空间大型星载抛物面天线研究进展

陈传志，董家宇，陈金宝，林飞，蒋松，刘天明

1. 南京航空航天大学 航天学院，南京 210016 2. 深空星表探测机构技术工信部重点实验室，南京 210016 3. 上海宇航系统工程研究所，上海 200000

星载抛物面天线作为电子侦查、卫星通信、载人航天以及深空探测等重大航天工程的关键设备之一，主要应用于空间设备间及对地无线通信，在对空间设备的命令传递和信息反馈以及对地监控等方面起着决定性作用。随着信息面向多维发展的趋势，地、空、天一体化信息网的组建成为必然，通信能力在很大程度上决定着信息网的发展程度。大口径、多功能、多波段、高增益等成为天线的发展趋势，开展相关研究对我国乃至世界的航天科技和通信技术的发展均具有重要意义[1-3]。

为满足大口径天线在轨应用，目前主要通过可展开技术实现，已取得众多研究成果，为了全面了解星载抛物面天线的研究现状，本文对目前已有研究成果进行梳理，重点介绍了可展开天线的相关研究。由于中国对航天领域的大力投入，近年来在大型星载抛物面天线方面也取得了一些重要成果，为此本文对具有代表性的星载抛物面天线进行了介绍，重点论述了星载抛物球面天线和星载抛物柱面天线的研究现状、相关技术及其发展趋势。

1 国外大型星载抛物面天线研究现状

星载可展开抛物面天线由于其具有运载过程中收拢、在轨使用时展开的特性，在目前运载能力的限制下能够满足大口径天线在轨工作的目的，从而带来更高收益和更强指向性，是目前使用频率最高的天线类型[4]，经过多年的研究，已由单一形式发展为多种类型，用于满足不同需求。星载可展开抛物面天线根据其结构形式可分为3大类：刚性星载可展开抛物面天线、网状星载可展开抛物面天线以及充气式星载可展开抛物面天线[5-8]。

1.1 刚性星载可展开抛物面天线

刚性星载可展开抛物面天线的主要特征是其反射面由多块刚性曲板组成[9]，曲板材料多选用金属或镀有金属反射涂层的碳纤维增强塑料(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)，曲板间采用铰链连接，通过铰链驱动天线完成展开任务[10-11]。由于采用刚性板制成，此类天线具有高反射精度，主要应用于微波遥感领域，但不可避免地具有结构笨重、质量大、收纳比低等缺陷。刚性星载可展开抛物面天线主要有以下几种类型。

1.1.1 Sunflower及其改进型

Sunflower可展天线由美国TRW公司研制[12]，如图1[13]所示。该天线由19块曲面板组成，口径为10 m的Sunflower天线，其形面精度高达0.13 mm，但口径为4.9 m的Sunflower天线收拢直径为2.15 m，收纳比低[14]。日本Toshiba/NASDA公司研制出一款口径为15 m的改进型Sunflower可展天线，如图2[15]所示，改进型天线收拢后直径4.4 m，高度6.6 m，收纳比有所提高。

1.1.2 卡塞格伦天线

卡塞格伦天线(Deployable Antenna Integral System)由Dornier公司与欧洲航天局(European Apace Agency, ESA)联合研制，结构如图3[16]所示，每块刚性曲板背面设计有桁架支撑结构。该公司所研制的口径8 m的DAISY天线工程样机,形面精度为8 μm，收拢时刚性曲面围绕在中心毂周围，收拢后直径为2.9 m，高度为4.1 m。

1.1.3 MEA可展天线

MEA可展天线由Dornier公司与ESA共同研制，结构如图4[17]所示，天线收拢状态与DAISY相似，但背面复杂桁架结构由连杆与多自由度铰链代替，降低了面密度。此天线通过各刚性曲板间的连杆控制可实现各刚性曲板展开同步性。口径为4.7 m的MEA可展天线，形面精度为0.2 mm，收拢后直径为1.7 m，高度为2.4 m，收纳比较DAISY有所提升[17]。

1.1.4 SSDA

SSDA(Solid Surface Deployable Antenna)由剑桥大学可展结构实验室研制而成，结构如图5[18]所示。该天线由多块刚性曲板组成，每块刚性曲板又由多块板面通过旋转机构拼接而成。此类天线具有较高收纳比，例如直径为1.5 m 的SSDA，完全收拢后直径为0.56 m，高度为0.81 m。若天线中组成每块刚性曲面的板面数量增加，收纳尺寸将更小，但结构复杂，质量较大。

