大型空间可展开天线的研究现状与发展趋势*

段宝岩

(西安电子科技大学机电科技研究所， 陕西 西安 710071)

大型空间可展开天线的研究现状与发展趋势*

段宝岩

(西安电子科技大学机电科技研究所， 陕西 西安 710071)

文中较为系统地介绍了国内外大口径星载可展开天线研究的现状及其未来发展趋势，内容涉及网状、薄膜、微电子机械、固面、充气等不同类型天线。对应用广泛的大型索网天线，阐述了数字化建模、网状找形找态、多态动力优化、多柔体动力学分析与展开过程控制、展开可靠性分析、在轨热分析与控制、形面调整与测试、机-电-热场耦合建模与电性能分析等模型建立、分析与设计方法以及针对星载可展开天线分析与设计的知识型设计软件与综合设计支撑平台等。此外，对正在研制与在轨服役的星载天线也作了简单介绍。

星载可展开天线；网状天线；薄膜天线；微电子机械天线；充气天线；机-电-热场耦合；综合设计平台

引 言

星载天线被广泛应用于空间和对地无线通信、电子侦察、导航、遥感、深空探测及射电天文等领域，是卫星系统的“眼睛”和“耳朵”，起着决定性的作用。由于距离远，卫星接收到的信号微弱，故要求星载天线具有较高的增益。此外，为满足多功能、多波段、大容量、高功率的需求，星载天线不可避免地趋于大口径化。

在通信领域，信息空间向多维拓展是未来的发展趋势，空天地一体化信息网络的实现在很大程度上依赖于空间通信系统的能力。为实现更快速更优质的通讯联接及网络服务，未来的通信卫星需要不断提高信号强度及通讯质量，迫切需要大口径的星载天线。如美国宽带全球局域网络(BGAN)为使用户的数据达到492 kb/s的传输速率，需要口径不小于9 m的天线；波音卫星系统公司的海事通讯卫星搭载的天线口径也均在12 m以上。对于军事用途的通讯卫星，为增强其抗

干扰能力，必须提高星载天线系统的增益和方向性；为增强天线的抗侦察性而使用的跳频通信技术和扩频通信技术则要求天线能适应较高的工作频率且具有较宽的频带，这些需求自然对星载天线的口径和形面精度提出了更高要求。

在遥感领域，为全天候和全天时对大气、海洋、陆地实施监测，需要用到高精度的星载微波辐射计。如美国DMSP气象卫星上装载的SSMIS微波辐射计(频率为23.8～183 GHz)[1]和俄罗斯METEOR-3M卫星装载的MTVZA(频率为17～183 GHz)[2]，已在军事气象保障、天气预报及洪涝灾害探测等方面发挥了重要作用。然而，未来如需提高观测分辨率，就必须增大天线的口径，如美国在研的下一代多普勒气象雷达NIS的天线口径将达到35 m，工作频率为35 GHz[3]。

在导航卫星和资源探测领域，大口径天线的需求也在不断增加。如美国的GPS Block III导航卫星和我国的北斗导航RDSS系统都需要大口径的星载天线。另一方面，美国在研的资源探测卫星口径已达到12 m。此外，空间太阳能电站(SSPS)为了从地球同步轨道传输高功率连续微波至地面，需要上百米口径的超大型天线，例如容量5 GW的卫星太阳能电站微波发射天线的口径可能需要达到1 km[4]。

同样在军事领域，现代化战争的战场环境变化急剧，作战样式转换迅速，伪装、欺骗等能力不断提升，因而情报的获取比以前更加困难，对情报的时效性、准确性及连续性要求越来越高。为能在密集复杂的电磁信号环境中快速截获和识别辐射源，通常要求电子侦察系统具有频带宽、灵敏度高、动态范围大、测频测向精度高、响应速度快、分辨力强及定位精度高等特性。这些需求对星载天线的口径和形面精度(频段)自然提出了很高的要求。随着电子侦察卫星从地球静止轨道向近极地大椭圆轨道以及具有变轨能力的多轨道综合侦察卫星方向的发展，侦测频带的不断拓宽以及对电子接收机灵敏度和信噪比要求的不断提高，对大口径星载天线的需求也在增加。

然而，由于现有火箭整流罩尺寸与发射费用的限制，要求星载天线轻且收拢体积小，故大口径星载天线必须做成可展开的，即发射时收拢于火箭整流罩内，入轨后自动展开到位。因其广阔的军事及民用前景，天线的可展开特性已成为现代大口径星载天线的一个显著特征。为适应不同用途卫星的需要，各发达国家已经或正在研究各式各样的可展开天线，其中有代表性的是美国航空航天局(NASA)、俄罗斯宇航局、欧空局(ESA)、日本宇宙科学研究所(IASS)和日本宇宙事业开发团(NASDA)[5-13]。根据可展开天线在航天领域的应用与研究现状，可展开天线分为反射面天线、阵列天线和微电子机械天线[14-15]。本文将针对这3类天线的研究和应用现状及未来发展加以阐述，为大型可展开天线的研究和应用提供一些有益的参考。

