.6 多馈天线

7.4 阵列天线

7.4.1 自旋稳定卫星上的共形阵列

7.4.2 用于遥感的阵列

7.4.3 用于远程通信的阵列

7.5 总结

致谢

参考文献

第8章 空间应用的可展开网面天线： 射频表征

8.1 引言

8.2 可展开网格反射面的历史

8.3 网格反射面特有的设计上的考虑事项

8.4 SMAP任务——一个典型的案例研究

8.4.1 任务概述

8.4.2 关键的天线设计的驱动因素和约束

8.4.3 反射面材料的射频性能确定

8.4.4 射频天线方向图的建模

8.4.5 馈源组件的设计

8.4.6 性能验证

8.5 总结

参考文献

第9章 空间应用的微带阵列技术

9.1 引言

9.2 阵列天线的基础知识

9.2.1 功能上(驱动)的要求和阵列设计解决方案

9.2.2 无源阵列的材料与环境和设计要求的关系

9.2.3 阵列优化方法和准则

9.3 无源阵列

9.3.1 SAR天线的辐射面板

9.3.2 导航天线

9.3.3 深空用的无源天线

9.4 有源阵列

9.4.1 有源天线的关键有源元器件： 放大器

9.4.2 有源混合电路

9.4.3 热耗散设计方案

9.4.4 有源阵列控制

9.4.5 通信和数据传输用的有源阵列

9.5 总结

参考文献

第10章 用于空间的印刷反射天线阵

10.1 引言

10.2 工作原理和反射天线阵单元的性能

10.3 分析与设计技术

10.3.1 反射天线单元的分析与设计

10.3.2 反射天线阵的设计与分析

10.3.3 宽带技术

10.4 通信卫星和广播卫星的反射天线阵

10.4.1 等场强线波束反射天线阵

10.4.2 双极化覆盖的发射天线

10.4.3 覆盖南美的收发天线

10.5 空间应用的现状和展望

10.5.1 大孔径反射天线阵

10.5.2 充气的反射天线阵

10.5.3 深空通信用的高增益天线

10.5.4 多波束反射天线阵

10.5.5 双反射面结构

10.5.6 波束可再配置和可扫描的反射天线阵

10.5.7 结论和展望

参考文献

第11章 空间应用中的新天线技术

11.1 引言

11.2 新兴毫米波系统中片上/封装天线

11.2.1 片上天线技术的最新进展

11.2.2 硅基片上天线的限制

11.2.3 片上天线的无源硅集成技术

11.3 平面波导集成技术

11.4 天线应用中微波/毫米波段下基于MEMS电路的技术

11.4.1 RF/微波基于MEMS的移相器

11.4.2 毫米波段下用于波束成形的反射型移相器

11.5 新兴的THz天线系统及其集成结构

11.5.1 THz光子学技术： THz时代的光混频天线

11.5.2 使用光混频阵列天线产生THz信号

11.6

前言/序言

中国电子科技集团公司智能感知技术重点实验室

智能感知技术重点实验室是由中国电子科技集团公司于2014年10月批复设立的首批集团重点实验室之一， 被列为中国电科集团示范实验室建设行列。

作为国内预警探测领域首个系统级创新研究型实验室， 智能感知技术重点实验室的主要任务是面向未来复杂作战环境下武器装备发展信息化、 体系化的新需求， 建设一流研发平台， 吸引国内外优势学术资源， 从事智能感知体系、 先进探测系统和基础技术研究， 牵引专业技术发展， 促进探测技术多学科融合， 引领国家探测领域技术发展方向， 提升国家探测领域自主创新能力， 是技术创新体系重构的重要组成部分。

智能感知技术重点实验室始终坚持人才是科技创新的第一资源。目前， 实验室已形成一支初具规模、 结构合理、 素质优良的人才队伍。其中， 具有研究员与高级工程师职称的人员占比达70%以上， 具有硕博学位的人员占比达85%以上。

“惟创新者进， 惟创新者强， 惟创新者胜”。 智能感知技术重点实验室将瞄准国际前沿， 面向国家重大需求， 努力整合联合内外部优势力量， 布局具有战略性、 前瞻性、 基础性科技创新资源， 努力将实验室打造成聚集国内外一流人才的科技创新高地。