1.2 网状星载可展开抛物面天线

网状星载可展开抛物面天线主要特征是其反射面为金属丝网构成，天线整体为多柔体系统。由于网状天线较刚性天线质量轻，收纳比高，精度满足多数航天任务要求，而且整体质量不与天线口径的增加呈线性关系，易于实现大口径，是目前国内外航天界应用最广泛的天线类型之一。根据金属丝网支撑结构的不同，网状星载可展开抛物面天线可分为以下多种形式。

1.2.1 径向肋可展天线

RRA(Rigid-Rib Antenna)由Harris公司研制，外形与雨伞相似[19-22]，如图6[21]所示。天线以抛物线形纤维肋为支撑机构，以镀金钼网为反射面材料，由于纤维肋无法折叠，此类天线在高度方面不具备较高收纳比，例如直径为5 m的RRA，完全收拢后直径为0.9 m，高度为2.7 m。而后该公司将纤维肋研制成Y形，如图7[1]所示，使天线在收拢状态时纤维肋能够折叠，提高了高度方面的收纳比。径向肋天线结构简单，可靠性高，但收纳比小，形面精度较低，目前在立方体星等小卫星上应用较多[23-24]。

1.2.2 缠绕肋可展天线

WRA(Wrapped Rib Deployable Antenna)由美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)研制，外形与RRA相似，不同之处主要在于收展方式。WRA收拢时扁豆形纤维肋按照顺序缠绕在中心毂上，通过绳索固定；需要展开时，绳索被切断，纤维肋在自身弹性势能的作用下恢复至初始状态，完成展开任务。此类天线曾应用于美国ATS-6卫星以及Magnum侦察卫星，图8[25]为美国ATS-6卫星所携带的WRA，该天线由48根纤维肋组成，展开口径为9.1 m，收拢后直径为2 m，高度为0.45 m。WRA

具有较高的收纳比，国外已开展600 m大口径缠绕肋天线的设计[26]，但天线整体刚度较低，口径过大将导致纤维肋刚度下降，天线形面精度难以保证，且纤维肋弹性势能难以控制，展开过程中振动较大。

1.2.3 环柱可展天线

HCA(Hoop/Column Antenna)由NASA Langley研究院和Harris公司共同研制。天线展开时，可伸缩中心柱沿轴线延伸，随后反射面向外展开，最后中心柱底端的扩张装置工作，使天线处于张紧状态[27-28]，展开过程如图9[27]所示。曾在轨工作的HCA口径为9.5 m，总质量为291 kg，收拢状态直径为0.9 m，高度2.7 m。HCA具有较高的收纳比，但拉索较多，整体结构和展开过程复杂，可靠性较低，形面精度较低，造价较高。

1.2.4 张力杆可展天线

TTA(Tension Truss Antenna)的设计概念由Miura提出，即采用多个三角形平面单元支撑拟合抛物反射面，如图10(a)所示。三角形平面单元由柔性索组成，便于折叠收拢，天线可通过减小三角形单元尺寸、增加三角形单元数目达到提高天线形面精度的目的[29-32]。HALCA卫星所用TTA收展情况如图10[29]所示，天线口径为8 m，总质量为246 kg。TTA形面精度和收纳比都较高，但质量较大，且由于采用基本单元拟合，在进行反射面精度调整时，需要同时修改多个相关单元，工作量较大，且存在无法达到期望精度的情况。

1.2.5 自回弹式天线

SBA(Spring-Back Antenna)由休斯航空与通讯公司研制，天线结构如图11[33]所示，该天线无活动关节，仅由石墨反射网和加强边缘箍组成。收拢时，天线边缘的拉索将边缘箍拉紧在一起；展开时，拉索被剪断，天线在边缘箍的弹性势能作用下展开。SBA曾在MSAT-1卫星上使用，其展开尺寸6.8 m×5.25 m，质量为20 kg。自回弹式天线质量较轻，可靠性高，但收纳比低，展开过程不可控。

1.2.6 构架式可展天线

构架式可展天线由四面体[34-35]、四棱锥[36]、六棱台[37-38]及六棱柱[39]等基本单元组成，采用模块化设计方式，通过改变单元的尺寸和数量可较为方便地实现天线口径尺寸、形面精度以及收拢尺寸等方面的调整，应用范围较广。“和平号”空间站以及ETS-Ⅷ(Engineering Test Satellite Ⅷ)卫星分别采用了以四面体和六棱柱为基本单元的构架式可展天线[40-42]，如图12[37,41]所示。构架式天线收纳比较高，展开后具有较高的刚度和稳定性，但支撑系统复杂，天线质量较大，难以扩展至更大尺寸。

