陳傳志，董家宇，陳金寶，林飛，蔣松，劉天明

1. 南京航空航天大學 航天學院，南京 210016 2. 深空星表探測機構(gòu)技術(shù)工信部重點實驗室，南京 210016 3. 上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 200000

星載拋物面天線作為電子偵查、衛(wèi)星通信、載人航天以及深空探測等重大航天工程的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要應用于空間設(shè)備間及對地無線通信，在對空間設(shè)備的命令傳遞和信息反饋以及對地監(jiān)控等方面起著決定性作用。隨著信息面向多維發(fā)展的趨勢，地、空、天一體化信息網(wǎng)的組建成為必然，通信能力在很大程度上決定著信息網(wǎng)的發(fā)展程度。大口徑、多功能、多波段、高增益等成為天線的發(fā)展趨勢，開展相關(guān)研究對我國乃至世界的航天科技和通信技術(shù)的發(fā)展均具有重要意義[1-3]。

為滿足大口徑天線在軌應用，目前主要通過可展開技術(shù)實現(xiàn)，已取得眾多研究成果，為了全面了解星載拋物面天線的研究現(xiàn)狀，本文對目前已有研究成果進行梳理，重點介紹了可展開天線的相關(guān)研究。由于中國對航天領(lǐng)域的大力投入，近年來在大型星載拋物面天線方面也取得了一些重要成果，為此本文對具有代表性的星載拋物面天線進行了介紹，重點論述了星載拋物球面天線和星載拋物柱面天線的研究現(xiàn)狀、相關(guān)技術(shù)及其發(fā)展趨勢。

1 國外大型星載拋物面天線研究現(xiàn)狀

星載可展開拋物面天線由于其具有運載過程中收攏、在軌使用時展開的特性，在目前運載能力的限制下能夠滿足大口徑天線在軌工作的目的，從而帶來更高收益和更強指向性，是目前使用頻率最高的天線類型[4]，經(jīng)過多年的研究，已由單一形式發(fā)展為多種類型，用于滿足不同需求。星載可展開拋物面天線根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式可分為3大類：剛性星載可展開拋物面天線、網(wǎng)狀星載可展開拋物面天線以及充氣式星載可展開拋物面天線[5-8]。

1.1 剛性星載可展開拋物面天線

剛性星載可展開拋物面天線的主要特征是其反射面由多塊剛性曲板組成[9]，曲板材料多選用金屬或鍍有金屬反射涂層的碳纖維增強塑料(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)，曲板間采用鉸鏈連接，通過鉸鏈驅(qū)動天線完成展開任務[10-11]。由于采用剛性板制成，此類天線具有高反射精度，主要應用于微波遙感領(lǐng)域，但不可避免地具有結(jié)構(gòu)笨重、質(zhì)量大、收納比低等缺陷。剛性星載可展開拋物面天線主要有以下幾種類型。

1.1.1 Sunflower及其改進型

Sunflower可展天線由美國TRW公司研制[12]，如圖1[13]所示。該天線由19塊曲面板組成，口徑為10 m的Sunflower天線，其形面精度高達0.13 mm，但口徑為4.9 m的Sunflower天線收攏直徑為2.15 m，收納比低[14]。日本Toshiba/NASDA公司研制出一款口徑為15 m的改進型Sunflower可展天線，如圖2[15]所示，改進型天線收攏后直徑4.4 m，高度6.6 m，收納比有所提高。

1.1.2 卡塞格倫天線

卡塞格倫天線(Deployable Antenna Integral System)由Dornier公司與歐洲航天局(European Apace Agency, ESA)聯(lián)合研制，結(jié)構(gòu)如圖3[16]所示，每塊剛性曲板背面設(shè)計有桁架支撐結(jié)構(gòu)。該公司所研制的口徑8 m的DAISY天線工程樣機,形面精度為8 μm，收攏時剛性曲面圍繞在中心轂周圍，收攏后直徑為2.9 m，高度為4.1 m。

1.1.3 MEA可展天線

MEA可展天線由Dornier公司與ESA共同研制，結(jié)構(gòu)如圖4[17]所示，天線收攏狀態(tài)與DAISY相似，但背面復雜桁架結(jié)構(gòu)由連桿與多自由度鉸鏈代替，降低了面密度。此天線通過各剛性曲板間的連桿控制可實現(xiàn)各剛性曲板展開同步性。口徑為4.7 m的MEA可展天線，形面精度為0.2 mm，收攏后直徑為1.7 m，高度為2.4 m，收納比較DAISY有所提升[17]。

1.1.4 SSDA

SSDA(Solid Surface Deployable Antenna)由劍橋大學可展結(jié)構(gòu)實驗室研制而成，結(jié)構(gòu)如圖5[18]所示。該天線由多塊剛性曲板組成，每塊剛性曲板又由多塊板面通過旋轉(zhuǎn)機構(gòu)拼接而成。此類天線具有較高收納比，例如直徑為1.5 m 的SSDA，完全收攏后直徑為0.56 m，高度為0.81 m。若天線中組成每塊剛性曲面的板面數(shù)量增加，收納尺寸將更小，但結(jié)構(gòu)復雜，質(zhì)量較大。

1.2 網(wǎng)狀星載可展開拋物面天線

網(wǎng)狀星載可展開拋物面天線主要特征是其反射面為金屬絲網(wǎng)構(gòu)成，天線整體為多柔體系統(tǒng)。由于網(wǎng)狀天線較剛性天線質(zhì)量輕，收納比高，精度滿足多數(shù)航天任務要求，而且整體質(zhì)量不與天線口徑的增加呈線性關(guān)系，易于實現(xiàn)大口徑，是目前國內(nèi)外航天界應用最廣泛的天線類型之一。根據(jù)金屬絲網(wǎng)支撐結(jié)構(gòu)的不同，網(wǎng)狀星載可展開拋物面天線可分為以下多種形式。

