劉良玉 張健軍 陳銀平 匡全進 薛俊杰

新型星載AIS可展開天線結構設計

劉良玉 張健軍 陳銀平 匡全進 薛俊杰

（上海航天電子技術研究所，上海 201109）

針對AIS天線工作頻率低，天線尺寸較大，無法滿足微小衛(wèi)星發(fā)射平臺，設計了一種新型高收納率輕型可展開AIS八木天線。通過引入自回彈-自鎖定柔性材料、新型電阻絲熔斷器、固定可展開抱箍、自鎖定展開裝置等，實現(xiàn)天線的收攏、固定、釋放、展開、鎖定一體化設計。本方案具有結構緊湊、質(zhì)量輕、收納率高、收攏體積小、成本低等優(yōu)點，有效減小了發(fā)射包絡和發(fā)射成本，在宇航領域尤其是小型化搭載平臺具有廣泛的應用前景。

AIS；八木；可展開天線；收納率

1 引言

隨著世界經(jīng)濟一體化的發(fā)展，海上商業(yè)運輸船數(shù)量與日俱增，呈現(xiàn)出數(shù)量多、密度高、航線擁擠等特點。國際社會對海上船舶檢測、識別及跟蹤，實現(xiàn)全球海上船舶目標檢測與安全救助的應用需求日益迫切。船舶自動識別系統(tǒng)（簡稱AIS）是一種新型的船舶避碰系統(tǒng)，用于船舶、船岸之間自動應答和識別。AIS主要由船臺和岸站系統(tǒng)組成。岸載AIS是一種裝備在海洋沿岸的AIS 信號監(jiān)聽裝置，其主要功能是實時捕獲沿岸海域船舶的AIS信號。AIS信號一般包含船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)、航行、安全等信息[1，2]。

由于受到傳播距離的限制，岸載AIS無法覆蓋全球海洋船舶的狀態(tài)信息。與傳統(tǒng)岸載AIS相比，星載AIS系統(tǒng)是在傳統(tǒng)陸基AIS 的基礎上，通過使用低軌小衛(wèi)星或小衛(wèi)星星座接收船載AIS站臺發(fā)出的信號，并將其轉(zhuǎn)發(fā)到地面站分析、處理[3]。星載AIS系統(tǒng)可接收大范圍乃至全球海域內(nèi)船舶的AIS 信號，實現(xiàn)國家周邊海域乃至全球海域的船舶信息跟蹤和實時監(jiān)控。2003年Wahl和Hoye首次提出星載AIS的概念后，星載AIS系統(tǒng)受到各國高度關注，并取得了快速發(fā)展[4]。

AIS天線是星載AIS的重要組成部分，主要功能是接收船艦發(fā)射的AIS信號，通過星載AIS接收機獲取船-船、船-岸之間的交互信息[1～4]。AIS天線工作頻率較低，而天線工作頻率越低尺寸越大。由于搭載能力的限制，傳統(tǒng)大尺寸天線無法實現(xiàn)在微小衛(wèi)星平臺上的有效搭載，極大限制了載荷在微小衛(wèi)星平臺的應用形式。主要任務是設計一種適用于微小衛(wèi)星搭載平臺的AIS天線。

目前從國外衛(wèi)星AIS分系統(tǒng)的接收天線來看，天線的樣式多種多樣，主要采用四分之一波長振子天線、振子陣列天線、螺旋天線、八木天線等，不同形式的天線具有不同性能特點，詳見表1。

表1 不同天線方案電性能表

為滿足星上AIS分系統(tǒng)對地面艦船AIS信號時序沖突的解算要求，天線的波束寬度需盡可能窄、波束邊緣增益需盡可能高，以減小系統(tǒng)偵收AIS信號時序沖突的概率。結合表1中所述幾種常用天線，選擇八木天線作為AIS天線。