1.2.7 环形可展天线

环形可展天线的支撑系统位于周边，内侧由索网系统组成，具体可分为AstroMesh、Harris Hoop以及EGS等形式。

AstroMesh也称周边桁架式可展天线，由North Grumman Astro Aerospace公司研制，主要由环形桁架系统、前后张力网、纵向拉索以及金属反射网组成。2000年Thuraya卫星搭载了一架口径12.25 m、质量55 kg的AstroMesh天线，结构如图13[43]所示，该天线收拢后直径为1.3 m，高度为3.8 m。后续研究团队基于该天线形式研制了AstroMesh二代和三代[44]，进一步提高了天线收纳比。此类天线收纳比较高，且整体质量与天线口径不成比例增长，适用范围广，在超大口径天线方面也具有较大优势，目前百米级AstroMesh天线已处于试验阶段，但张力网控制困难导致形面精度难以达到更高，口径增大后环形桁架刚度下降明显。

Harris Hoop可展天线由大小不一的2层环状支撑系统和正多边形内环反射网面组成，结构如图14[45]所示，在SkyTerra-1以及MSV等卫星有所应用。Harris Hoop天线在口径方面具有比AstroMesh更大的发展空间，但也存在随着口径增大所带来的的结构刚度下降、精度难以控制等问题。

EGS天线是俄罗斯Georgian公司研制的剪叉式可展天线。该天线由可展剪叉式环形桁架支撑系统和由中心毂到环形桁架的多条张拉反射膜组成[46-47]，该天线曾在“和平号”空间站进行展开测试，所测天线如图15[46]所示，天线口径为5.6 m×6.4 m，质量为35 kg，收拢后直径为0.6 m，高度为1 m。由于采用中心和边缘多点进行支撑固定，EGS天线具有较高的刚度、收纳比高、整体质量较小，但反射面精度不高、面密度较大、结构复杂。

1.3 充气可展开天线

1980年ESA开展充气空间硬化结构相关技术的研究，于1989年完成充气天线地面测试(图16[48])，验证了充气可展天线的可行性[48-52]。此类天线主要由经过处理的柔性膜材料组成，通过充气使天线膨胀展开至所需形状，在阳光照射下

膜面硬化固定，防止漏气等因素导致天线精度降低。1996年NASA进行了直径14 m的充气天线展开试验，如图17[37]所示，标志着充气天线在空间应用的开始。目前充气可展天线主要分为IEA、ISRS、ARISE等形式，与固面、网面天线相比，充气可展天线具有口径尺寸大、质量轻、收纳比更高、制造成本低等优点，但形面精度较低，在轨充气困难。

为对比不同类型天线各类指标的优劣程度，结合文献[19]相关数据，本文对各类天线的部分参数进行对比，结果如图18所示。经对比可得：在展开口径和收纳比方面，充气天线展开口径最大，收纳比最高，网状天线次之，刚性天线最差。在质量和面密度方面，充气天线最轻，面密度最小，网状天线次之，刚性天线最重，面密度最大。

结合各天线发展现状与参数对比情况可得，刚性天线由于反射面加工精度高，适用于工作频率高、口径要求小的空间任务；网状天线在口径、质量和收纳比等指标中均有较好表现，综合性能最好，且网状天线具有多种形式，为目前应用范围最广、研究价值最高的天线形式；充气式天线的研究起步较晚，目前适用于口径要求大、形面精度要求低的卫星，因其质量轻、口径大、收纳比高等优势，是应用前景较好的天线类型之一。

2 国内大型星载抛物面天线研究现状

相比于国外，中国对空间天线的研究起步较晚，于20世纪70年代开始相关技术研究，在20世纪90年代着手大口径天线的相关研究，目前已有多种类型的天线成功应用于在轨通信任务。

2.1 刚性星载抛物面天线

中国于20世纪80年代开展对刚性星载抛物面天线的研究，1986年首次应用于“东方红”二号通信卫星，该天线采用复合材料制成，口径1.5 m×0.6 m，形面精度为0.3 mm，如图19[53]所示。2018年中国首颗高通量通信卫星实践十三号正式投入使用，作为中国Ka频段宽带技术实际应用的首发星，卫星上搭载了多架高精度刚性抛物球面天线，其通信总容量超过了中国已研制发射的通信卫星容量总和，标志着中国卫星通信进入高通量时代，如图20[54]所示。此外，“东方红”三号、“东方红”四号、“海洋”二号、“风云”二号、亚太6C、中星等众多卫星均采用了刚性抛物面天线。