译 者 序

卫星具有不受国界限制、 作用距离远、 观测范围广等空中和地面平台所不具备的独特优势， 受到军事和科技强国的高度重视， 广泛应用于广域预警探测、 地海侦查监视、 数据通信传输、 导航定位授时、 深空探索研究等军民领域， 成为高科技战争和人们日常工作生活不可或缺的重要装备。

在组成卫星的各个分系统中， 天线往往是规模最为庞大、 结构最为复杂、 指标要求最高、 设计难度最大的分系统， 是卫星能够成功完成任务的关键。卫星发射方式、 天线展开要求、 空间辐射环境、 极端温度变化、 体积重量功率等条件对空间天线提出了诸多限制， 增加了空间天线设计、 制造、 部署和操作的难度。

美国国防先期研究计划局、 国家航空航天局、 欧洲航天局、 日本宇航局等多家机构对空间天线进行了大量深入研究， 取得了一系列理论创新和应用成果， 对我国天基天线的设计开发具有重大参考价值。然而， 这些资料分布零散、 不成体系， 限制了空间天线知识的传播和应用。

2012年， 我们惊喜地发现William A. Imbriale等人主编的Space Antenna Handbook。该书内容完整， 不仅涵盖空间天线设计、 建模和分析的基本理论方法， 还介绍了丰富的空间天线设计和制造实际案例， 并对空间天线在卫星通信、 空间载SAR、 射电天文学等热门应用做了详细评述。本书既有对基础原理的清晰介绍， 又有对实际应用的具体详细描述， 既有对空间天线历史的回顾， 又有对前沿技术和未来发展的展望， 相信读者阅读本书后， 一定能够对空间天线有一个综合和系统的了解。

本书由中国电子科技集团公司智能感知技术重点实验室组织翻译，胡明春、王建明、金林、孙俊、陈玲、邓大松、蔡晓睿、韩长喜、倪迎红等参与了翻译，并得到了中国电子科技集团公司第十四研究所各部门领导及专家的大力支持和帮助，在此一并感谢。由于水平和经验有限，翻译错误与不妥之处在所难免，敬请读者批评指出，以便今后进一步完善，不胜感激！

前 言

鉴于空间的独特环境以及发射飞行器的动力特性， 对空间飞行器天线的需求和设计方式与地面天线大相径庭。然而， 专门针对空间天线的书非常少， 其中一本是2006年出版的Spaceborne Antennas for Planetary Exploration（《行星探索天基天线》）， 但该书仅仅介绍了美国国家航空航天局喷气推进实验室所做的工作。因此， 需要一本综合全面的书来介绍世界范围内领军工程师在空间天线的最新进展。

本书广泛讨论了空间天线应用的话题， 目的有两个方面。一是介绍空间天线设计、 建模和分析的基本方法， 以及前沿技术和未来技术发展。每一话题都以空间为专业和背景。另外， 许多章节都提供了案例研究来演示如何在实际情形进行天线设计和制造。接下来， 本书提出了对热门应用， 如卫星通信、 空间载SAR、 全球导航卫星系统接收机、 射电天文学、 小卫星以及深空应用的天线设计的详细评述。

由于本书涵盖的范围十分庞大， 从基本原理到技术以及实践案例研究， 因此适用的读者面十分庞大， 包括入门者、 学生、 研究人员， 以及经验丰富的工程师。文中的技术术语假定读者熟悉经常在电磁学高级课程中遇到的基础工程学和数学概念以及物质材料。

本书分为三部分， 分别探讨天线开发、 空间天线技术和空间天线特定应用。第一部分包括天线基础原理和建模， 以及与环境和材料有关的空间天线特定需求， 包括空间天线要求的机械和热问题。其中一章是关于系统架构的， 描述了天线在空间飞行器总体设计中扮演的重要角色。第二部分详细描述了与网格反射面天线、 阵列天线以及印制反射阵天线相关的技术， 给出了历史见解， 并强调了新兴技术。第三部分包含卫星通信、 空间SAR、 全球导航卫星系统接收机、 射电天文学、 小卫星以及深空的特定应用。结论部分展望了空间天线的未来发展。因此， 从基础原理到与特定应用， 通过阅读本书， 读者能够综合全面、 逻辑性强地了解空间天线。

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