1 星载可展开反射面天线的研究现状

反射面天线是各种应用卫星上使用最多的一类天线形式，可作为超高频、微波乃至毫米波波段的通信卫星天线，形成赋形区域波束、点波束、多波束及扫描波束。根据反射面的结构形式可分为4大类：刚性反射面天线、充气反射面天线、网状反射面天线及薄膜反射面天线。

1.1 刚性反射面天线

这类天线的典型特征是天线的反射面由中心毂和若干块刚性曲板组成[16-17]。固面展开天线反射面材料多选用金属板或镀有金属反射面的碳纤维增强塑料(CTFR)。由于板块可加工成较为理想的抛物面，因此这种天线的最大优点是反射面精度高。据报道，一个口径为10 m的固面展开天线的表面精度可达0.13 mm[18]。由于其展开后形面精度可以很高，因此在微波遥感领域，例如微波辐射计、散射计等方面是一种较好的选择，在国外多个航天器中已经得到应用[19]。然而它同时也具有结构笨重、造价高、收拢体积大的缺陷，目前在大口径卫星天线上应用较少。

1.2 充气反射面天线

充气式可展开天线的优点表现在高收纳率、大口径等方面[3,20-26]。缺点是面形精度难以做得很高，同时因为必须同时将压缩机打上天，因而面密度较高。这类天线主要由柔性材料(经过化学树脂处理的Kevlar膜材或Mylar膜材)制成，其展开原理与民用建筑中的充气膜结构类似，通过内部充气使结构膨胀至所需的位置和形状。与民用膜结构不同的是，天线膨胀到指定位置后，在太阳光的照射下，膜材将发生光照硬化，以使其保持所张开的形状，此时，即使内部气体出现泄漏，也不会造成天线反射面形面精度的损失。对充气反射面天线的研究早在20世纪60年代就开始了，但由于材料、工艺等因素的制约，发展较慢。20世纪90年代出现的新材料、新工艺和新需求，促进了充气反射面天线的快速发展。NASA、ESA等进行了有益的探索，在技术上取得了一定进步，但目前仍没有实现商业应用，材料和硬化工艺仍将是今后的研究热点。充气反射面可展开天线研制的里程碑是1996年5月29日美国NASA在飞机上进行的直径为14 m的充气展开试验(IAE)，如图1所示，它标志着这种天线结构在空间应用的开始。当前，JPL和L′Garde正在研制一个称为ARISE(Advanced Radio Interferometry between Space and Earth)的口径为25 m的充气天线。

图1 充气反射面可展开天线

1.3 网状反射面天线

目前，在轨运行的星载大型可展开天线主要为网面可展开天线，它在理论方法、实验验证等方面都是国际宇航界的关注热点之一。这类天线的特点是反射面均由柔性金属丝网构成，为柔性受力系统，因而索网的张力点、张力水平对保形能力、形面精度、展开的平稳性与可靠性均具有显著影响。网状反射面质轻，易折叠，收纳率高，易于实现大口径，便于组合各种可展开的支撑结构，但构造较复杂，形面精度、可靠性及重复精度较低。根据当前的技术发展，这类天线的口径在理论上可做到50 m，形面精度可达200～500 μm，无线电射频可达1.6～40 GHz，可满足低频、高频段的需求[27]。根据对柔性金属丝网的支撑形式和展开驱动方式的不同，网状可展开天线衍生出各种不同的结构形式[28-33]。

1.3.1 环形天线

如图2所示，环形天线指展开桁架结构位于周边、中心及径向全部由索网系统组成的天线，具体又可分为周边桁架式、Harris环形、EGS环形天线等。周边桁架式天线由多个平行四边形单元组成，形成封闭的环形结构，美国的Thuraya、MBSat及SMAP卫星等均采用这一结构形式；Harris环形天线由一个正多边形的内环和外围的上下两层网面斜支撑杆组成，美国的SkyTerra和MSV卫星的22 m口径天线就采用了这种形式；EGS环形天线的每个展开单元由2个相同剪刀式展开机构组成，俄罗斯和ESA联合研制了口径为12 m的该类型天线。

图2 环形网状反射面天线

1.3.2 径向肋天线

如图3所示，径向肋天线结构类似伞状，由若干固定在一个中心毂上的抛物线形管状碳纤维肋构成，反射网面连接在这些肋之间。美国Harris公司研制的12 m口径天线将肋做成了折叠式。而后，该公司研制的TerreStar卫星的18 m口径天线将折叠肋分为上下两节(Y形)，在保证天线收纳率的同时可提高天线的反射面精度。