2.2 网状星载抛物面天线

由于网状天线具有收纳比高、质量小、形式多样等优势，一直是国外研究领域的重要方向，国内对此也具有较多的研究并成功应用于空间探测任务。其代表之一为环境一号C星，卫星及所携带的构架式可展天线如图21[55]所示，此天线工作波段为S波段，采用多波束馈源抛物面可形成9个条带波束，通过大功率电子开关的控制可形成San SAR波束，满足卫星宽幅测绘的需求[56]。2015年9月，中国通信技术试验系列卫星的首颗星—通信技术试验卫星一号成功发射，卫星上携带的网状可展天线在轨顺利展开，成为中国空间结构技术发展的一大里程碑，卫星形式及天线展开模拟如图22[57]所示，该天线采用周边桁架式可展结构，展开口径为15.6 m，工作频段为Ka频段。2016年8月，中国成功发射了“天通一号01星”，这颗卫星移动通信系统首发星标志着中国进入到了卫星移动通信的手机时代，填补了卫星电话领域的空白，卫星上搭载了中国自主研制的周边桁架式网状可展天线，天线具备低PIM(Passive Intermodulation)功能，实现了强信号传输功能，使中国在地球同步轨道移动通信领域达到世界领先水平[58]。2018年5月，中国嫦娥四号中继星成功发射，其上搭载了固网结合的径向肋可展天线，天线结构如图23[59]所示，口径为4.2 m，增益达45 dB，到达预定轨道后锁定机构解锁，完成天线展开任务，该天线是目前国内外应用于深空探测任务中口径最大的通讯天线，也是中国此类天线首次在轨应用。此外，“虹云”工程技术验证卫星等诸多卫星也使用了网状抛物面天线。

2.3 充气星载抛物面天线

目前中国对充气星载抛物面天线的研究还处于理论分析及模型试验阶段。浙江大学研制了口径为2 m的充气式可展天线模型，天线反射面焦距2.5 m，天线结构如图24(a)所示。上海交通大学与航天805研究所共同研制了口径分别为1 m和3 m的充气式可展天线模型，并对天线精度、型面设计等方面进行了有意义的研究[60-61]，天线结构如图24(b)、图24(c)所示。

3 抛物柱面天线研究进展

人类对于天线的研究开始于20世纪50年代，经过半个多世纪的发展，已研制出以抛物球面为基本形状的多种单波束天线。随着空间结构技术、材料科学等学科的快速发展，太空电磁环境越来越复杂，单波束天线难以达到更高精度和增益，无法应用于多频段传递；具有强方向性、宽刈幅、高增益、易于光束自动扫描以及可多频段信号共用等优势的抛物柱面天线越来越受到人们的重视，成为目前天线研究领域的一大热点[62]。

国外针对抛物柱面天线的研究起始于20世纪60年代[63]，美国俄亥俄州立大学[64]和伊利诺伊大学[65]率先进行了相关研究，意大利Bologona射电望远镜[66]、法国Nancay射电望远镜[67]以及印度Ooty天线[68]等天线验证了抛物柱面天线在无线通信领域的优势，相关研究成果为星载抛物柱面天线的发展奠定了基础。

3.1 薄膜抛物柱面天线

20世纪末，为了开展热带降雨量的探测任务(Tropical Rainfall Measuring Mission, TRMM)以及全球大气科学的研究，NASA提出了大型可展开薄膜天线、电子扫描双频、双极化馈电阵和实时数字脉冲压缩相结合的综合观测系统的概念，并在第二代降水测量雷达上搭载抛物柱面天线[69-71]，首次将大型抛物柱面天线发射升空。天线如图25(a)[69]所示，口径为5.3 m，质量为350 kg，反射面采用薄膜材料，工作频段为Ka和Ku，主要用于热带降雨监测。天线通过刚性链杆扭簧进行收展，收拢时，刚性链杆与薄膜缠绕于天线芯轴并锁定；展开时，锁定装置解锁，薄膜在扭簧的作用下张开，并在完全张开时锁定，完成天线展开任务。该天线能以双频段、双极化方式工作，具有较高的刚度和较宽的扫描范围。为验证此类天线的性能，众多学者[72-75]通过对薄膜天线模型进行形面精度测试和仿真分析，得出此类天线具有达到更高精度的可能性，发展前景较好，影响其形面精度的主要因素在于反射面轴向褶皱。中国中电三十八所也在该领域有相关研究，天线形式与NASA相似，相关参数如图25(b)[76]所示。

3.2 “空心固体”抛物柱面天线

欧洲宇航防务集团(EADS Astrium)提出了一种用于地球探测任务的新型可展开概念，研制出基于“空心固体”结构概念的抛物柱面天线，用于小型卫星执行低成本地球观测任务。天线结构如图26[77]所示，主体为箱体形状，由4块碳纤维增强塑料构成并通过自锁铰链固定，采用“中空”形式，质量较轻。天线展开时板间相互支撑，具有较高的刚度，箱体前侧被制成具有频段反射能力的抛物柱形，展开时弧长为7.9 m，宽为3.2 m，表面精度为3.8 mm RMS(Root Mean Square)，收拢体积仅为展开体积的1/16，具有较大的发展空间。