1.2.1 徑向肋可展天線

RRA(Rigid-Rib Antenna)由Harris公司研制，外形與雨傘相似[19-22]，如圖6[21]所示。天線以拋物線形纖維肋為支撐機構(gòu)，以鍍金鉬網(wǎng)為反射面材料，由于纖維肋無法折疊，此類天線在高度方面不具備較高收納比，例如直徑為5 m的RRA，完全收攏后直徑為0.9 m，高度為2.7 m。而后該公司將纖維肋研制成Y形，如圖7[1]所示，使天線在收攏狀態(tài)時纖維肋能夠折疊，提高了高度方面的收納比。徑向肋天線結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，但收納比小，形面精度較低，目前在立方體星等小衛(wèi)星上應用較多[23-24]。

1.2.2 纏繞肋可展天線

WRA(Wrapped Rib Deployable Antenna)由美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)研制，外形與RRA相似，不同之處主要在于收展方式。WRA收攏時扁豆形纖維肋按照順序纏繞在中心轂上，通過繩索固定；需要展開時，繩索被切斷，纖維肋在自身彈性勢能的作用下恢復至初始狀態(tài)，完成展開任務。此類天線曾應用于美國ATS-6衛(wèi)星以及Magnum偵察衛(wèi)星，圖8[25]為美國ATS-6衛(wèi)星所攜帶的WRA，該天線由48根纖維肋組成，展開口徑為9.1 m，收攏后直徑為2 m，高度為0.45 m。WRA

具有較高的收納比，國外已開展600 m大口徑纏繞肋天線的設(shè)計[26]，但天線整體剛度較低，口徑過大將導致纖維肋剛度下降，天線形面精度難以保證，且纖維肋彈性勢能難以控制，展開過程中振動較大。

1.2.3 環(huán)柱可展天線

HCA(Hoop/Column Antenna)由NASA Langley研究院和Harris公司共同研制。天線展開時，可伸縮中心柱沿軸線延伸，隨后反射面向外展開，最后中心柱底端的擴張裝置工作，使天線處于張緊狀態(tài)[27-28]，展開過程如圖9[27]所示。曾在軌工作的HCA口徑為9.5 m，總質(zhì)量為291 kg，收攏狀態(tài)直徑為0.9 m，高度2.7 m。HCA具有較高的收納比，但拉索較多，整體結(jié)構(gòu)和展開過程復雜，可靠性較低，形面精度較低，造價較高。

1.2.4 張力桿可展天線

TTA(Tension Truss Antenna)的設(shè)計概念由Miura提出，即采用多個三角形平面單元支撐擬合拋物反射面，如圖10(a)所示。三角形平面單元由柔性索組成，便于折疊收攏，天線可通過減小三角形單元尺寸、增加三角形單元數(shù)目達到提高天線形面精度的目的[29-32]。HALCA衛(wèi)星所用TTA收展情況如圖10[29]所示，天線口徑為8 m，總質(zhì)量為246 kg。TTA形面精度和收納比都較高，但質(zhì)量較大，且由于采用基本單元擬合，在進行反射面精度調(diào)整時，需要同時修改多個相關(guān)單元，工作量較大，且存在無法達到期望精度的情況。

1.2.5 自回彈式天線

SBA(Spring-Back Antenna)由休斯航空與通訊公司研制，天線結(jié)構(gòu)如圖11[33]所示，該天線無活動關(guān)節(jié)，僅由石墨反射網(wǎng)和加強邊緣箍組成。收攏時，天線邊緣的拉索將邊緣箍拉緊在一起；展開時，拉索被剪斷，天線在邊緣箍的彈性勢能作用下展開。SBA曾在MSAT-1衛(wèi)星上使用，其展開尺寸6.8 m×5.25 m，質(zhì)量為20 kg。自回彈式天線質(zhì)量較輕，可靠性高，但收納比低，展開過程不可控。

1.2.6 構(gòu)架式可展天線

構(gòu)架式可展天線由四面體[34-35]、四棱錐[36]、六棱臺[37-38]及六棱柱[39]等基本單元組成，采用模塊化設(shè)計方式，通過改變單元的尺寸和數(shù)量可較為方便地實現(xiàn)天線口徑尺寸、形面精度以及收攏尺寸等方面的調(diào)整，應用范圍較廣?！昂推教枴笨臻g站以及ETS-Ⅷ(Engineering Test Satellite Ⅷ)衛(wèi)星分別采用了以四面體和六棱柱為基本單元的構(gòu)架式可展天線[40-42]，如圖12[37,41]所示。構(gòu)架式天線收納比較高，展開后具有較高的剛度和穩(wěn)定性，但支撐系統(tǒng)復雜，天線質(zhì)量較大，難以擴展至更大尺寸。

1.2.7 環(huán)形可展天線

環(huán)形可展天線的支撐系統(tǒng)位于周邊，內(nèi)側(cè)由索網(wǎng)系統(tǒng)組成，具體可分為AstroMesh、Harris Hoop以及EGS等形式。

AstroMesh也稱周邊桁架式可展天線，由North Grumman Astro Aerospace公司研制，主要由環(huán)形桁架系統(tǒng)、前后張力網(wǎng)、縱向拉索以及金屬反射網(wǎng)組成。2000年Thuraya衛(wèi)星搭載了一架口徑12.25 m、質(zhì)量55 kg的AstroMesh天線，結(jié)構(gòu)如圖13[43]所示，該天線收攏后直徑為1.3 m，高度為3.8 m。后續(xù)研究團隊基于該天線形式研制了AstroMesh二代和三代[44]，進一步提高了天線收納比。此類天線收納比較高，且整體質(zhì)量與天線口徑不成比例增長，適用范圍廣，在超大口徑天線方面也具有較大優(yōu)勢，目前百米級AstroMesh天線已處于試驗階段，但張力網(wǎng)控制困難導致形面精度難以達到更高，口徑增大后環(huán)形桁架剛度下降明顯。