图3 径向肋天线

1.3.3 构架式天线

如图4所示，这类天线采用模块化的设计思想，通常由四面体或六棱柱模块组成，改变模块的大小及数量可满足对不同口径的需求。日本于2006年发射的工程试验卫星ETS-VIII上携带了2个19 m × 17 m的构架式天线，它们分别由14个直径为4.8 m的模块组成。

图4 ETS-VIII构架式天线

1.3.4 缠绕肋天线

这也是一类伞状天线，主要由中心轮毂、具有扁豆形截面的抛物线状的径向肋和反射网面组成，如图5所示。美国的ATS-6卫星即采用了9.1 m口径的该类型天线，其收纳率优势明显，但整体刚度较弱。

图5 ATS-6缠绕肋天线

1.4 静电成形薄膜反射面天线

薄膜反射面天线是近年来提出的一种新型反射面天线，美国和俄罗斯的一些研究机构率先研究了用镀铝聚酰亚胺薄膜制作反射面的技术，通过在聚酰亚胺薄膜材料上镀一层金属反射介质来达到反射电磁波的目的[34]。其工作原理主要是利用裙边索力、气体压力及静电力来维持对反射面面形精度的要求。薄膜反射面的成形方法根据外力的不同主要分为气压成形法[35]、吊装成形法[36-37]及静电拉伸成形法[38-40]。

薄膜反射面天线具有传统反射面无法替代的优势，具有精度高、重量超轻、收藏体积小、易于折叠和展开等特点，可应用于X、Ku或更高的波段，能够满足空间反射面天线对大口径、高精度及超轻重量等技术指标的要求，是未来空间反射面天线的发展方向之一。其中，静电成形薄膜反射面可展开天线由于其面密度小且能通过静电调整来实现主动形面控制而受到广泛关注。2004年，美国Northrop Grumman公司与SRS合作制造了5 m口径的静电成形薄膜反射面可展开天线的原理样机，如图6所示，验证了静电成形薄膜反射面可展开天线概念的可行性。

图6 静电成形薄膜反射面可展开天线

为对上述方法与途径有个较为全面的了解，特用图7来描述刚性、薄膜、网状及充气等4种类型天线反射器的适用范围。从图7可以看出：刚性反射面的工作频率最高，但口径被限制在5 m以内；网状天线可工作在(移动通信)S/L波段，口径可做到数十米量级；充气天线具有高收缩率的特点，然而工作频段最低；薄膜反射面天线是一种新思路，可工作到很高的频段，遗憾的是，目前口径受限制且还处于实验室阶段，但前景看好，有望突破高精度、大口径这一关键技术。

图7 四种类型天线反射器的适用范围

由图7可知，现存的反射面天线主要向更大规模和更高精度2个方面发展。研制同时满足大口径、高精度、轻质量要求的星载天线(图7中的目标区域)是未来一项巨大的挑战性课题。

2 星载阵列天线的研究现状

与反射面天线相比，阵列天线具有更多的设计自由度，如线阵、平面阵、共形阵等，因此能较好地实现高增益、窄波束、多目标、空分多址、自主控制等功能。其中，相控阵天线成为当今发展最快、应用潜力最大的一种天线形式，不仅可用于多目标跟踪和反导预警，可用在舰载、机载、星载武器系统和电子对抗系统中，还可应用在空间飞行器、卫星通信及空中交通管制等方面[41]。在航天大容量通信和微波遥感成像SAR(合成孔径雷达)的应用中，要求提供更宽的频带、更多的波束、更精细的波束地面分辨率，因此出现了大尺寸的平面有源相控阵天线。受运载设备尺寸限制，需采用折叠可展开结构。同时，考虑用户需求的多样性、研制周期、在轨重构能力(波束形状、波束位置、波束功率频率分配)及项目风险等因素，经常采用可展开、模块化的有源相控阵天线。

星载SAR通常采用平面相控阵天线，其口径尺寸一般在10～30 m2。如美国在轨的海洋卫星SEASAT上SAR天线口径为10.74 m × 2.16 m[42]；格鲁曼-雷声公司设计的工作在L波段、口径为60 m × 25 m的相控阵透镜结构，分为单轴和双轴卷开2种方案[24，43]；JPL研制的微带SAR阵列天线工程样机工作在L波段,口径为3.3 m × 1.0 m[44]；Ball公司研制的单轴可展开低轨SBR有源相控阵天线工程样机，口径达到13.8 m × 63.6 m[45]。由于运载火箭整流罩尺寸的限制，星载SAR天线通常被分成若干(4～8)块子阵面板，折叠收拢在星体周围。当卫星进入预定轨道后，通过伸展机构在卫星舱外将天线阵面展开。