3.3 刚性抛物柱面天线

为开展气溶胶-云-生态系统(Aerosol-Cloud-Ecosystem, ACE)卫星探测任务，NASA研制了一种新型的双频共用孔径Ka/W频段天线，结构如图27[78]所示。该天线由一个紧凑的卡塞格伦反射器/反射阵列(带固定指向W波段馈源)和一个横向扫描Ka波段的有源电子扫描阵列组成，通过与传统云卫星天线以及双反射天线进行双频能力和尺寸、质量等方面的对比，得出此天线在实现双频通信能力的前提下尺寸和质量最小。最后为从空间观测土壤水分和海洋盐度，NASA研制了用于接收L波段的刚性抛物柱面天线，结构如图28[79]所示，天线尺寸3 m×4.5 m，采用数字波束形成技术，使用贴片天线提高了天线星载应用的质量/尺寸优势。为验证该天线的反射性能，研究人员通过分析不同天线平面角下局部入射角与天线场角的关系，优化了天线安装位置；通过仿真试验测试了天线双极化馈电性能，验证了此天线设计的合理性。

通过制造原理样机，进行机载试验对天线进行了测试优化。

为监测地球泥石流灾害和森林覆盖面积，日本研制了ANSARO(Advanced Satellite with New system Architecture for Observation)以及ANSARO-2卫星[80-81]，其中ANSARO-2卫星采用SAR地球成像技术，搭载口径为4.5 m×2.3 m的抛物柱面天线，工作波段为X频段，于2018年1月 成功发射，天线结构如图29[81]所示。

中国针对全球水循环系统监测任务(Water Cycle Observation Mission, WCOM)研制了一种主被动联合微波成像仪(Microwave Imager Combined Active and Passive, MICAP)，MICAP是一套主被动组合仪表，包括L/C/K波段一维微波干涉辐射计和L波段数字波束形成散射计，共用一个抛物柱面反射天线，天线结构如图30(a)所示，口径为3 m×5.5 m，其收拢及展开形式如图30(b) 所示。MICAP实现了L、C、K波段辐射计和L波段散射计共用反射面天线的目的，大大降低了卫星质量和发射成本[82]。

由于抛物柱面天线广阔的应用前景，国内部分高校也展开了相关研究。南京航空航天大学研制了一种大型星载可展抛物柱面天线[83-84]，该天线采用构架式可展结构，收纳比12∶1，有效反射面积144 m2，天线结构如图31[84]所示。经地面展开试验得出该天线自展性能良好，多次折展形面误差满足要求，验证了天线结构设计的可靠性。

西安电子科技大学总结现有可展机构的工作原理，设计出一种以平面八杆机构为基本单元的抛物柱面可展天线，通过仿真软件对其进行了优化和分析，得到较为理想的天线结构，天线展开仿真如图32[85]所示。

北京航空航天大学提出并设计了一种可展收抛物柱面天线，如图33[86]所示。该天线通过组合多个剪式机构单元构成了轴向收展机构，再与径向收展机构配合共同组成了天线网面支撑机构，在该支撑机构作用下天线可收拢折叠成一束，具有较高的收纳比，通过仿真试验验证了所设计结构的可行性。

结合已有资料，对抛物球面天线和抛物柱面天线数据进行整理，结果如表1所示。由表1可知，抛物球面天线工作频率单一，口径较抛物柱面天线小，部分天线收纳比与可展抛物柱面天线相比较差；抛物柱面天线的相关研究起步较晚，可参考数据较少，目前主要应用于地球环境监测及相关领域，口径尺寸有往更大方向发展的趋势，材料及折叠技术成为其向大口径、轻量化发展的主要障碍。由于采用线馈源，易于实现多频段共用，在目前日益复杂的通信环境中优势明显，具有广阔的应用前景。

表1 天线主要数据对比Table 1 Comparison of main data of antennas

续表

4 大型星载抛物面天线设计技术及方法

由于相关科技的快速发展，对星载抛物面天线提出了口径更大、增益更高等要求，近年来国内外对星载抛物面天线的相关研究主要集中在可展机构设计、展开动力学分析、天线性能测试以及天线精度优化等方面，智能优化算法、新型建模方法等技术的应用使星载抛物面天线发展更加迅速。