Harris Hoop可展天線由大小不一的2層環(huán)狀支撐系統(tǒng)和正多邊形內(nèi)環(huán)反射網(wǎng)面組成，結(jié)構(gòu)如圖14[45]所示，在SkyTerra-1以及MSV等衛(wèi)星有所應用。Harris Hoop天線在口徑方面具有比AstroMesh更大的發(fā)展空間，但也存在隨著口徑增大所帶來的的結(jié)構(gòu)剛度下降、精度難以控制等問題。

EGS天線是俄羅斯Georgian公司研制的剪叉式可展天線。該天線由可展剪叉式環(huán)形桁架支撐系統(tǒng)和由中心轂到環(huán)形桁架的多條張拉反射膜組成[46-47]，該天線曾在“和平號”空間站進行展開測試，所測天線如圖15[46]所示，天線口徑為5.6 m×6.4 m，質(zhì)量為35 kg，收攏后直徑為0.6 m，高度為1 m。由于采用中心和邊緣多點進行支撐固定，EGS天線具有較高的剛度、收納比高、整體質(zhì)量較小，但反射面精度不高、面密度較大、結(jié)構(gòu)復雜。

1.3 充氣可展開天線

1980年ESA開展充氣空間硬化結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)的研究，于1989年完成充氣天線地面測試(圖16[48])，驗證了充氣可展天線的可行性[48-52]。此類天線主要由經(jīng)過處理的柔性膜材料組成，通過充氣使天線膨脹展開至所需形狀，在陽光照射下

膜面硬化固定，防止漏氣等因素導致天線精度降低。1996年NASA進行了直徑14 m的充氣天線展開試驗，如圖17[37]所示，標志著充氣天線在空間應用的開始。目前充氣可展天線主要分為IEA、ISRS、ARISE等形式，與固面、網(wǎng)面天線相比，充氣可展天線具有口徑尺寸大、質(zhì)量輕、收納比更高、制造成本低等優(yōu)點，但形面精度較低，在軌充氣困難。

為對比不同類型天線各類指標的優(yōu)劣程度，結(jié)合文獻[19]相關(guān)數(shù)據(jù)，本文對各類天線的部分參數(shù)進行對比，結(jié)果如圖18所示。經(jīng)對比可得：在展開口徑和收納比方面，充氣天線展開口徑最大，收納比最高，網(wǎng)狀天線次之，剛性天線最差。在質(zhì)量和面密度方面，充氣天線最輕，面密度最小，網(wǎng)狀天線次之，剛性天線最重，面密度最大。

結(jié)合各天線發(fā)展現(xiàn)狀與參數(shù)對比情況可得，剛性天線由于反射面加工精度高，適用于工作頻率高、口徑要求小的空間任務；網(wǎng)狀天線在口徑、質(zhì)量和收納比等指標中均有較好表現(xiàn)，綜合性能最好，且網(wǎng)狀天線具有多種形式，為目前應用范圍最廣、研究價值最高的天線形式；充氣式天線的研究起步較晚，目前適用于口徑要求大、形面精度要求低的衛(wèi)星，因其質(zhì)量輕、口徑大、收納比高等優(yōu)勢，是應用前景較好的天線類型之一。

2 國內(nèi)大型星載拋物面天線研究現(xiàn)狀

相比于國外，中國對空間天線的研究起步較晚，于20世紀70年代開始相關(guān)技術(shù)研究，在20世紀90年代著手大口徑天線的相關(guān)研究，目前已有多種類型的天線成功應用于在軌通信任務。

2.1 剛性星載拋物面天線

中國于20世紀80年代開展對剛性星載拋物面天線的研究，1986年首次應用于“東方紅”二號通信衛(wèi)星，該天線采用復合材料制成，口徑1.5 m×0.6 m，形面精度為0.3 mm，如圖19[53]所示。2018年中國首顆高通量通信衛(wèi)星實踐十三號正式投入使用，作為中國Ka頻段寬帶技術(shù)實際應用的首發(fā)星，衛(wèi)星上搭載了多架高精度剛性拋物球面天線，其通信總?cè)萘砍^了中國已研制發(fā)射的通信衛(wèi)星容量總和，標志著中國衛(wèi)星通信進入高通量時代，如圖20[54]所示。此外，“東方紅”三號、“東方紅”四號、“海洋”二號、“風云”二號、亞太6C、中星等眾多衛(wèi)星均采用了剛性拋物面天線。

2.2 網(wǎng)狀星載拋物面天線

由于網(wǎng)狀天線具有收納比高、質(zhì)量小、形式多樣等優(yōu)勢，一直是國外研究領(lǐng)域的重要方向，國內(nèi)對此也具有較多的研究并成功應用于空間探測任務。其代表之一為環(huán)境一號C星，衛(wèi)星及所攜帶的構(gòu)架式可展天線如圖21[55]所示，此天線工作波段為S波段，采用多波束饋源拋物面可形成9個條帶波束，通過大功率電子開關(guān)的控制可形成San SAR波束，滿足衛(wèi)星寬幅測繪的需求[56]。2015年9月，中國通信技術(shù)試驗系列衛(wèi)星的首顆星—通信技術(shù)試驗衛(wèi)星一號成功發(fā)射，衛(wèi)星上攜帶的網(wǎng)狀可展天線在軌順利展開，成為中國空間結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展的一大里程碑，衛(wèi)星形式及天線展開模擬如圖22[57]所示，該天線采用周邊桁架式可展結(jié)構(gòu)，展開口徑為15.6 m，工作頻段為Ka頻段。2016年8月，中國成功發(fā)射了“天通一號01星”，這顆衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)首發(fā)星標志著中國進入到了衛(wèi)星移動通信的手機時代，填補了衛(wèi)星電話領(lǐng)域的空白，衛(wèi)星上搭載了中國自主研制的周邊桁架式網(wǎng)狀可展天線，天線具備低PIM(Passive Intermodulation)功能，實現(xiàn)了強信號傳輸功能，使中國在地球同步軌道移動通信領(lǐng)域達到世界領(lǐng)先水平[58]。2018年5月，中國嫦娥四號中繼星成功發(fā)射，其上搭載了固網(wǎng)結(jié)合的徑向肋可展天線，天線結(jié)構(gòu)如圖23[59]所示，口徑為4.2 m，增益達45 dB，到達預定軌道后鎖定機構(gòu)解鎖，完成天線展開任務，該天線是目前國內(nèi)外應用于深空探測任務中口徑最大的通訊天線，也是中國此類天線首次在軌應用。此外，“虹云”工程技術(shù)驗證衛(wèi)星等諸多衛(wèi)星也使用了網(wǎng)狀拋物面天線。