为了满足全球战术作战要求，跟踪地面目标，美国提出了一种中轨卫星SBR有源透镜阵列天线，天线尺寸为3 m × 300 m，工作在X波段。该加固充气透镜天线包括透镜天线、太阳能阵列与热辐射器，分别安装在三棱柱体的3个面上，如图8所示。

图8 有源透镜阵列天线

英国剑桥大学研制了一种工作在L波段、带有线馈源阵的偏置抛物柱面SAR的原理样机[7]，实物模型如图9所示。所需的反射面形状是一个偏置的口径为7.9 m × 3.2 m的抛物柱面。其背部通过沿边缘分布的由柔性铰链连接的弯曲碳纤维复合材料薄板形成一个空心体，支撑前端形成连续的反射表面并保证形面精度。这一天线结构具有很高的刚度-质量比。

图9 抛物柱面SAR

3 星载微电子机械天线的研究现状

现代大容量、多功能、超宽带综合信息系统的迅速发展，使同一平台上搭载的信息子系统和天线的数量急剧增多。从降低系统的整体成本、减轻重量、减小平台雷达散射截面、实现良好的电磁兼容性等方面考虑，这种现象非常有害，已成为制约综合信息系统进一步发展的一大瓶颈。MEMS的出现使得以上问题在一定程度上得以解决，即将MEMS技术与射频技术相结合，出现了RF MEMS器件[46-51]和微电子机械天线[14-15]。

RF MEMS器件是用MEMS技术实现的、用于低频到红外以下频段信号的产生与处理的微型化和可集成的器件，主要用于射频收发前端电路。它包括MEMS谐振器/滤波器、混频器、移相器、T/R组件及微带传输线等，使天线在几何尺寸、功能、物理性能、成本等许多方面具有一般传统器件所无法比拟的优越性，从而可大大缩小系统体积，提高可靠性与寿命，降低功耗。如一个MEMS开关功耗仅为PIN二极管的千分之一，插损也仅约为PIN二极管的三分之一[52]。美国JPL研制的薄膜式T/R组件采用由MEMS开关组成的移相器，并集成了由MMIC 电路组成的低噪声放大器、驱动放大器及功率放大器等电路[53]。该薄膜式T/R组件的重量、体积优势明显，如S频段的T/R组件，采用传统技术的产品重量约为200 g，而薄膜T/R组件重量仅为20 g。

MEMS在天线中的应用将天线的性能与结构设计和工艺制造技术紧密结合在一起，可获得高性能、低成本的微电子机械天线，例如大型低成本天线、小型灵活天线系统、微电子机械可重构天线(相控阵天线、贴片与微带栅格天线)、微电子机械多频段天线等。

3.1 微电子机械相控阵天线

微电子机械天线由于具有成本低、重量轻、损耗小等特点，可成为很轻的大型相控阵天线，在多种相控阵雷达中均具有广阔的应用前景，如星载雷达、舰载雷达、地基移动防空武器、共形多波段MEMS天线阵、盒式结构的MEMS相控阵天线、MEMS栅格天线等。2006年 4月，在美国空军研究实验室(AFRL)的支持下，Radant技术公司完成了世界上首部 X波段MEMS电子扫描演示阵列[36]。如图10所示，该阵面利用25 000多个 RF MEMS开关组成透镜结构，孔径只有0.4 m2。经验证，该电子扫描阵列与传统有源电子扫描阵列相比，不仅天线性能得到了提高 (如降低损耗、增加带宽) ，而且在重量、功耗和成本等方面也大为改善。

图10 X波段MEMS电子扫描演示阵列

3.2 微电子机械可重构天线

可重构天线利用一个天线或天线阵，通过动态改变其物理结构或尺寸，使其具有多个天线的功能，相当于多个天线共用一个物理口径，其原理如图11所示。其结构紧凑，对于设计的各个频段有相似的辐射模式和增益，并能实现良好的电磁兼容，可应用于高频卫星通信系统、低频通信系统、电子情报雷达、SAR、地面移动目标识别等诸多领域[54]，能够解决系统小型化、低功耗、低成本、高性能、射频模块微型化等问题，并实现移动终端天线的小型化、内置化、多频段及智能化。

图11 可重构天线阵原理图

MEMS在可重构天线中的应用包括下面4种：

1)利用MEMS致动器改变天线的谐振长度或电抗值，实现频率可重构[14]；

2)利用MEMS开关改变天线阵相邻单元的电流相位，控制方向图波束，实现方向图可重构[55]；

3)利用微处理器根据反馈信号控制天线模板上元件之间的MEMS开关，动态改变天线的电结构，实现频率和方向图同时重构[56]；

4)在工作频率和辐射方向图不变的情况下，实现极化方向正交的两个极化方式之间的切换[57]、两个圆极化方式之间的切换[58-60]以及左、右旋圆极化及线极化之间的切换[61]。