4.1 天线可展机构设计技术

随着人类对空间探索步伐的加快，地面与卫星间的信息传递更加遥远、复杂，对天线增益提出了更高的要求，增大天线口径成为提高星载抛物面天线通信能力最直接有效的方法之一，但由于运载能力和运载空间的限制，天线均以运载时收拢、在轨时展开的方式实现大型天线在轨工作的目的。研制高收展比、高刚度支撑机构成为目前有限运载能力条件下增大天线口径的重要技术之一。Shi等[87]基于图论，以环形桁架式可展天线为基础，提出了一种概念构型综合和拓扑结构分析相结合的方法，设计出一种可折叠成直线的双层环形桁架可展天线的折展单元，通过图元支撑、加权邻接矩阵方法得出折展单元的同步方法，并通过运动学仿真和3D打印折展模型的方法进行试验，证明了设计方法和所设计折展单元的合理性。Han等[88-89]针对目前环形桁架天线在增大展开直径时所带来的桁架支撑结构刚度下降的现象，通过对普通环形桁架式可展天线进行结构分析，设计了一种如图34[89]所示的剪式双环桁架可展机构，该机构由于可将反射面部署在外环，增大了桁架利用率，文章通过螺旋定理和图论等方法进行了机构模块的自由度分析和运动学特性分析，基于牛顿-欧拉方程和虚功原理建立了剪刀双环桁架展开机构的动力学模型，最后通过MATLAB软件和Adams软件对所设计的天线进行了展开仿真，验证了前期理论分析的正确性。Liu等[90]针对运载能力不足导致天线质量及体积受到限制的现象，提出基于结构设计公式和可展开天线结构的动力学模型的一种具有最大刚度/质量比动态约束的结构优化方法，与遗传优化算法相结合，研制出一种新型的带径向肋和张拉索的大型电缆肋展开天线结构，通过样机研制对索肋张拉展开机构的可行性和动力特性进行了验证。

4.2 天线展开动力学分析

由于空间环境和信息传输的需求使得大口径、超大口径天线技术发展迅速，使其在信号传输精度和广度等方面得到明显提升，但也不可避免地带来一系列问题，例如口径增大将导致天线刚度下降明显、展开机构自由度增加、形面精度难以保证等，这些问题均需要通过理论分析和试验进行解决。由于目前地面微重力、真空试验平台还不成熟，故对天线进行动力学分析已逐渐成为目前最快捷、成本最低且必须的试验手段。Mariyam和Chen[91]对所设计的六角形模块化天线进行了动力学分析，运用闭环方程和齐次方程进行了展开轨迹分析，通过基于虚拟连杆的推导公式进行了天线每个关节的位置、速度和加速度计算，与传统迭代计算相比，减少了计算时间，从而缩短了设计周期。Sun等[92]针对双层环形桁架式可展天线的结构特点，通过坐标变换法推导了内外环的运动变化关系并建立了展开动力学通用模型，该模型可分析环形桁架式天线上任意节点的速度加速度变化，通过控制驱动电缆实现环形桁架的展开运动，最后利用仿真试验证明了该控制方法可以使天线平稳展开。Li等[93]针对目前常用的基于绝对节点坐标的有限元法在可展天线的有限元数量增加所带来的动力学方程维数增加、仿真速度和准确性下降的现象，提出一种用于可展天线的多体系统微分代数方程组的并行计算方法，具体做法是先将整个天线模型分为多个独立子系统，再用舒尔补码方法消除各个子系统内部广义坐标和与内部变量相关的联合约束方程的拉格朗日乘子，随后利用多层分解法对求解模型作进一步简化，最后通过算例对比计算验证了所提方法的有效性。

4.3 天线性能测试技术

不同于地面，太空环境中时刻充斥着来自太阳和其他星体的辐射热流，同轨道不同时刻、不同位置的热流也具有明显差异，所带来的温度场剧烈变化将引起天线结构缩胀明显，造成反射面张力分布变化，使反射精度产生明显下降，严重影响卫星的通信能力，进行相关性能测试，优化天线结构，对避免因变形、振动等因素造成的天线工作性能下降具有十分重要的意义。Wu等[94]针对目前常用的地面热测试设备占地面积大、结构复杂、成本较高的现象，介绍了一种可用于模拟大型可展天线在轨环境的简易热测试系统，该测试系统主要由空气循环制冷系统和电加热器组成，通过电加热器和循环风机使空气均匀受热，采用比例积分控制器自动控制加热器的加热功率，测试系统如图35[94]所示，通过CFD (Computational Fluid Dynamics)模拟，得出从试验室底部回风和从试验室顶部穿孔板送风的做法可以有效地使试验室内的空气循环而不会产生大的流动扰动，经过试验验证了该测试系统能提供一个较为理想的测试环境，相比传统热试验设备具有结构简单、成本低的优点。Bi等[95]提出了大型可展天线在轨温度场的计算方法，得出轨道不同位置的温度场，发现轨道最高、最低温度均小于天线的耐受温度，通过研究不同季节、不同时刻的天线温度场，发现天线温度受日照影响较大，其中日照与网线的夹角为主要影响因素，通过观测天线在轨运行的温度变化情况，发现天线第二周期温度变化与第一周期相差较小，前2个周期的天线热测试试验结果已具备参考价值，大大缩短研究试验周期。为了研究天线可展机构在展开过程中产生的动态特性对天线形面精度的影响，Siriguleng等[96]以环形桁架式可展天线为研究对象，对其进行了振动模态试验，实验结果如图36[96]所示，经过数值模拟与强迫振动试验发现试验模型中低频模态振动和高频模态振动之间存在非线性模态相互作用，环形桁架结构存在由低频模态振动向高频模态振动的能量传递现象。

