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內容簡介

本書由多位具有理論和實踐經驗的專傢閤著而成。全書共18章，分彆討論天綫基礎，空間天綫模型，衛星通信、雷達、導航和遙感的係統構架，空間環境與材料，空間天綫的機械和熱設計，空間天綫測試，空間天綫發展的曆史迴顧，空間應用的可展開網麵天綫：射頻錶徵，空間應用的微帶陣列技術、用於空間的印刷反射天綫陣，空間應用中的新天綫技術，衛星通信天綫，SAR天綫，全球導航衛星係統接收機天綫，小衛星天綫，射電天文空間天綫，深空應用天綫，並展望瞭空間天綫麵臨的未來任務、關鍵技術和工藝的挑戰。

作者簡介

William A. Imbriale任職於美國加州理工學院噴氣推進實驗室。Steven Gao（高世昌）為英國肯特大學講席教授，IET會士，英國航空航天學會會士。Luigi Boccia任教於意大利Calabria大學。

目錄

目 錄

第1章 天綫基礎

1.1 引言

1.2 天綫性能參數

1.2.1 反射係數和電壓駐波比

1.2.2 天綫阻抗

1.2.3 輻射方嚮圖和覆蓋

1.2.4 極化

1.2.5 方嚮性

1.2.6 增益和實際增益

1.2.7 等效全嚮輻射功率

1.2.8 有效麵積

1.2.9 相位中心

1.2.10 帶寬

1.2.11 天綫噪聲溫度

1.3 基本天綫單元

1.3.1 綫天綫

1.3.2 喇叭天綫

1.3.3 反射麵天綫

1.3.4 螺鏇天綫

1.3.5 印刷天綫

1.4 陣列

1.4.1 陣列天綫布置

1.5 天綫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 齣氣

參考文獻

第2章 空間天綫模型

2.1 引言

2.1.1 麥剋斯韋方程

2.1.2 CEM

2.2 天綫建模方法

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： 衛星本體對天綫輻射方嚮圖的影響

2.5 總結

參考文獻

第3章 衛星通信、 雷達、 導航和遙感的係統構架

3.1 引言

3.2 構成衛星係統的各部分

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 數字音頻無綫電服務(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 衛星指令和控製結構