美国国防高级研究计划局(DARPA)正在积极开展多种可重构相控阵天线的研究工作，包括电子可重构天线概念研究、动态自适应改变天线方向图和实现大于倍频程的带宽覆盖，研究成果计划应用于SAR、星载雷达、卫星通信等领域[15]。

4 我国大型星载可展开天线的研究现状

我国在空间天线领域的研究工作始于20世纪70年代，大口径天线的研究始于20世纪90年代，起步较晚。除网状反射面天线进展较快(如已有16 m口径的网状反射面天线在轨服役)外，目前的研究工作大多还处于理论研究和样机研制阶段。

4.1 固面可展开天线

国内对固面可展开天线的研究始于20世纪80年代，我国第1个复合材料固面天线应用于1986年发射的“东方红”二号OC星的椭圆切割抛物面，投影尺寸为0.62 m × 1.5 m，形面精度为0.3 mm (RMS)。目前处于运营状态的天线多为固面天线，如“东方红”二号、“东方红”三号、“风云”二号等卫星上都采用了类似结构的固面天线,但均为非可展结构。固面星载可展开天线的代表是某3 m口径的自回弹型固面天线原理样机，具有一定的应用前景。

4.2 充气式可展开天线

国内对充气式可展开天线的研究仍处于模型试验与样机研制阶段，分别研制了口径为3 m、5 m等系列充气反射面天线的原理样机，如图12和图13所示，并对充气可展开反射面天线的面形设计与精度测量进行了有意义的研究。

图12 某3 m口径充气天线样机试验

图13 某充气原理样机图

4.3 网状可展开天线

国内对网面可展开天线的研究较多，如某4.2 m口径(UHF波段)的伞状天线(图14)、6 m × 2.8 m口径(S波段)的构架式天线(图15)、4.2 m口径(S/Ka波段)的伞状天线原理样机(图16)、10 m口径的缠绕肋式可展开天线原理样机以及在轨服役的16 m口径(L-Ku波段)的周边桁架式可展开天线(图17)等。

图14 某4.2 m口径的径向肋天线

图15 某6 m × 2.8 m口径的构架式天线

图16 某4.2 m口径的伞状天线工程样机

图17 某16 m口径的周边桁架式天线原理样机

4.4 静电成形薄膜可展开天线

至于薄膜可展开天线，我国尚处于起步阶段。通过对薄膜反射面天线结构位移场与静电场耦合理论、成形技术、边界索与静电力协调控制技术的研究，已研制了0.55 m、2 m口径的静电成形薄膜可展开反射面天线原理样机，如图18(a)和图18(b)所示。

图18 某静电成形薄膜反射面天线原理样机

我国有关高校对可展开天线的关键技术及理论方法进行了深入而系统的研究，并取得了可喜的进展，如设计了四面体式、六棱柱式及环形桁架式等几种可展开天线，进行了空间展开结构的研究和模型试验研究。实际上，从20世纪80年代开始就开展了柔性结构的动力学分析，并进而于20世纪90年代进行了柔性结构的多体动力学分析与控制技术的研究[62-70]。在21世纪，在国家多个项目的支持下，系统开展了可展开天线机电耦合理论与方法研究，柔性多体展开动力学分析，索网反射面形面分析、设计与调整，以及两态(展开与收拢)动力优化等问题的研究[71-85]。通过相关技术研究并结合工程实践，研制了我国第1个集电磁、结构、热于一体的面向全系统与全性能的大型星载可展开天线综合设计软件平台[86]，填补了国内空白。

5 可展开天线设计理论与方法

近年来，国内外可展开天线技术的研究主要集中在柔性结构和展开机构设计、反射面形面分析与调整、电磁性能分析及可靠性分析等方面。由于未来发展对大口径可展开天线的需求越来越大，因此，在相关技术领域的探索还将继续深入开展。

5.1 机电热综合优化设计理论与方法

空间可展开天线具有非线性、大柔性、环境恶劣、展开可靠性要求高等特点，其结构优化设计问题属多学科、大规模、多目标设计问题，优化设计的结果将决定空间可展开天线结构的性能(如质量、收纳率、重复展开精度等)。在高精度大型星载可展开天线中，存在着结构位移场、电磁场及温度场之间的相互作用、相互影响，如图19所示，具体途径包括：1)结构参数与环境载荷的变化对结构位移场的影响(见图19中①)；2)位移场的变化对电磁场的影响(见图19中②)；3)温度场的改变对电子器件性能的影响以及进而对电磁场的影响(见图19中③)；4)温度场的变化对位移场的影响，以及进而对电磁场的影响(见图19中④)。这些最终都将影响可展开天线的电磁性能。为客观描述这一多物理场耦合问题，需建立相应的场耦合理论模型，即将描述结构位移场的弹性力学微分方程、描述电磁场的麦克斯韦尔方程及描述温度场的Navier-Stokes等方程关联起来，找到其内在联系。同时，在已开展的天线结构展开动力学、形面精度调整与保持、在轨热分析等研究基础上，研究适用于空间可展开天线的机电热综合分析与优化设计方法，解决空间可展开天线多学科之间、多目标之间的耦合与计算复杂性等问题。