4.4 天线精度优化技术

为满足日益增长的通信需求，星载抛物面天线朝着大口径及超大口径方向发展，由于运载空间的限制，大型星载天线的反射面几乎均采用柔性可收拢的金属索网制成，但由于金属索网柔性较大，天线精度难以保证，如何提高并保证索网天线的反射精度成为国内外众多学者的研究焦点。Li等[97]针对目前常用的天线寻形方法存在寻形完成后有效反射面积减小的问题，提出将迭代力密度法与最低标准方法相结合的有效寻形方法，同时利用静力分析、绝对坐标法描述并解决桁架和反射器的柔性问题，最后对多种天线进行了寻形分析，验证了所提方法的可行性。索网天线中金属丝网的编制形式、网眼尺寸及丝网延展性等将直接影响反射面精度，开展金属丝网的力学性能等方面的研究，优化丝网相关参数，对提高天线反射精度具有重要意义。张磊等[98]对不同织造密度经编网眼织物进行了单轴和双轴拉伸试验，获得了经编网眼织物的力学性能，为金属丝网的结构设计提供了有效的参考；Zhang等[99]针对索网天线中丝网建模和丝网非线性接触等问题展开了研究，通过对丝网最小结构单元进行拟合拓扑，建立了如图37[99]所示的丝网模型并进行接触分析，与丝网双向拉伸试验数据进行了对比，验证了理论分析的正确性。Liu等[100]以Y型径向肋可展天线为研究对象，建立了展开机构的有限元模型，分析展开机构在索网和拉索作用下的柔性变形，采用遗传算法研究并优化拉索预紧力，通过数值模拟得出优化后的天线形面精度和固有频率得到明显提高。

5 大型星载抛物面天线发展趋势

随着材料科学、结构设计等技术的发展，星载抛物面天线在形面精度、展开口径方面还有较大的提升空间。经过对国内外相关研究的分析，作者认为星载抛物面天线在(超)大口径天线、具备多频段共用功能的抛物柱面天线以及适用于商业航天的小卫星星载可展天线领域将有较大的发展。

5.1 大口径及超大口径抛物面天线

通信技术的快速发展对天线口径和增益要求越来越高，这与运载火箭的运载能力相矛盾。结合现有天线技术，可展开构架式天线、空间可组装天线、充气式天线以及环形桁架式可展天线是现有运载能力条件下实现天线大口径及超大口径天线在轨工作的有效途径。

可展开构架式天线采用模块化思维，通过修改单个模块的尺寸以及调整模块数量，易实现增大口径、提高形面精度和收纳比等目的，但现有的构架式天线技术使天线在口径增大的同时质量增加明显，对运载火箭的运载能力具有较高要求。随着新材料、新构架方法的深入研究，未来高刚度、低质量的支撑材料以及结构简单、可靠性高的构架方法的提出将使构架式天线在口径方面具有更出色的表现。

由于运载平台空间的限制，导致天线尺寸受到较大的制约。针对这一状况，相关技术人员提出空间可组装天线技术，即在设计阶段将大口径天线设计成可拆卸易拼装的形式，在地面将天线进行拆解，分批次或一次性堆叠运送到太空，随后通过宇航员或机器人进行组装，最终实现大口径天线在轨运行的目的。日本于2007年便提出通过在轨组装技术实现150 m超大口径光学望远镜在轨工作的概念。美国国防高级研究计划局计划在2021年3月前发射太空机器人，主要用于在轨维修卫星、组装和升级部件等任务。由此看来，空间组装技术将迎来高速发展阶段，这对于大口径天线在轨工作的实现带来另一种切实可行的解决办法。

