星载可展开天线结构现状与发展:天线技术的现状

星载可展开天线结构现状与发展

该文对星载展开天线结构现状进行了系统论述，初步探讨了星载天线未来的发展 趋势。

1星载可展开天线的结构形式 描述天线性能可采用多个参数，如反射面口径、工作频率、增益、损 耗等等，而影响天线结构形式最主要的参数是反射面口径和工作频率。这两个参 数之间存在一定的矛盾，因为工作频率越高，对反射面表面精度 的要求就越高，而直径越大的反射器，其反射面表面精度就越难提高。

因此，对于既要有大的反射面口径，又要有高工作频率的天线，其结构往往十分 复杂。另外，重量尽可能轻、收拢体积尽可能小始终是星载天线设计所追求的目 标，天线重量和收拢体积同样是影响天线采用什么结构形式的两个主要参数。为 适应各种不同卫星的需求，当前世界上已经或正在研究各种各样的星载天线，其 分类方法也因此而各不相同。根据天线反射面结构形式的不同，可将星载可展开 天线大致分为板状反射面天线、网状反射面天线以及薄膜型反射面天线三大类， 分别介绍如下：
11板状反射面可展开天线 板状反射面可展开天线主要是由大量刚性金属板或碳纤维增强塑料 （CTFR)拼合而成，由于实体反射面板可通过精加工提高反射曲面精度，完全能 够满足天线高精度的要求。因此，实体反射面天线的最大优点是精度高。但这种 天线具有结构重量大，收缩比小的缺点，一般不能应用于大型可展开天线，目前 已经在卫星上得到应用的实体反射面天线的最大口径为35m板状反射面可展开天线可分为以下几种：
111整体型 这种天线与卫星的太阳电池帆板一样，整个反射器绕固定轴旋转至指 定位置，即完成其展开过程。其主要代表是可展开平面阵列天线，结构如图1所 示。

112花瓣型 这种天线反射面由许多块刚性板组成，板与板之间用铰链连接，在铰 链外装有弹性元件。天线收拢折叠时，压缩弹性元件储存弹性能，天线进入太空 解锁后，天线在弹性回复力作用下自动展开。该天线因折叠时外形象含苞欲放的 花朵，展开时，象花开一样美丽，故称之为花瓣型天线，其结构如图2所示。由 于这种天线结构过于复杂且重量重，因此，目前还没有实际应用的报道。剑桥大 学工程部曾做过一个口径L5m的原理样机，称其为实面可展开天线 （SSDA:TheSolidSurfaceDeployableAntenna) 12网状反射面可展开天线 这种天线反射面为索网结构，根据展开机构的不同，可分为以下几种：
121径向肋型(RadialRibDeployableAntsnna) 径向肋型可展开天线是早期研制的一种结构比较简单的可展开天线 （图3)它主要由径向折叠的刚性肋和反射面组成，天线反射面采用金属丝编织成 网状，因其展开和折叠与日常生活中的雨伞类似，故又称为伞形天线。这种天线 将肋做成一定的形状（一般是抛物线形状）反射网就固定在可绕枢轴旋转的径向 肋的正面，而调整网则位于径向肋的背面，通过对调整网中各根拉索的调节，确 保反射网面在展开状态下能够尽可能精确地达到所期望的抛物面形状。这种天线 具有结构简单，展开可靠性高的优点。但其收缩率小，仅适用于低频段、口径尺 寸小于5m的天线。美国NASA、欧洲ESA都研制出了径向肋可展开天线，美国第 一代跟踪和数据中转卫星上的4.8m天线就采用了这种类型的天线。L22鐘绕肋型(WrappedRibDeployableAntenna) 缠绕肋型可展开天线（图4)中间有一个体积较大的榖，辐射肋的前面 是索网反射面或薄膜反射面。收拢时肋缠绕在榖上，用固定绳索捆绑。卫星入轨 后，切断固定绳索，辐射肋依靠自身的弹性作用，由缠绕在中心榖上的弯曲状态 逐渐伸直，天线随即展开。这种天线结构比较简单，收缩率较大，即使天线口径 达到100m也能够满足收拢要求。但其刚度、抗振性、反射面精度都比较差。美 国于1974年发射的ATS-6卫星上直径为30英尺的抛物面天线采用的就是缠绕肋 可展开天线。NASA、ESA已经研制出了口径达50m的缠绕肋可展开天线，并进 行了100m级的概念设计。

L23环-柱型（Hoop-ColumnDeployableAntenna)环-柱型可展开天线主 要由环、中心柱、拉索系统以及反射面组成，这种天线的中心柱由可伸缩套管组 成，而周边环是由若干节（约40节）杆件铰接而成。收拢时，环可以折叠起来收 缩到中心柱周围一个很小的体积内。在每个铰链处都有一个扭簧，用于展开天线。