图19 星载天线多场耦合问题

5.2 波束赋形反射面天线设计技术

有时需要星载天线产生的方向图不仅能够覆盖某特殊地形，而且是多波束的，这时就需要对卫星天线进行波束赋形设计，如图20所示。实现方法有2种：1)阵列馈源，即反射面的馈源为一个阵列，由该阵列产生赋形波束，它采用波束成形网络来控制每个单独馈源的激励系数[87]；2)反射面轮廓成形，即单馈源照射一个可赋形的反射面。该技术以一个抛物面(或椭圆面、双曲面等)为基础面，在其上叠加一个可调面，使被成形的波束覆盖所要求的特殊区域[88-90]。然而，由于星载天线的波束成形网络比较复杂，多馈源阵列会带来射频损耗，因此会增加整个系统的质量。同时，基于轮廓成形得到的赋形波束可能对应反射面表面的曲率变化大，在制造上难以实现。可喜的是，大型可展开天线反射面可采用索网结构，通过调整索的长度来实现整个(或局部)反射面的形状变化，从而使之成为可能。

图20 天线波束赋形设计示意图

5.3 性能测试技术

可展开天线工作在空间微(无)重力环境下，而制造与测试又只能在地面重力环境下进行。因此，如何消除地面重力的影响以及准确测量大口径星载天线的结构与电磁性能尤为重要。消除重力影响的思路有2个：1)通过改变天线测量环境来消除重力，如利用液体浮力、自由降落等；2)采用地面有重力环境模型试验与软件相结合的方案，对空间无重力环境下的性能进行预估。而后者又可分为2种: 1)基于对天线增益分析的天线表面误差估计方法[91]，即结合人为施加的形面变形量与对应的天线电性能的变化信息，通过Ruze公式估计天线表面的误差量；2)通过数学模型来补偿地面组装和调整带来的影响[92]，即在样机试验与数学模型间进行对比，进而给出修正策略与方法。

总之，未来可展开天线性能测试不能仅仅依靠测量设备，而应从“软”、“硬”结合的思路出发，研究有效、经济的测试技术。

5.4 评价方法

可展开天线的性能指标评价主要包括2个方面：1)为满足某种特定口径需求，通过对若干不同设计方案的性能及成本的对比(如性价比、工程可行性等方面)，评估其可行性；2)针对某些空间结构设计方案，基于收拢体积、展开驱动力及反射面精度等，评估其可扩展口径的物理极限。

众所周知，如何保证在地面设计、制造的天线到太空后可满足要求，一直是星载天线研制的目标。基于可展开天线测试技术和性能预测方法的研究，可展开天线性能的评价应包括正确性评价与成效性评价。正确性评价是指在给定结构参数条件下,一方面通过设计模型与方法计算出结构性能，另一方面做出实物并测出相应的性能，进而比较两者是否相同或误差是否在预计范围之内。至于成效性评价，又可从2点加以衡量：1)对相同的结构参数，看用与不用所提出的模型与方法，给天线的电性能与结构性能带来多少好处；2)对相同的电性能与结构性能要求，看用与不用所提出的模型与方法，可使机械结构误差放松的程度。

5.5 网状天线的无源交调

在通信、侦察系统中，在多载波大功率信号条件下，由无源部件本身存在的非线性引起的互调效应，称为无源交调(Passive Inter-Modulation，PIM)。PIM主要来自接触非线性和材料非线性。前者指由具有非线性电流与电压行为的接触所引起的干扰，如波导法兰盘、铆钉结合处的松动等。后者则指由电磁非线性材料所带来的干扰，如铁磁材料、碳纤维材料等。

随着对通信系统性能指标要求的不断提高以及因无线通信应用不断增加而带来频谱资源的日益紧张， PIM在通信领域越来越受到重视。因此必须对其进行无源交调分析，检查是否存在发射信号的交调谐波位于接收频段内的现象。如果在接收频段内存在高能量谐波且没有采取必要措施予以消除，就很可能破坏卫星接收器或使其振荡，从而引起卫星通信失败。网状可展开天线反射面由金属丝网构成(如图21所示)，其编制形式复杂，由金属电镀层不均匀、工艺处理不一致、金属丝间存在的接触摩擦行为、金属材料本身的磁滞特性等导致的非线性问题等，都会导致天线产生较高的无源交调。通信信号输入功率每增加1 dB，无源互调就会增加3 dB[93]。然而，工程上目前还没有可用的完整的数学模型来进行PIM分析与设计，只能依靠预防措施、经验和测试。因而，基于PIM产生机理的理论建模研究是今后丝网电性能分析的主要基础问题之一。