2 方案介紹

圖1 八木天線結構示意圖

八木天線（Yagi-Uda Antenna）全稱“八木宇田”天線，由日本東京大學的八木秀次（Hidesugu Yagi）和宇田新太郎（Shintaro Uda）共同研制。八木天線又稱引向天線，采用平行布局。典型的八木天線整體呈“王”字型，由三對振子組成：輻射器（又稱有源振子或主振子）、引向器和反射器，如圖1所示。輻射器通過饋線和發(fā)射機功放輸出或與接收機前端輸入相連，被饋電后在空中產(chǎn)生電磁波，輻射器位于三對振子的中間；引向器位于輻射器的一側，可增強接收過來或發(fā)射出去的電磁波，長度比輻射器稍短；反射器位于輻射器的另一側，可削弱接收過來或發(fā)射出去的電磁波，長度比輻射器稍長。引向器允許存在多個，其數(shù)量多少與方向尖銳、增益高低成正比[3，4]。

對于工作在低頻波段的天線尺寸較大，采用八木天線的結構形式后尺寸進一步增大，而星載天線對發(fā)射尺寸要求極為嚴苛，唯有進行可收攏展開設計才能滿足星載天線的發(fā)射環(huán)境要求。

2.1 結構組成

采用三單元八木天線，三單元分別對應反射器單元、輻射器單元、引向器單元，每層單元由呈圓周均布的四根振子組成，三層單元分別固定在中心支撐桿上。由于呈圓周均布的四根振子具有一定尺寸，而天線星上安裝位置一般為側板，為滿足天線使用要求，需要借助根部支撐桿將三單元八木天線延伸出側板一定距離，根據(jù)電性能仿真，最終確定八木天線工作尺寸為1020mm×684mm×1066mm，如圖2所示。

圖2 八木天線工作狀態(tài)示意圖

如圖2所示，如不進行收攏設計，這種大尺寸的發(fā)射包絡無法滿足微小衛(wèi)星的發(fā)射條件。因此目標是設計一種滿足電性能及微小衛(wèi)星發(fā)射包絡要求的可展開八木天線（以下簡稱天線）。

根據(jù)天線的結構形式，將天線設計成三節(jié)可展開的形式，展開狀態(tài)如圖2所示，收攏狀態(tài)如3所示。收攏后天線尺寸為656mm×95mm×160mm，收攏率高達98.7%，大大減小了發(fā)射包絡。

圖3 八木天線收攏狀態(tài)示意圖

天線主要組成為：輻射器、反射器、引向器、支撐桿、展開裝置、抱箍、固定釋放裝置、固定座、卡座及其它結構件等。支撐桿為三單元八木天線的主結構，主結構通過根部支撐桿延伸到衛(wèi)星外，防止遮擋、干擾其它星上產(chǎn)品以及自身電性能損失；天線振子選用自回彈-鎖定柔性材料，既方便折疊收攏又可以自回彈展開；固定釋放裝置為捆扎固定、熔斷釋放一體裝置，通過捆扎繩捆扎的形式將整個天線保持收攏形態(tài)，到達規(guī)定軌道后通電熔斷捆扎繩將整個天線釋放；展開裝置為整個天線展開提供驅(qū)動力；抱箍及卡座等一方面為支撐桿提供一定的支撐，另一方面又為振子提供限位保持設計時的收攏構型。

2.2 展開規(guī)劃

天線為三節(jié)兩次展開，衛(wèi)星到達指定位置后，一級固定釋放裝置通電捆扎繩熔斷，天線釋放，根部支撐桿在一級展開裝置的驅(qū)動下展開并鎖定，一級展開到位后天線狀態(tài)如圖4所示。

圖4 天線一級展開到位狀態(tài)示意圖

一級展開到位鎖定達到穩(wěn)定狀態(tài)后，二級固定釋放裝置通電捆扎繩熔斷，兩根支撐桿在二級展開裝置的驅(qū)動下同時展開并鎖定，同時所有振子失去限位在自身彈力作用下展開，此時整個天線完全展開到工作狀態(tài)，如圖2所示。