环与中心柱都是由采用碳纤维增强塑料制成的管件组合而成，环与中心柱之间由 多组拉索相连。环-柱天线早期的代表作是Hmiis公司研制的6m口径反 IHouse.Allrightsreserved,http://www.cnki.net射面（图5)其网面固定在一个展开环 上，利用上下索来提高环的刚度，网背后还有形状精度调整索。这种天线的装配 和调整难度都比较大。而且展开的可靠性也比较低。

124构架型（TrussModularDeployableAntenna) 构架型可展开天线结构如图6所示。天线骨架是可折叠的桁架结构， 为使桁架能够折叠，在桁架的各杆件中间都设有铰链，利用弹簧机构将天线展开。

这类天线具有收缩比高、展开刚度与结构稳定性比较高的优点。但是结构重量大、 制造成本很高。日本的工程试验卫星ETS-VIII的13m口径反射器是这类天线中最 大的飞行件。俄罗斯宇航局研制成功的四面体单兀构架式（TetrahedralTrnss)可 展开天线也已经成功运用于“自然”号、“联盟”号飞船以及“和平”号空间站上。

125周边桁架式（HoopTiussDepbyableStricture)周边桁架式可展开天线（也称环形桁架式可展开天线)结构主要由四 部分组成（图7)可展开的周边桁架、金属反射网面、柔性张力索网以及展开动力 机构。其中，可展开周边桁架由结构完全相同的平行四边形单元组成，其完成收 放运动的原理是利用周边平行四边形桁架中对角杆可伸缩的结构特点，而柔性张 力索网主要起到平衡作用，前后网之间拉有张力索，通过调节各项设计参数可使 金属反射面形成所需的型面。周边桁架式可展开天线最早是ASTRO公司为北美 移动通信卫星MSAT研制的，天线口径6米，但由于各种原因没能在第一代MSAT 上得到应用。休斯公司在为亚太移动通信卫星APMT设计的天线方案中就采用了 这关报道，美国的信号情报卫星“先进折叠椅子”上口径为150m的天线反射器就 采用了这种周边桁架式展开天线。周边桁架式可展开天线的结构与其它天线结构 形式相比，其应用空间比较大，天线口径可应用于6~150m的范围，且结构形式 简单，在一定范围内口径的增大不会改变天线的结构形式，质量也不会成比例的 增加，是目前大型星载可展开天线理想的结构形式。

13薄膜型反射面天线 薄膜型反射面天线主要是指充气式可展开天线(图8)，首先将能够反 射电波的涂料涂在薄膜上，制成充气式结构，发射入轨后，经气体膨胀成型，然 后再利用紫外线的照射使反射膜硬化成型。这种天线有几个比较明显的优点：飞 行硬件的成本低;收藏体积小；
结构重量轻以及工作寿命比较长。自上世纪50年 代开始就对充气式展开天线进行研究，美Goodyear公司于60年代初期最先推出了 双凸透镜状充气式抛物反射面天线，美国1996年14m充气天线空间实验（AE)的 成功，将充气天线的研究推向了一个新的高度。但是，充气式展开天线也存在一 些缺点，比如:在各类星载展开天线中，空间环境对充气式天线结构的影响最大。

而且充气式展开天线材料（特别是膜面材料）要求极高，其反射面精度通常难以 得到保证，目前这类天线还处于研究阶段。由于这种天线在包装体积和制造成本 方面都远低于网状反射面天线，随着阻碍其实际应用的一系列关键技术的突破， 薄膜充气式可展开天线将是一种前景广阔的天线结构。

2天线的展开类型 对于种类繁多的星载天线，其展开驱动力或展开方式也会各有不同， 主要有以下几种类型：21微电机驱动 这类天线主要是利用微型电机驱动主动件或者通过传动使结构逐渐 展开。这种驱动方式在设计中还必 型天线（HoopColumnDeployableAntenna)就是米用整体展开的，它主 要通过中心电机驱动环向拉索带动各个肋支座转动从而使结构整体展开。这类驱 动形式主要特点是天线展开过程平稳，展开过程易于控制，展开精度高，对结构 的冲击比较小。但由于在结构中增加了电机、电源等设备，使得结构比较复杂。