图21 金属丝网结构Surface-patch模型

为定量分析索网反射面的电性能，文献[88]提出了如图21所示的近似分析模型与计算方法。图中描述了上下两类较为典型的网面编织方式，每一类又分别给出了实际网面与一个小窗口图(左边)、窗口内网的周期性图(中间)以及中间图中粗实线所示的放大图(右边)。

5.6 新材料的应用

针对星载天线大口径、高精度、轻质量的发展趋势，新材料的研发与应用主要集中在轻质材料与智能材料两方面。为减轻星载天线质量，急待开发超轻、高模量、高韧性的结构材料。碳纳米管、石墨烯等新型材料的机械性能优异，且具有优良的介电常数、电导率及导热性能。点阵材料是一种由金属发泡成型和金属叠加成型发展而来的新型材料，材料内部具有较大的孔隙率，导热性能好，适用于空间大型结构。

智能材料与结构技术相结合，可使结构不仅具有普通材料所具备的承载功能，还具备特殊的感知与响应功能。在星载天线上的应用主要包括：1)基于智能传感材料来感知内外部环境信息，智能作动器用来改变结构的物理性质和形状，实现天线结构的自诊断、自适应或自修复等功能；2)基于主动控制策略实现反射面形状局部调整，实现波束赋形。记忆合金材料具有能量密度高、变形大的优点，但其响应速度较慢，受外界温度影响较大。而电活性聚合物(Electroactive Polymer)不仅具有变形大(回复应变可达380%)、响应速度快的特点，而且环境适应性也强，是智能材料的发展方向之一。

6 下一代大型星载可展开天线的发展趋势

下一代可展开天线的发展趋势是高频通信的大口径高精度天线[92，94-95]。现有的可展开天线在向大口径扩展时受到了一定的局限，包括技术上的不可行或成本太高。从目前国内外的研究和应用情况来看，大型可展开天线有以下几大发展趋势。

6.1 可展开构架式反射面天线

构架式可展开天线应用模块化的设计思路，通过选取合适的模块大小，容易在展开态的口径、面形精度(刚度)与收拢态的高度、直径等两大方面取得平衡。因为这种结构本身所具有的拓扑性能可使反射面容易以蜂窝结构的形式进行扩展，满足对下一代空间大型反射面天线大口径、高精度、轻质量的要求。现在国外几十米甚至百米量级的可展开天线的设计概念就采用了多蜂窝单元的构架式可展开形式。如美国通用动力

公司设计的构架式网状可展开天线，就是由多个可组合的四面体模块组成的，其反射面均方根误差(rms)可达1.5 mm，频率范围可达20～30 GHz[96]。这种天线的另一代表是日本的工程试验卫星ETS-8，其口径为17 m × 19 m[97]。

6.2 充气式可展开反射面天线

充气反射面天线的明显优点是收缩比大，缺点是难以实现高精度，且充气后若遇空间碎片冲击，表面易遭破坏，致使卫星报废。通过充气满足形状要求后，若通过光照使材料硬化，就可甩掉压缩机。这样，这一问题就转化成了新材料的研制问题，故充气硬化材料已成为当前的一个研究热点。例如，NASA正在研制静止轨道上的下一代气象雷达(NEXRAD)，其天线口径为35 m，工作在Ka频段(35 GHz)[98]。设计概念为一个充气硬化可展开天线(图22)，反射体采用充气硬化(RI)形状记忆聚合物(SMP)。这种天线结合了网状天线和充气天线的优点，不过值得注意的是，当天线口径进一步增大时，这种SMP材料需要很大的热能才能展开。所以形状记忆充气硬化复合材料是这类大型、轻质可展开天线的一个关键使能技术。

图22 SMP反射体可展开天线方案

6.3 空间组装大型天线

为研制更大口径的空间天线，可在地面将天线模块化，而后送到空间，再利用机器人(或手)组装成大口径天线。JPL实验室曾于2007年提出了一种基于空间组装的自动装配光学望远镜概念，反射面口径达150 m，如图23所示[99]。基于我国“天宫一号”空间站，此类天线将具有不可估量的发展潜力，其关键技术涉及空间机器人(或手)的控制和空间装配的虚拟现实2个领域。需重点研究的问题包括具备沉浸感的虚拟现实环境下的装配建模、基于几何约束的操作定位、利用虚拟现实的交互式装配规划与评价以及装配过程中的人机因素分析等技术。