具有复杂支撑结构的可展抛物面天线在增大口径的同时带来了多种缺陷，如展开自由度增加、天线质量过重、支撑系统刚度下降、天线整体精度和可靠性降低等。而充气式可展天线最大的优点便是收纳比高、即便是超大口径充气式天线，在整体质量和收拢体积方面均表现优异。目前充气式天线的相关应用还较少，主要原因在于天线在轨充气方式和天线表面破损对精度的影响等方面的问题还未得到较好的解决。若充气式天线在一定条件下使反射面硬化，达到摆脱压缩机、降低面密度的目的，也使得天线具有一定的抗破损能力，故目前对充气式天线的研究转化为对新材料的开发，且此类新材料在空间柔性仓的建设等方面也具有重要意义，已成为目前的研究热点，相信随着研究的深入，充气式天线将成为未来大口径及超大口径天线中不可缺少的一类。

环形桁架式可展天线因其具有高收纳比、面密度较低、天线质量不因口径的增大而比例增加等优势，被认为是实现大口径及超大口径天线目的中优势较大的天线形式。但随着口径增大，天线的环形支撑系统将出现刚性降低、柔度增大的情况，对天线精度有较大影响，为此，相关学者针对这一现象展开了深入研究，如通过设计双层环形桁架结构、优化和改进桁架结构中杆件的布局等方法提升大口径环形桁架式可展天线整体刚度和精度，现已取得一定进展，验证了此类天线在大口径方面的潜能，逐渐成为大口径及超大口径天线领域的一大研究热点。

5.2 具备多频段共用功能的星载抛物柱面天线

空间电磁环境随着人们对空间的利用程度的增加而变得日益复杂，抛物球面天线在此类环境下的微弱信号传递能力低，同时段传输频段单一，日显乏力。抛物柱面天线由于具有强方向性、高增益、宽刈幅以及多频段信号共用等优势，已逐渐成为研究热点。由于起步较晚，对于抛物柱面天线的相关研究大部分还处于理论设计及地面试验阶段，但美国、德国、日本等国家已相继开展在轨试验并取得一定成果，中国部分研究所和高校也对其展开了深入研究，预计未来几年，抛物柱面天线的研究将进入高速发展阶段，天线类型和在轨数量将会快速增加，届时具备多频段共用功能的航天器具备民用和军用快速转化的功能，将在无线信息传输和太空攻防博弈中发挥重大作用。

5.3 适用于商业航天领域的小卫星星载可展天线

早在2017年，全球商业航天市场经济规模便高达3 073亿美元，超过航天经济总量的4/5。中国于2014年出台相关政策，鼓励民间资本参与国家民用空间基础设施建设，加上后续各互联网巨头和投资机构的资金注入，中国商业航天进入高速发展阶段。由于人造卫星在无线通信、深空探测以及对地监测等方面具有无法替代的作用，全球卫星发射数量日益增长，其中小卫星由于研制周期短、发射成本低，受益于近年来卫星小型化设计技术以及模块化设计的突破性进展，使小卫星具备更多更强的功能，导致全球小卫星发射量和占比增长显著。据统计，2012—2017年，全球小卫星发射数量由16颗增长到256颗，增幅达16倍，在卫星总发射量中的占比由最初的不到20%增长到75%以上，由于运载火箭相关技术的再升级，“一箭多星”的实现进一步降低了小卫星的发射成本，小卫星的发射量和比重将迎来爆发式增长。为此，针对小卫星的配套部件，包括适用于小卫星的固面天线的相关研究已成为目前天线领域的一大热点，但随着对小卫星信息传输精度和卫星整体质量的要求不断提高，固面天线由于高面密度的缺点，限制了其向更大口径的发展，已逐渐难以满足人们的需求。由于欧美等国相关星座计划的不断提出，国外相关技术公司例如L3Harris等已开展了小型网状可展天线的相关研究并取得一定进展，随着中国虹云星座、鸿雁星座等一系列太空任务的开展，针对小卫星的高收纳比网状可展天线的研究已不可避免，而且相关研究势必成为未来星载天线发展的一大趋势。

6 结 论

本文总结了大型星载抛物面天线的研究进展。首先综述了国内外研究较为成熟的抛物球面天线，随后对近年来发展迅速的抛物柱面天线做了简要介绍。抛物球面天线因研究较早，成果较多，已成功应用于多类太空任务；抛物柱面天线因其具有多频段信号传递功能以及宽刈幅、强方向性等优点，已成为一大研究热点，目前主要应用于对地环境监测方面。多功能、多频段、高增益、高精度、轻质量成为天线发展的目标，大型化、模块化、展开可控等成为实现目标的主要技术手段，材料学、机械学、力学和控制学等众多科技领域的交叉融合问题以及大量技术难题成为目前天线发展的瓶颈之一。由于太空资源的重要性越发凸显，且随着相关学科和工艺技术等方面的发展和创新，相信在不久的将来，星载抛物面天线将在口径、精度以及多频段支持等方向取得突破性进展。