2.3 充氣星載拋物面天線

目前中國對充氣星載拋物面天線的研究還處于理論分析及模型試驗階段。浙江大學研制了口徑為2 m的充氣式可展天線模型，天線反射面焦距2.5 m，天線結(jié)構(gòu)如圖24(a)所示。上海交通大學與航天805研究所共同研制了口徑分別為1 m和3 m的充氣式可展天線模型，并對天線精度、型面設(shè)計等方面進行了有意義的研究[60-61]，天線結(jié)構(gòu)如圖24(b)、圖24(c)所示。

3 拋物柱面天線研究進展

人類對于天線的研究開始于20世紀50年代，經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，已研制出以拋物球面為基本形狀的多種單波束天線。隨著空間結(jié)構(gòu)技術(shù)、材料科學等學科的快速發(fā)展，太空電磁環(huán)境越來越復雜，單波束天線難以達到更高精度和增益，無法應用于多頻段傳遞；具有強方向性、寬刈幅、高增益、易于光束自動掃描以及可多頻段信號共用等優(yōu)勢的拋物柱面天線越來越受到人們的重視，成為目前天線研究領(lǐng)域的一大熱點[62]。

國外針對拋物柱面天線的研究起始于20世紀60年代[63]，美國俄亥俄州立大學[64]和伊利諾伊大學[65]率先進行了相關(guān)研究，意大利Bologona射電望遠鏡[66]、法國Nancay射電望遠鏡[67]以及印度Ooty天線[68]等天線驗證了拋物柱面天線在無線通信領(lǐng)域的優(yōu)勢，相關(guān)研究成果為星載拋物柱面天線的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

3.1 薄膜拋物柱面天線

20世紀末，為了開展熱帶降雨量的探測任務(Tropical Rainfall Measuring Mission, TRMM)以及全球大氣科學的研究，NASA提出了大型可展開薄膜天線、電子掃描雙頻、雙極化饋電陣和實時數(shù)字脈沖壓縮相結(jié)合的綜合觀測系統(tǒng)的概念，并在第二代降水測量雷達上搭載拋物柱面天線[69-71]，首次將大型拋物柱面天線發(fā)射升空。天線如圖25(a)[69]所示，口徑為5.3 m，質(zhì)量為350 kg，反射面采用薄膜材料，工作頻段為Ka和Ku，主要用于熱帶降雨監(jiān)測。天線通過剛性鏈桿扭簧進行收展，收攏時，剛性鏈桿與薄膜纏繞于天線芯軸并鎖定；展開時，鎖定裝置解鎖，薄膜在扭簧的作用下張開，并在完全張開時鎖定，完成天線展開任務。該天線能以雙頻段、雙極化方式工作，具有較高的剛度和較寬的掃描范圍。為驗證此類天線的性能，眾多學者[72-75]通過對薄膜天線模型進行形面精度測試和仿真分析，得出此類天線具有達到更高精度的可能性，發(fā)展前景較好，影響其形面精度的主要因素在于反射面軸向褶皺。中國中電三十八所也在該領(lǐng)域有相關(guān)研究，天線形式與NASA相似，相關(guān)參數(shù)如圖25(b)[76]所示。

3.2 “空心固體”拋物柱面天線

歐洲宇航防務集團(EADS Astrium)提出了一種用于地球探測任務的新型可展開概念，研制出基于“空心固體”結(jié)構(gòu)概念的拋物柱面天線，用于小型衛(wèi)星執(zhí)行低成本地球觀測任務。天線結(jié)構(gòu)如圖26[77]所示，主體為箱體形狀，由4塊碳纖維增強塑料構(gòu)成并通過自鎖鉸鏈固定，采用“中空”形式，質(zhì)量較輕。天線展開時板間相互支撐，具有較高的剛度，箱體前側(cè)被制成具有頻段反射能力的拋物柱形，展開時弧長為7.9 m，寬為3.2 m，表面精度為3.8 mm RMS(Root Mean Square)，收攏體積僅為展開體積的1/16，具有較大的發(fā)展空間。

3.3 剛性拋物柱面天線

為開展氣溶膠-云-生態(tài)系統(tǒng)(Aerosol-Cloud-Ecosystem, ACE)衛(wèi)星探測任務，NASA研制了一種新型的雙頻共用孔徑Ka/W頻段天線，結(jié)構(gòu)如圖27[78]所示。該天線由一個緊湊的卡塞格倫反射器/反射陣列(帶固定指向W波段饋源)和一個橫向掃描Ka波段的有源電子掃描陣列組成，通過與傳統(tǒng)云衛(wèi)星天線以及雙反射天線進行雙頻能力和尺寸、質(zhì)量等方面的對比，得出此天線在實現(xiàn)雙頻通信能力的前提下尺寸和質(zhì)量最小。最后為從空間觀測土壤水分和海洋鹽度，NASA研制了用于接收L波段的剛性拋物柱面天線，結(jié)構(gòu)如圖28[79]所示，天線尺寸3 m×4.5 m，采用數(shù)字波束形成技術(shù)，使用貼片天線提高了天線星載應用的質(zhì)量/尺寸優(yōu)勢。為驗證該天線的反射性能，研究人員通過分析不同天線平面角下局部入射角與天線場角的關(guān)系，優(yōu)化了天線安裝位置；通過仿真試驗測試了天線雙極化饋電性能，驗證了此天線設(shè)計的合理性。