图23 空间装配光学望远镜

6.4 智能阵列天线

随着空间技术的发展，由于卫星通信抗干扰、航天微波成像雷达(SAR)、波束在轨重构及快捷变、多目标及波束扫描等的应用需求，相控阵天线逐渐应用于航天领域。将天线阵列与信号处理、MEMS技术相结合可望形成一类新型可展开智能阵列天线，通过信号处理技术来控制并改善天线阵性能，获取最大信息量，这种基于自适应阵列技术的航天智能天线将在航天应用领域发挥更大的作用。图24为由法国提出的用于移动通信卫星的可展开平面相控阵贴片智能天线概念(20～40 m)。它工作在L/S波段，通过软件处理可实现对波束及其指向的自主控制，通过机械调整可实现表面误差的自动补偿[100]。

图24 平面相控阵贴片智能天线

7 结束语

我们正处在一个科技事业大发展的时代，向海洋尤其是深海、空间特别是深空进军是大势所趋，就像15世纪的地理大发现一样，宇宙中蕴藏着无限的生机与财富供人类去发现。像以哥伦布1492年发现美洲大陆、麦哲伦1522年完成环球航行为代表的大航海时代，极大地带动并促进了世界造船、机械、导航等技术的发展一样，现在正进入的大宇航时代，也必将带动和促进各种航天技术的发展。大口径、高精度、轻质量、大收纳比的星载天线设计与制造技术就是其中一项急需而又十分关键的技术。我国在该领域虽说比西方发达国家晚启动了几十年，但进步快，口径达10多米的天线已在空间服役，20～30 m的天线正在研制之中，新概念、新体制天线的研制进展顺利，正逐步实现从跟跑到并跑的升级，可望在不久的将来成为领跑者。

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专 家 介 绍

段宝岩 (1955-),男，中国工程院院士，西安电子科技大学教授，博士生导师，西安电子科技大学校长(2002～2012)，国家973首席科学家，全国天线产业联盟主席，国际工程技术学会会士(IET Fellow)，教育部科技委国防学部、先进制造技术学部委员，机械学科教指委副主任，工信部电子科技委委员，担任《电子机械工程》与《电子学报》等10个国内外学术期刊编委。1977年考入西北电讯工程学院(原西军电，现西安电子科技大学)，先后获工学学士、硕士及博士学位，1991～1994年在英国利物浦大学从事博士后研究。

长期从事电子机械工程的教学与科研工作，开辟了我国电子装备机电耦合研究的新领域。系统地建立了电子装备电磁场、结构位移场、温度场之间的场耦合理论模型，揭示了机械结构因素对电性能的影响机理，提出了基于场耦合理论模型与影响机理的机电耦合设计理论与方法。成果已成功应用于探月工程、神舟飞船工程、主力战舰及500 m口径大射电望远镜等国家重大工程与装备中，2016年11月中央电视台《大家》栏目以“小科学 大视野”为题作了专题报道。已发表被SCI/EI检索的论文200余篇，在国际会议上做特邀报告8次，著书5部，授权发明专利30余项。曾获全国五一劳动奖章(2003)、全国留学回国人员成就奖(2003)、香港何梁何利科学与技术成果奖(2012)、国家科技进步二等奖3项以及省部级科技进步一等奖4项。曾被授予全国师德先进个人(2004)、全国劳动模范(2005)、全国优秀科技工作者(2011)等称号，入选2009年度科学中国人。

The State-of-the-art and Development Trend of LargeSpace-borne Deployable Antenna

DUAN Bao-yan

(ResearchInstituteonMechatronics,XidianUniversity,Xi′an710071,China)

The state-of-the-art and development trend of the large space-borne deployable antennas are presented in this paper. Almost all kinds of deployable antennas are included such as the mesh reflector with cable net, the membrane reflector, the antenna with micro-electronic-mechanical structures (MEMS), the solid reflector, the inflatable antenna and so on. The model establishment & analysis and design methods are described, such as digital modeling, form finding, analysis of flexible structures, deployment procedure control, reliability analysis of deployment process, thermo analysis and control in the orbit, measurement and adjustment, the integration with mechanical, electromagnetic and thermo technologies, and the computer software platform for space-borne antenna analysis and design is also introduced, particularly for the mesh reflector with cable net. In addition, some other deployable antennas under development and in service in space are introduced briefly.

space-borne deployable antenna; mesh antenna with cable net; membrane antenna; antenna with MEMS; inflatable antenna; multi-field coupling with mechanical, electromagnetic and thermo techniques; the computer software platform for space-borne antenna

2016-10-09

国家自然科学基金资助项目(51490660，51490661)

V443+.4

A

1008-5300(2017)01-0001-14