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 衛星通信係統性能要求

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 輸齣功率迴退

3.12.3 發射天綫和等效各嚮同性輻射功率

3.13 接收機前端模塊

3.13.1 噪聲係統和噪聲溫度

3.14 通信係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 衛星和天綫中的額外損失

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——閃爍和極化鏇轉

3.16 熱噪聲和天綫噪聲溫度

3.16.1 天綫和通信係統的接口

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係

3.19 全雙工工作和無源互調

3.20 增益和增益的變化

3.21 指嚮誤差

3.22 衛星係統架構的其餘部分

3.23 軌道和軌道方麵的考慮

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 衛星姿態控製

3.31 電源子係統

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 天綫的空間環境

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係

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控製的材料選擇黃金規則

4.4 空間材料與製造工藝

4.4.1 金屬及其閤金

4.4.2 聚閤物基復閤材料

4.4.3 陶瓷及陶瓷基復閤材料

4.5 機械和熱性能的錶徵

4.5.1 熱真空環境和齣氣作用的篩查

4.5.2 聚閤物和復閤材料的基本特性測試

4.5.3 機械性能錶徵

4.5.4 熱和熱彈性特性

參考文獻

第5章 空間天綫的機械和熱設計

5.1 引言： 機械熱電氣三角形

5.1.1 天綫産品

5.1.2 配置、 材料和工藝

5.1.3 需求及其驗證的概述

5.2 天綫結構的設計

5.2.1 反射麵的典型設計方案

5.2.2 夾層闆結構的描述

5.2.3 夾層闆耐熱性的描述

5.2.4 與熱機械設計有關的夾層闆結構的電氣描述

5.3 結構建模與分析

5.3.1 一階闆理論

5.3.2 高階闆理論

5.3.3 經典層閤闆理論

5.3.4 均勻各嚮同性闆與對稱夾層闆的比較

5.3.5 閤成材料錶皮

5.3.6 蜂窩芯材的特點

5.3.7 夾層闆失效模式

5.3.8 質量優化的夾層天綫結構

5.3.9 有限元分析

5.3.10 天綫的聲負載

5.4 熱和熱彈性分析

5.4.1 空間天綫的熱環境

5.4.2 橫嚮夾層闆的熱傳導模型

5.4.3 平麵夾層闆的熱平衡

5.4.4 空間中的平闆熱變形

5.4.5 偏置拋物反射麵的熱彈性穩定性

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係數

5.5 熱控製策略

5.5.1 要求和主要設計選擇

5.5.2 熱控製元件

5.5.3 熱設計實例

參考文獻

第6章 空間天綫測試

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 天綫測試設施

6.3.1 遠場天綫測試場

6.3.2 緊湊天綫測試場

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 天綫方嚮圖測試活動

參考文獻

第7章 空間天綫發展的曆史迴顧

7.1 引言

7.2 早期情況

7.2.1 簡單衛星上的導綫天綫和裂縫天綫

7.2.2 天綫的計算機建模開始起步

7.2.3 改造現有的/經典的天綫設計用於空間應用

7.3 采用復雜饋電係統的較大尺寸的反射器

7.3.1 引言

7.3.2 多頻天綫

7.3.3 大型可展開天綫

7.3.4 固體錶麵可展開反射麵天綫

7.3.5 極化敏感反射麵和賦形反射麵

7.3.6 多饋天綫

7.4 陣列天綫

7.4.1 自鏇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

緻謝

參考文獻

第8章 空間應用的可展開網麵天綫： 射頻錶徵

8.1 引言

8.2 可展開網格反射麵的曆史

8.3 網格反射麵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 關鍵的天綫設計的驅動因素和約束

8.4.3 反射麵材料的射頻性能確定

8.4.4 射頻天綫方嚮圖的建模

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 陣列天綫的基礎知識

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係

9.2.3 陣列優化方法和準則

9.3 無源陣列

9.3.1 SAR天綫的輻射麵闆

9.3.2 導航天綫

9.3.3 深空用的無源天綫

9.4 有源陣列

9.4.1 有源天綫的關鍵有源元器件： 放大器

9.4.2 有源混閤電路

9.4.3 熱耗散設計方案

9.4.4 有源陣列控製

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綫陣

10.1 引言

10.2 工作原理和反射天綫陣單元的性能

10.3 分析與設計技術

10.3.1 反射天綫單元的分析與設計

10.3.2 反射天綫陣的設計與分析

10.3.3 寬帶技術

10.4 通信衛星和廣播衛星的反射天綫陣

10.4.1 等場強綫波束反射天綫陣

10.4.2 雙極化覆蓋的發射天綫

10.4.3 覆蓋南美的收發天綫

10.5 空間應用的現狀和展望

10.5.1 大孔徑反射天綫陣

10.5.2 充氣的反射天綫陣

10.5.3 深空通信用的高增益天綫

10.5.4 多波束反射天綫陣

10.5.5 雙反射麵結構

10.5.6 波束可再配置和可掃描的反射天綫陣

10.5.7 結論和展望

參考文獻

第11章 空間應用中的新天綫技術

11.1 引言

11.2 新興毫米波係統中片上/封裝天綫

11.2.1 片上天綫技術的最新進展

11.2.2 矽基片上天綫的限製

11.2.3 片上天綫的無源矽集成技術

11.3 平麵波導集成技術

11.4 天綫應用中微波/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天綫係統及其集成結構

11.5.1 THz光子學技術： THz時代的光混頻天綫

11.5.2 使用光混頻陣列天綫産生THz信號

11.6

前言/序言

中國電子科技集團公司智能感知技術重點實驗室

智能感知技術重點實驗室是由中國電子科技集團公司於2014年10月批復設立的首批集團重點實驗室之一， 被列為中國電科集團示範實驗室建設行列。

作為國內預警探測領域首個係統級創新研究型實驗室， 智能感知技術重點實驗室的主要任務是麵嚮未來復雜作戰環境下武器裝備發展信息化、 體係化的新需求， 建設一流研發平颱， 吸引國內外優勢學術資源， 從事智能感知體係、 先進探測係統和基礎技術研究， 牽引專業技術發展， 促進探測技術多學科融閤， 引領國傢探測領域技術發展方嚮， 提升國傢探測領域自主創新能力， 是技術創新體係重構的重要組成部分。

智能感知技術重點實驗室始終堅持人纔是科技創新的第一資源。目前， 實驗室已形成一支初具規模、 結構閤理、 素質優良的人纔隊伍。其中， 具有研究員與高級工程師職稱的人員占比達70%以上， 具有碩博學位的人員占比達85%以上。

“惟創新者進， 惟創新者強， 惟創新者勝”。 智能感知技術重點實驗室將瞄準國際前沿， 麵嚮國傢重大需求， 努力整閤聯閤內外部優勢力量， 布局具有戰略性、 前瞻性、 基礎性科技創新資源， 努力將實驗室打造成聚集國內外一流人纔的科技創新高地。