通過制造原理樣機，進行機載試驗對天線進行了測試優(yōu)化。

為監(jiān)測地球泥石流災害和森林覆蓋面積，日本研制了ANSARO(Advanced Satellite with New system Architecture for Observation)以及ANSARO-2衛(wèi)星[80-81]，其中ANSARO-2衛(wèi)星采用SAR地球成像技術(shù)，搭載口徑為4.5 m×2.3 m的拋物柱面天線，工作波段為X頻段，于2018年1月 成功發(fā)射，天線結(jié)構(gòu)如圖29[81]所示。

中國針對全球水循環(huán)系統(tǒng)監(jiān)測任務(Water Cycle Observation Mission, WCOM)研制了一種主被動聯(lián)合微波成像儀(Microwave Imager Combined Active and Passive, MICAP)，MICAP是一套主被動組合儀表，包括L/C/K波段一維微波干涉輻射計和L波段數(shù)字波束形成散射計，共用一個拋物柱面反射天線，天線結(jié)構(gòu)如圖30(a)所示，口徑為3 m×5.5 m，其收攏及展開形式如圖30(b) 所示。MICAP實現(xiàn)了L、C、K波段輻射計和L波段散射計共用反射面天線的目的，大大降低了衛(wèi)星質(zhì)量和發(fā)射成本[82]。

由于拋物柱面天線廣闊的應用前景，國內(nèi)部分高校也展開了相關(guān)研究。南京航空航天大學研制了一種大型星載可展拋物柱面天線[83-84]，該天線采用構(gòu)架式可展結(jié)構(gòu)，收納比12∶1，有效反射面積144 m2，天線結(jié)構(gòu)如圖31[84]所示。經(jīng)地面展開試驗得出該天線自展性能良好，多次折展形面誤差滿足要求，驗證了天線結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性。

西安電子科技大學總結(jié)現(xiàn)有可展機構(gòu)的工作原理，設(shè)計出一種以平面八桿機構(gòu)為基本單元的拋物柱面可展天線，通過仿真軟件對其進行了優(yōu)化和分析，得到較為理想的天線結(jié)構(gòu)，天線展開仿真如圖32[85]所示。

北京航空航天大學提出并設(shè)計了一種可展收拋物柱面天線，如圖33[86]所示。該天線通過組合多個剪式機構(gòu)單元構(gòu)成了軸向收展機構(gòu)，再與徑向收展機構(gòu)配合共同組成了天線網(wǎng)面支撐機構(gòu)，在該支撐機構(gòu)作用下天線可收攏折疊成一束，具有較高的收納比，通過仿真試驗驗證了所設(shè)計結(jié)構(gòu)的可行性。

結(jié)合已有資料，對拋物球面天線和拋物柱面天線數(shù)據(jù)進行整理，結(jié)果如表1所示。由表1可知，拋物球面天線工作頻率單一，口徑較拋物柱面天線小，部分天線收納比與可展拋物柱面天線相比較差；拋物柱面天線的相關(guān)研究起步較晚，可參考數(shù)據(jù)較少，目前主要應用于地球環(huán)境監(jiān)測及相關(guān)領(lǐng)域，口徑尺寸有往更大方向發(fā)展的趨勢，材料及折疊技術(shù)成為其向大口徑、輕量化發(fā)展的主要障礙。由于采用線饋源，易于實現(xiàn)多頻段共用，在目前日益復雜的通信環(huán)境中優(yōu)勢明顯，具有廣闊的應用前景。

表1 天線主要數(shù)據(jù)對比Table 1 Comparison of main data of antennas

續(xù)表

4 大型星載拋物面天線設(shè)計技術(shù)及方法

由于相關(guān)科技的快速發(fā)展，對星載拋物面天線提出了口徑更大、增益更高等要求，近年來國內(nèi)外對星載拋物面天線的相關(guān)研究主要集中在可展機構(gòu)設(shè)計、展開動力學分析、天線性能測試以及天線精度優(yōu)化等方面，智能優(yōu)化算法、新型建模方法等技術(shù)的應用使星載拋物面天線發(fā)展更加迅速。

4.1 天線可展機構(gòu)設(shè)計技術(shù)