12弹簧驱动 按照机械系统的分类，弹簧可分为许多种类，包括拉压簧、扭簧、蝶 簧、塔簧等等。在可展开天线中使用的主要是拉压簧和扭簧。如果在结构各连接 点或者杆件中点安装弹簧，在折叠过程中使弹簧存储了一定的应变能，当天线结 构解锁后，释放应变能，从而能够驱动天线整体展开。美国ABLE公司的Coikble 天线就是采用的弹簧驱动展开的。对于拉压簧驱动，一般是将其安装在展开过程 中长度尺寸需要改变的杆件中，结构收拢折叠时，弹簧处于拉伸（或压缩）状态 而存储弹性能量;当天线解锁后，弹簧收缩（或伸展）驱动天线展开。对于扭簧 驱动，通常是在天线各节点或杆件中点按照特定要求进行设置，天线处于收拢折 叠状态时，扭簧受预应力作用存储弹性变形能，当结构解锁后扭簧释放应变能， 驱动天线展开。弹簧驱动式可展开天线与微电机驱动一样，是一种十分常见的展 开驱动方式，如俄罗斯研制的TKCA系列，美国NASA研制的GeoTruss和Pactruss 以及卫星等宇宙飞行器上常用的太阳帆板都是采用弹簧驱动展开的。弹簧驱动形 式的优点是系统相对独立，可靠性比较高，但其展开过程不易控制，展开过程平 稳性比较差。

13气压或液压驱动 所谓液压或气压驱动，主要是指两种情况，一是对于充气薄膜天线， 这种结构采用充气产生气压驱动可展开天线部件或反射面展开。另外液压驱动通 常是指由液压系统推动杆件或构件运动，从而带动整个天线系统展开。就目前而 言，气压或液压驱动型可展开天 14自伸展驱动在星载天线结构中，可将部分构件或者某些特定构件的中点，甚至整 个结构采用记忆合金或者其它特殊材料制成，使其能够在特定环境下按照设计要 求自动展开，近年来新出现的柔性自回弹天线就属于这种类型。这种天线的反射 器采用具有一定柔性和一定自回弹性能的薄膜材料制成（图9),反射面既可以是网 状的也可以是实体面的，因此，它可以满足网状天线不能适应的高频段要求，又 可以省去面板天线中的活动关节等复杂机械装置，从而降低天线重量，提高结构 可靠性。这种天线在发射前，通过外力作用将天线卷曲，收藏于运载火箭整流罩 中；
卫星入轨后，去除外力，天线反射器依靠释放卷曲时储存的弹性应变能自动 回复至所需要的形状。目前，柔性自回弹天线正以其高精度、高展开可靠性等优 点在航天领域受到越来越广泛的关注。

3星载天线的发展趋势 随着卫星通信技术的发展，卫星间的通信变得越来越重要，这类通信 联系将需要开辟频率更高的波段，频率越高对天线反射器表面精度的要求就越高， 同时随着卫星在地球探测、射电天文观测、深空观测、能量传输等方面应用的深 入发展，对大型天线的需求量必然将日益增加。就目前国内外关于大型星载展开 天线的研究与应用情况而言，桁架式网状展开天线（PETA)应该是未来展开天线 发展的一个主要方向。这种形式的天线结构具有柔性大，空间热稳定性好，压缩 比大的特点，并且这种结构内在的拓扑性能可使反射面很容易以蜂窝结构的形式 扩展得很大，这样就为未来空间大型反射面天线的研制奠定了技术基础。现在国 外几十米甚至一百多米展开天线的研制，其展开天线的设计概念几乎都采用了多 蜂窝单元的桁架式展开形 展的主流。

另外，未来天线的发展趋向于高频通信的大口径和高精度，当天线折 叠起来仍然不能收藏于运载工具之内，则需要把天线分成若干部分，分批送入轨 道再在卫星上利用空间机器人装配成完整的天线，这类天线称为空间组装型天线。

这种天线能适应星载天线大型化和高频化的要求，具有不可估量的发展潜力。花 瓣型展开天线是一种精密展开天线，它的反射器材料常采用碳纤维复合材料面板， 铝蜂窝夹层结构，精度可以做得很高。随着卫星通信向更高频段的开发与应用， 高精度的花瓣型天线呈现出广阔的应用前景。充气式天线是目前重量最轻、收缩 比最大的可展开天线形式，它以其它天线所没有的优点正得到越来越广泛的重视。

同时，多波束天线以其特有的优越性可以多次使用频率复用技术，使有限的频谱资源得到最有效的利用，作为实现卫星通信高效化和经济化的一种重要手段，这 种天线将会有很大的发展潜力。此外，还有其它多种形式的星载天线，诸如微带 天线、相控阵天线等等，它们都有自己的特点，并在各自的领域快速发展。我们 相信，随着科学技术的突飞猛进，环绕地球运行的卫星会越来越多，星载天线技 术必将得到广泛应用和深入发展。