3 細節(jié)設計

3.1 自回彈-自鎖定柔性振子

表2 振子參數(shù)表 mm

反射器、輻射器和引向器中所用振子均由卷尺材料制作而成[5～8]，卷尺原材料為優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼50，通過特定熱處理以及設計卷尺的弧度、厚度、寬度和長度參數(shù)，兼顧材料柔性和剛度，既保證振子多次彎折后不斷裂，又保證振子彎折后具有足夠的自回彈力。由于振子為弧形設計，在材料參數(shù)設計合理、剛度足夠的情況下，撤除外力（收攏應力）時振子將會穩(wěn)定到初始形狀，完成自鎖定。本文中所用振子參數(shù)如表2所示。

3.2 固定釋放裝置

天線引入了兩個固定釋放裝置，固定釋放裝置由抱箍、熔斷器、預緊裝置及捆扎繩等組成。兩個固定釋放裝置工作原理一致，以一級固定釋放裝置為例詳細介紹設計過程。

抱箍為可展開結構，由扭簧提供展開力矩，收攏狀態(tài)在捆扎繩的束縛下抱箍保持閉合狀態(tài)，此時扭簧處于預緊狀態(tài)，捆扎繩熔斷后，在扭簧的作用力下抱箍展開。抱箍展開角度采用機械限位，最大展開角度為30°，防止展開尺寸太大與周圍產(chǎn)品發(fā)生干涉。抱箍使用的扭簧最大展開力矩為10kg?mm，最大展開角度為180°。抱箍收攏和展開狀態(tài)如圖5所示。

圖5 固定釋放裝置示意圖

圖6 熔斷器示意圖

熔斷器的工作原理是電阻絲通電發(fā)熱，溫度達到捆扎繩的熔點后捆扎繩熔斷[9，10]，釋放對天線的束縛。熔斷器選用新型電阻絲材料，通過S型串聯(lián)纏繞以及基座的弧形設計增加捆扎繩與電阻絲的接觸面積，保證捆扎繩與電阻絲充分接觸；電阻絲與供電線通過焊接到焊片上實現(xiàn)導通。熔斷器結構如圖6所示。

捆扎繩選用高強度低熔點大力馬線，熔斷溫度約為350℃。捆扎預應力通過串聯(lián)預緊彈簧實現(xiàn)，如圖7所示。電阻絲選用鐵鉻鋁電阻絲[11]，直徑0.5mm；捆扎繩選用直徑1mm的大力馬線，供電電壓5V、電流2.5A，熔斷時間約10s；預緊彈簧最大位移量3mm，最大負載20.9N。

圖7 預緊裝置示意圖

3.3 收攏過程

收攏過程與展開過程相反，收攏時先二級收攏再一級收攏。

3.3.1 二級收攏

通過引入自回彈-鎖定柔性振子可以方便實現(xiàn)引向器、輻射器、反射器的收攏。收攏時將振子彎折貼附在對應支撐桿上，其中輻射器和反射器貼附在中間支撐桿上，引向器貼附在端部支撐桿上，如圖8所示。由于振子具有自回彈特性，收攏時可借助工裝預固定，待整個天線收攏捆扎完后拆除。

圖8 八木天線振子收攏后示意圖

支撐桿外形弧度設計成與振子弧度一致，收攏狀態(tài)下振子能夠保持自身結構形狀不變，保證展開時振子回彈力不損失。展開裝置最大展開角度為180°，在0°～180°范圍內(nèi)可自由展開到180°并鎖定。收攏時先將兩個二級展開裝置同時解鎖，將天線折疊到圖4狀態(tài)。抱箍內(nèi)表面為內(nèi)凹弧形設計，收攏后可以與支撐桿及振子外表面牢固貼合，此時將二級固定釋放裝置捆扎，完成二級收攏。