隨著人類對空間探索步伐的加快，地面與衛(wèi)星間的信息傳遞更加遙遠、復雜，對天線增益提出了更高的要求，增大天線口徑成為提高星載拋物面天線通信能力最直接有效的方法之一，但由于運載能力和運載空間的限制，天線均以運載時收攏、在軌時展開的方式實現(xiàn)大型天線在軌工作的目的。研制高收展比、高剛度支撐機構(gòu)成為目前有限運載能力條件下增大天線口徑的重要技術(shù)之一。Shi等[87]基于圖論，以環(huán)形桁架式可展天線為基礎(chǔ)，提出了一種概念構(gòu)型綜合和拓撲結(jié)構(gòu)分析相結(jié)合的方法，設(shè)計出一種可折疊成直線的雙層環(huán)形桁架可展天線的折展單元，通過圖元支撐、加權(quán)鄰接矩陣方法得出折展單元的同步方法，并通過運動學仿真和3D打印折展模型的方法進行試驗，證明了設(shè)計方法和所設(shè)計折展單元的合理性。Han等[88-89]針對目前環(huán)形桁架天線在增大展開直徑時所帶來的桁架支撐結(jié)構(gòu)剛度下降的現(xiàn)象，通過對普通環(huán)形桁架式可展天線進行結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計了一種如圖34[89]所示的剪式雙環(huán)桁架可展機構(gòu)，該機構(gòu)由于可將反射面部署在外環(huán)，增大了桁架利用率，文章通過螺旋定理和圖論等方法進行了機構(gòu)模塊的自由度分析和運動學特性分析，基于牛頓-歐拉方程和虛功原理建立了剪刀雙環(huán)桁架展開機構(gòu)的動力學模型，最后通過MATLAB軟件和Adams軟件對所設(shè)計的天線進行了展開仿真，驗證了前期理論分析的正確性。Liu等[90]針對運載能力不足導致天線質(zhì)量及體積受到限制的現(xiàn)象，提出基于結(jié)構(gòu)設(shè)計公式和可展開天線結(jié)構(gòu)的動力學模型的一種具有最大剛度/質(zhì)量比動態(tài)約束的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，與遺傳優(yōu)化算法相結(jié)合，研制出一種新型的帶徑向肋和張拉索的大型電纜肋展開天線結(jié)構(gòu)，通過樣機研制對索肋張拉展開機構(gòu)的可行性和動力特性進行了驗證。

4.2 天線展開動力學分析

由于空間環(huán)境和信息傳輸?shù)男枨笫沟么罂趶健⒊罂趶教炀€技術(shù)發(fā)展迅速，使其在信號傳輸精度和廣度等方面得到明顯提升，但也不可避免地帶來一系列問題，例如口徑增大將導致天線剛度下降明顯、展開機構(gòu)自由度增加、形面精度難以保證等，這些問題均需要通過理論分析和試驗進行解決。由于目前地面微重力、真空試驗平臺還不成熟，故對天線進行動力學分析已逐漸成為目前最快捷、成本最低且必須的試驗手段。Mariyam和Chen[91]對所設(shè)計的六角形模塊化天線進行了動力學分析，運用閉環(huán)方程和齊次方程進行了展開軌跡分析，通過基于虛擬連桿的推導公式進行了天線每個關(guān)節(jié)的位置、速度和加速度計算，與傳統(tǒng)迭代計算相比，減少了計算時間，從而縮短了設(shè)計周期。Sun等[92]針對雙層環(huán)形桁架式可展天線的結(jié)構(gòu)特點，通過坐標變換法推導了內(nèi)外環(huán)的運動變化關(guān)系并建立了展開動力學通用模型，該模型可分析環(huán)形桁架式天線上任意節(jié)點的速度加速度變化，通過控制驅(qū)動電纜實現(xiàn)環(huán)形桁架的展開運動，最后利用仿真試驗證明了該控制方法可以使天線平穩(wěn)展開。Li等[93]針對目前常用的基于絕對節(jié)點坐標的有限元法在可展天線的有限元數(shù)量增加所帶來的動力學方程維數(shù)增加、仿真速度和準確性下降的現(xiàn)象，提出一種用于可展天線的多體系統(tǒng)微分代數(shù)方程組的并行計算方法，具體做法是先將整個天線模型分為多個獨立子系統(tǒng)，再用舒爾補碼方法消除各個子系統(tǒng)內(nèi)部廣義坐標和與內(nèi)部變量相關(guān)的聯(lián)合約束方程的拉格朗日乘子，隨后利用多層分解法對求解模型作進一步簡化，最后通過算例對比計算驗證了所提方法的有效性。

4.3 天線性能測試技術(shù)

不同于地面，太空環(huán)境中時刻充斥著來自太陽和其他星體的輻射熱流，同軌道不同時刻、不同位置的熱流也具有明顯差異，所帶來的溫度場劇烈變化將引起天線結(jié)構(gòu)縮脹明顯，造成反射面張力分布變化，使反射精度產(chǎn)生明顯下降，嚴重影響衛(wèi)星的通信能力，進行相關(guān)性能測試，優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)，對避免因變形、振動等因素造成的天線工作性能下降具有十分重要的意義。Wu等[94]針對目前常用的地面熱測試設(shè)備占地面積大、結(jié)構(gòu)復雜、成本較高的現(xiàn)象，介紹了一種可用于模擬大型可展天線在軌環(huán)境的簡易熱測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)主要由空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)和電加熱器組成，通過電加熱器和循環(huán)風機使空氣均勻受熱，采用比例積分控制器自動控制加熱器的加熱功率，測試系統(tǒng)如圖35[94]所示，通過CFD (Computational Fluid Dynamics)模擬，得出從試驗室底部回風和從試驗室頂部穿孔板送風的做法可以有效地使試驗室內(nèi)的空氣循環(huán)而不會產(chǎn)生大的流動擾動，經(jīng)過試驗驗證了該測試系統(tǒng)能提供一個較為理想的測試環(huán)境，相比傳統(tǒng)熱試驗設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點。Bi等[95]提出了大型可展天線在軌溫度場的計算方法，得出軌道不同位置的溫度場，發(fā)現(xiàn)軌道最高、最低溫度均小于天線的耐受溫度，通過研究不同季節(jié)、不同時刻的天線溫度場，發(fā)現(xiàn)天線溫度受日照影響較大，其中日照與網(wǎng)線的夾角為主要影響因素，通過觀測天線在軌運行的溫度變化情況，發(fā)現(xiàn)天線第二周期溫度變化與第一周期相差較小，前2個周期的天線熱測試試驗結(jié)果已具備參考價值，大大縮短研究試驗周期。為了研究天線可展機構(gòu)在展開過程中產(chǎn)生的動態(tài)特性對天線形面精度的影響，Siriguleng等[96]以環(huán)形桁架式可展天線為研究對象，對其進行了振動模態(tài)試驗，實驗結(jié)果如圖36[96]所示，經(jīng)過數(shù)值模擬與強迫振動試驗發(fā)現(xiàn)試驗模型中低頻模態(tài)振動和高頻模態(tài)振動之間存在非線性模態(tài)相互作用，環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)存在由低頻模態(tài)振動向高頻模態(tài)振動的能量傳遞現(xiàn)象。