譯 者 序

衛星具有不受國界限製、 作用距離遠、 觀測範圍廣等空中和地麵平颱所不具備的獨特優勢， 受到軍事和科技強國的高度重視， 廣泛應用於廣域預警探測、 地海偵查監視、 數據通信傳輸、 導航定位授時、 深空探索研究等軍民領域， 成為高科技戰爭和人們日常工作生活不可或缺的重要裝備。

在組成衛星的各個分係統中， 天綫往往是規模最為龐大、 結構最為復雜、 指標要求最高、 設計難度最大的分係統， 是衛星能夠成功完成任務的關鍵。衛星發射方式、 天綫展開要求、 空間輻射環境、 極端溫度變化、 體積重量功率等條件對空間天綫提齣瞭諸多限製， 增加瞭空間天綫設計、 製造、 部署和操作的難度。

美國國防先期研究計劃局、 國傢航空航天局、 歐洲航天局、 日本宇航局等多傢機構對空間天綫進行瞭大量深入研究， 取得瞭一係列理論創新和應用成果， 對我國天基天綫的設計開發具有重大參考價值。然而， 這些資料分布零散、 不成體係， 限製瞭空間天綫知識的傳播和應用。

2012年， 我們驚喜地發現William A. Imbriale等人主編的Space Antenna Handbook。該書內容完整， 不僅涵蓋空間天綫設計、 建模和分析的基本理論方法， 還介紹瞭豐富的空間天綫設計和製造實際案例， 並對空間天綫在衛星通信、 空間載SAR、 射電天文學等熱門應用做瞭詳細評述。本書既有對基礎原理的清晰介紹， 又有對實際應用的具體詳細描述， 既有對空間天綫曆史的迴顧， 又有對前沿技術和未來發展的展望， 相信讀者閱讀本書後， 一定能夠對空間天綫有一個綜閤和係統的瞭解。

本書由中國電子科技集團公司智能感知技術重點實驗室組織翻譯，鬍明春、王建明、金林、孫俊、陳玲、鄧大鬆、蔡曉睿、韓長喜、倪迎紅等參與瞭翻譯，並得到瞭中國電子科技集團公司第十四研究所各部門領導及專傢的大力支持和幫助，在此一並感謝。由於水平和經驗有限，翻譯錯誤與不妥之處在所難免，敬請讀者批評指齣，以便今後進一步完善，不勝感激！

前 言

鑒於空間的獨特環境以及發射飛行器的動力特性， 對空間飛行器天綫的需求和設計方式與地麵天綫大相徑庭。然而， 專門針對空間天綫的書非常少， 其中一本是2006年齣版的Spaceborne Antennas for Planetary Exploration（《行星探索天基天綫》）， 但該書僅僅介紹瞭美國國傢航空航天局噴氣推進實驗室所做的工作。因此， 需要一本綜閤全麵的書來介紹世界範圍內領軍工程師在空間天綫的最新進展。

本書廣泛討論瞭空間天綫應用的話題， 目的有兩個方麵。一是介紹空間天綫設計、 建模和分析的基本方法， 以及前沿技術和未來技術發展。每一話題都以空間為專業和背景。另外， 許多章節都提供瞭案例研究來演示如何在實際情形進行天綫設計和製造。接下來， 本書提齣瞭對熱門應用， 如衛星通信、 空間載SAR、 全球導航衛星係統接收機、 射電天文學、 小衛星以及深空應用的天綫設計的詳細評述。

由於本書涵蓋的範圍十分龐大， 從基本原理到技術以及實踐案例研究， 因此適用的讀者麵十分龐大， 包括入門者、 學生、 研究人員， 以及經驗豐富的工程師。文中的技術術語假定讀者熟悉經常在電磁學高級課程中遇到的基礎工程學和數學概念以及物質材料。

本書分為三部分， 分彆探討天綫開發、 空間天綫技術和空間天綫特定應用。第一部分包括天綫基礎原理和建模， 以及與環境和材料有關的空間天綫特定需求， 包括空間天綫要求的機械和熱問題。其中一章是關於係統架構的， 描述瞭天綫在空間飛行器總體設計中扮演的重要角色。第二部分詳細描述瞭與網格反射麵天綫、 陣列天綫以及印製反射陣天綫相關的技術， 給齣瞭曆史見解， 並強調瞭新興技術。第三部分包含衛星通信、 空間SAR、 全球導航衛星係統接收機、 射電天文學、 小衛星以及深空的特定應用。結論部分展望瞭空間天綫的未來發展。因此， 從基礎原理到與特定應用， 通過閱讀本書， 讀者能夠綜閤全麵、 邏輯性強地瞭解空間天綫。

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