3.3.2 一級收攏

二級收攏完成后，解鎖一級展開裝置將天線折疊180°，折疊時利用卡座的內(nèi)凹設計將二級固定釋放裝置及抱箍固定卡住，此時將一級固定釋放裝置捆扎，整個天線完成收攏。收攏后天線狀態(tài)如圖9所示。

圖9 八木天線收攏狀態(tài)實物圖

4 仿真分析

模態(tài)分析是檢驗結構是否穩(wěn)定的重要依據(jù)。采用的有限元分析軟件是MSC Patran/Nastran。在不影響整體結構強度的前提下，考慮求解精度和計算量，建立有限元模型時簡化了一些零件、特征及連接關系。刪除若干小零件，如預緊裝置、熔斷器、緊固件、接插件、彈簧等，去除零件中不影響結構的倒角和安裝孔等細小特征，只保留部分部件主結構，如展開裝置、振子固定模塊等，簡化的零部件質(zhì)量用質(zhì)量點代替[12，13]。

將簡化后的Pro/E模型導入Patran軟件有限元劃分，其中振子用殼單元模擬，其余零件用體單元模擬，模型中所有連接簡化為剛性連接，如圖10所示。

圖10 天線有限元模型

圖11 天線第一階模態(tài)振型云圖（54.4Hz）

圖12 天線第二階模態(tài)振型云圖（63.7Hz）

圖13 天線第三階模態(tài)振型云圖（130.4Hz）

固定天線與星體安裝面，即固定座、卡座、抱箍底座安裝面所有節(jié)點，進行模態(tài)分析。天線前三階固有頻率分別為54.4Hz、63.7Hz、130.4Hz，天線前三階模態(tài)振型均為天線整體變形，如圖11～圖13所示。

由仿真結果可知，天線收攏時的固有基頻為54.4Hz，遠高于一般衛(wèi)星基頻20Hz，結構穩(wěn)定。

5 結束語

以微小衛(wèi)星為搭載平臺，設計了一種新型高收納率輕型可展開AIS八木天線。通過引入自回彈-自鎖定柔性材料、新型電阻絲熔斷器、固定可展開抱箍、自鎖定展開裝置等，實現(xiàn)可展開天線的一體化設計。

從方案選擇、結構設計、收攏展開規(guī)劃等具體介紹了AIS天線的實現(xiàn)過程。天線收攏后尺寸為656mm×95mm×160mm，收攏率高達98.7%，滿足微小衛(wèi)星發(fā)射包絡要求；天線收攏狀態(tài)下基頻為54.4Hz，遠高于一般衛(wèi)星基頻（20Hz），結構穩(wěn)定。具有結構緊湊、質(zhì)量輕、收納率高、收攏體積小、成本低等優(yōu)點，在宇航領域尤其是小型化搭載平臺具有廣泛的應用前景。

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The Novel Design of Space-based AIS Deployable Antenna

Liu Liangyu Zhang Jianjun Chen Yinping Kuang Quanjin Xue Junjie

(Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai 201109)

AIS antennas operate at very high frequency (VHF) often require large dimensions, which is incompatible with microsatellite launch platform. This paper introduces a lightweight and high space compression ratio structure of a deployable AIS Yagi antenna for microsatellite system. The design utilized self-rebounding and self-locking flexible materials, resistance fuse, deployable fixed hoop, self-locking unfolding device, etc. The design developed a novel approach for an integrated, lightweight, high space compression ratio, small launch size and low cost antenna, whose structure can fix, release, unfold and lock, which effectively reduced the launch envelope and launch cost. Furthermore, the design will present a wide aerospace application prospect, especially in microsatellite systems.

AIS；Yagi；deployable antenna；compression ratio

V476

A

劉良玉（1987），工程師，機械設計制造及其自動化專業(yè)；研究方向：天線結構設計。

2021-08-14