4.4 天線精度優(yōu)化技術(shù)

為滿足日益增長的通信需求，星載拋物面天線朝著大口徑及超大口徑方向發(fā)展，由于運載空間的限制，大型星載天線的反射面幾乎均采用柔性可收攏的金屬索網(wǎng)制成，但由于金屬索網(wǎng)柔性較大，天線精度難以保證，如何提高并保證索網(wǎng)天線的反射精度成為國內(nèi)外眾多學者的研究焦點。Li等[97]針對目前常用的天線尋形方法存在尋形完成后有效反射面積減小的問題，提出將迭代力密度法與最低標準方法相結(jié)合的有效尋形方法，同時利用靜力分析、絕對坐標法描述并解決桁架和反射器的柔性問題，最后對多種天線進行了尋形分析，驗證了所提方法的可行性。索網(wǎng)天線中金屬絲網(wǎng)的編制形式、網(wǎng)眼尺寸及絲網(wǎng)延展性等將直接影響反射面精度，開展金屬絲網(wǎng)的力學性能等方面的研究，優(yōu)化絲網(wǎng)相關(guān)參數(shù)，對提高天線反射精度具有重要意義。張磊等[98]對不同織造密度經(jīng)編網(wǎng)眼織物進行了單軸和雙軸拉伸試驗，獲得了經(jīng)編網(wǎng)眼織物的力學性能，為金屬絲網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了有效的參考；Zhang等[99]針對索網(wǎng)天線中絲網(wǎng)建模和絲網(wǎng)非線性接觸等問題展開了研究，通過對絲網(wǎng)最小結(jié)構(gòu)單元進行擬合拓撲，建立了如圖37[99]所示的絲網(wǎng)模型并進行接觸分析，與絲網(wǎng)雙向拉伸試驗數(shù)據(jù)進行了對比，驗證了理論分析的正確性。Liu等[100]以Y型徑向肋可展天線為研究對象，建立了展開機構(gòu)的有限元模型，分析展開機構(gòu)在索網(wǎng)和拉索作用下的柔性變形，采用遺傳算法研究并優(yōu)化拉索預緊力，通過數(shù)值模擬得出優(yōu)化后的天線形面精度和固有頻率得到明顯提高。

5 大型星載拋物面天線發(fā)展趨勢

隨著材料科學、結(jié)構(gòu)設(shè)計等技術(shù)的發(fā)展，星載拋物面天線在形面精度、展開口徑方面還有較大的提升空間。經(jīng)過對國內(nèi)外相關(guān)研究的分析，作者認為星載拋物面天線在(超)大口徑天線、具備多頻段共用功能的拋物柱面天線以及適用于商業(yè)航天的小衛(wèi)星星載可展天線領(lǐng)域?qū)⒂休^大的發(fā)展。

5.1 大口徑及超大口徑拋物面天線

通信技術(shù)的快速發(fā)展對天線口徑和增益要求越來越高，這與運載火箭的運載能力相矛盾。結(jié)合現(xiàn)有天線技術(shù)，可展開構(gòu)架式天線、空間可組裝天線、充氣式天線以及環(huán)形桁架式可展天線是現(xiàn)有運載能力條件下實現(xiàn)天線大口徑及超大口徑天線在軌工作的有效途徑。

可展開構(gòu)架式天線采用模塊化思維，通過修改單個模塊的尺寸以及調(diào)整模塊數(shù)量，易實現(xiàn)增大口徑、提高形面精度和收納比等目的，但現(xiàn)有的構(gòu)架式天線技術(shù)使天線在口徑增大的同時質(zhì)量增加明顯，對運載火箭的運載能力具有較高要求。隨著新材料、新構(gòu)架方法的深入研究，未來高剛度、低質(zhì)量的支撐材料以及結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的構(gòu)架方法的提出將使構(gòu)架式天線在口徑方面具有更出色的表現(xiàn)。

由于運載平臺空間的限制，導致天線尺寸受到較大的制約。針對這一狀況，相關(guān)技術(shù)人員提出空間可組裝天線技術(shù)，即在設(shè)計階段將大口徑天線設(shè)計成可拆卸易拼裝的形式，在地面將天線進行拆解，分批次或一次性堆疊運送到太空，隨后通過宇航員或機器人進行組裝，最終實現(xiàn)大口徑天線在軌運行的目的。日本于2007年便提出通過在軌組裝技術(shù)實現(xiàn)150 m超大口徑光學望遠鏡在軌工作的概念。美國國防高級研究計劃局計劃在2021年3月前發(fā)射太空機器人，主要用于在軌維修衛(wèi)星、組裝和升級部件等任務。由此看來，空間組裝技術(shù)將迎來高速發(fā)展階段，這對于大口徑天線在軌工作的實現(xiàn)帶來另一種切實可行的解決辦法。

具有復雜支撐結(jié)構(gòu)的可展拋物面天線在增大口徑的同時帶來了多種缺陷，如展開自由度增加、天線質(zhì)量過重、支撐系統(tǒng)剛度下降、天線整體精度和可靠性降低等。而充氣式可展天線最大的優(yōu)點便是收納比高、即便是超大口徑充氣式天線，在整體質(zhì)量和收攏體積方面均表現(xiàn)優(yōu)異。目前充氣式天線的相關(guān)應用還較少，主要原因在于天線在軌充氣方式和天線表面破損對精度的影響等方面的問題還未得到較好的解決。若充氣式天線在一定條件下使反射面硬化，達到擺脫壓縮機、降低面密度的目的，也使得天線具有一定的抗破損能力，故目前對充氣式天線的研究轉(zhuǎn)化為對新材料的開發(fā)，且此類新材料在空間柔性倉的建設(shè)等方面也具有重要意義，已成為目前的研究熱點，相信隨著研究的深入，充氣式天線將成為未來大口徑及超大口徑天線中不可缺少的一類。

環(huán)形桁架式可展天線因其具有高收納比、面密度較低、天線質(zhì)量不因口徑的增大而比例增加等優(yōu)勢，被認為是實現(xiàn)大口徑及超大口徑天線目的中優(yōu)勢較大的天線形式。但隨著口徑增大，天線的環(huán)形支撐系統(tǒng)將出現(xiàn)剛性降低、柔度增大的情況，對天線精度有較大影響，為此，相關(guān)學者針對這一現(xiàn)象展開了深入研究，如通過設(shè)計雙層環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)、優(yōu)化和改進桁架結(jié)構(gòu)中桿件的布局等方法提升大口徑環(huán)形桁架式可展天線整體剛度和精度，現(xiàn)已取得一定進展，驗證了此類天線在大口徑方面的潛能，逐漸成為大口徑及超大口徑天線領(lǐng)域的一大研究熱點。

5.2 具備多頻段共用功能的星載拋物柱面天線

空間電磁環(huán)境隨著人們對空間的利用程度的增加而變得日益復雜，拋物球面天線在此類環(huán)境下的微弱信號傳遞能力低，同時段傳輸頻段單一，日顯乏力。拋物柱面天線由于具有強方向性、高增益、寬刈幅以及多頻段信號共用等優(yōu)勢，已逐漸成為研究熱點。由于起步較晚，對于拋物柱面天線的相關(guān)研究大部分還處于理論設(shè)計及地面試驗階段，但美國、德國、日本等國家已相繼開展在軌試驗并取得一定成果，中國部分研究所和高校也對其展開了深入研究，預計未來幾年，拋物柱面天線的研究將進入高速發(fā)展階段，天線類型和在軌數(shù)量將會快速增加，屆時具備多頻段共用功能的航天器具備民用和軍用快速轉(zhuǎn)化的功能，將在無線信息傳輸和太空攻防博弈中發(fā)揮重大作用。

5.3 適用于商業(yè)航天領(lǐng)域的小衛(wèi)星星載可展天線

早在2017年，全球商業(yè)航天市場經(jīng)濟規(guī)模便高達3 073億美元，超過航天經(jīng)濟總量的4/5。中國于2014年出臺相關(guān)政策，鼓勵民間資本參與國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加上后續(xù)各互聯(lián)網(wǎng)巨頭和投資機構(gòu)的資金注入，中國商業(yè)航天進入高速發(fā)展階段。由于人造衛(wèi)星在無線通信、深空探測以及對地監(jiān)測等方面具有無法替代的作用，全球衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量日益增長，其中小衛(wèi)星由于研制周期短、發(fā)射成本低，受益于近年來衛(wèi)星小型化設(shè)計技術(shù)以及模塊化設(shè)計的突破性進展，使小衛(wèi)星具備更多更強的功能，導致全球小衛(wèi)星發(fā)射量和占比增長顯著。據(jù)統(tǒng)計，2012—2017年，全球小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量由16顆增長到256顆，增幅達16倍，在衛(wèi)星總發(fā)射量中的占比由最初的不到20%增長到75%以上，由于運載火箭相關(guān)技術(shù)的再升級，“一箭多星”的實現(xiàn)進一步降低了小衛(wèi)星的發(fā)射成本，小衛(wèi)星的發(fā)射量和比重將迎來爆發(fā)式增長。為此，針對小衛(wèi)星的配套部件，包括適用于小衛(wèi)星的固面天線的相關(guān)研究已成為目前天線領(lǐng)域的一大熱點，但隨著對小衛(wèi)星信息傳輸精度和衛(wèi)星整體質(zhì)量的要求不斷提高，固面天線由于高面密度的缺點，限制了其向更大口徑的發(fā)展，已逐漸難以滿足人們的需求。由于歐美等國相關(guān)星座計劃的不斷提出，國外相關(guān)技術(shù)公司例如L3Harris等已開展了小型網(wǎng)狀可展天線的相關(guān)研究并取得一定進展，隨著中國虹云星座、鴻雁星座等一系列太空任務的開展，針對小衛(wèi)星的高收納比網(wǎng)狀可展天線的研究已不可避免，而且相關(guān)研究勢必成為未來星載天線發(fā)展的一大趨勢。

6 結(jié) 論

本文總結(jié)了大型星載拋物面天線的研究進展。首先綜述了國內(nèi)外研究較為成熟的拋物球面天線，隨后對近年來發(fā)展迅速的拋物柱面天線做了簡要介紹。拋物球面天線因研究較早，成果較多，已成功應用于多類太空任務；拋物柱面天線因其具有多頻段信號傳遞功能以及寬刈幅、強方向性等優(yōu)點，已成為一大研究熱點，目前主要應用于對地環(huán)境監(jiān)測方面。多功能、多頻段、高增益、高精度、輕質(zhì)量成為天線發(fā)展的目標，大型化、模塊化、展開可控等成為實現(xiàn)目標的主要技術(shù)手段，材料學、機械學、力學和控制學等眾多科技領(lǐng)域的交叉融合問題以及大量技術(shù)難題成為目前天線發(fā)展的瓶頸之一。由于太空資源的重要性越發(fā)凸顯，且隨著相關(guān)學科和工藝技術(shù)等方面的發(fā)展和創(chuàng)新，相信在不久的將來，星載拋物面天線將在口徑、精度以及多頻段支持等方向取得突破性進展。