可折疊反射面天線的發(fā)展現(xiàn)狀及前景

郭東洋，李 萍，王藝潼，李俊理

(1.武警工程學(xué)院研究生大隊(duì)，陜西西安 710086;2.武警沈陽指揮學(xué)院技術(shù)基礎(chǔ)教研室，遼寧沈陽 110000)

隨著“立體化、信息化”戰(zhàn)場模式的建立與發(fā)展，無線通信技術(shù)在未來戰(zhàn)爭中的作用日益突出，甚至成為戰(zhàn)事成敗的關(guān)鍵。天線作為無線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵構(gòu)件，成為各國軍事領(lǐng)域致力發(fā)展的一項(xiàng)重要技術(shù)。就太空領(lǐng)域而言，太空之間、太空與地面之間的聯(lián)絡(luò)離不開高增益天線。在地面上，執(zhí)行遠(yuǎn)距離作戰(zhàn)任務(wù)的班、排或單兵欲取得和指揮部的聯(lián)絡(luò)也離不開高增益天線。對此時的機(jī)動分隊(duì)而言，重量、架設(shè)難易度便成為天線在遠(yuǎn)距離作戰(zhàn)中的另一個重要性能指標(biāo)。反射面天線屬于一種高性能的高增益天線，迄今為止該類型天線已經(jīng)在衛(wèi)星、機(jī)載雷達(dá)、地面站、移動通信站、車載站等場合中得到了廣泛的應(yīng)用研究。常規(guī)的反射面天線由于多采用剛性板塊構(gòu)成，因而存在重量大、成本高、架設(shè)難度大等缺點(diǎn)，不符合未來戰(zhàn)場上對通信設(shè)備機(jī)動靈活性的要求。因此，可折疊反射面天線就成了衛(wèi)星通信和深空通信的最佳選擇。

1 可折疊天線的主要類型

反射面天線因具有單個天線增益高、頻帶寬的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、微波通信中繼、移動通信基站、車載站等場合［1］。除衛(wèi)星通信外，現(xiàn)今普遍使用的天線的反射面大多由剛性材料制成。不能夠折疊壓縮、體積大、質(zhì)量高、成本高等缺點(diǎn)限制了此類天線在架設(shè)地點(diǎn)機(jī)動性較強(qiáng)場合中的應(yīng)用。在衛(wèi)星通信中，由于受航天運(yùn)載工具整流罩容積的限制，衛(wèi)星發(fā)射時天線必須折疊起來收藏于衛(wèi)星罩內(nèi)。當(dāng)衛(wèi)星入軌后，天線再靠自帶的動力源自動展開，這就是所謂的可折疊式反射面天線。按照反射面的結(jié)構(gòu)形式，可將目前國內(nèi)外中出現(xiàn)的此類天線劃分為3類:

(1)固面反射面［2］。

多數(shù)固面反射面天線由中心轂和剛性板塊組成。固面反射面材料多選用金屬板或者碳纖維增強(qiáng)塑料(CTFR)。由于板塊可加工成較為理想的拋物面，因而這種反射面的最大優(yōu)點(diǎn)是精度較高。據(jù)報(bào)道，一個口徑為10 m的固面反射面天線，表面精度可達(dá)0.13 mm。天線的工作頻率超過40 GHz時，對天線表面精度要求較高，往往選用此類天線。然而，一臺直徑12 m的天線其反射面需要近百塊面板組成，而直徑為25 m的天線需要的面板則超過300塊。因而，此類天線具有重量大、造價(jià)高、收縮比小的缺點(diǎn)，僅局限于尺寸較小的可展開天線，故其應(yīng)用較少。目前已經(jīng)在衛(wèi)星上得到應(yīng)用的實(shí)體反射面天線的最大口徑為3.5 m。

(2)充氣式反射面［3－5］。

充氣式天線的主要構(gòu)件由薄膜粘結(jié)而成。在發(fā)射前由于沒有充氣，故可壓縮成很小的體積而存放在盒內(nèi);進(jìn)入軌道后，充氣并膨脹展開。通過太陽輻射使形面固化成所要求的曲面形狀。這種天線的優(yōu)點(diǎn)是收縮比較高、重量輕、加工費(fèi)用低。盡管充氣式天線的反射器直徑可以做得很大，但是很難獲得高精度的反射面，故其工作頻率較低。

(3)網(wǎng)狀反射面［6－7］。

網(wǎng)狀反射面是將剛性固面反射面用金屬網(wǎng)代替，質(zhì)量較輕、收縮比大、工作頻帶寬，波導(dǎo)饋電系統(tǒng)可以工作在大功率，且容易實(shí)現(xiàn)多波束、多頻段、多極化以及電掃描和電控波束寬度，適合于高分辨率的小衛(wèi)星SAR天線。如俄羅斯發(fā)射的資源系列衛(wèi)星RESURS－0上的SAR天線，以及1996年在和平號空間站自然艙上的雙波段SAR天線。我國近年來開始網(wǎng)狀可展開天線的研究和研制工作，天線的形式有傘狀可展開式、構(gòu)架可展開式、環(huán)狀可展開式和纏繞肋可展開天線。然而，國內(nèi)對網(wǎng)狀反射面天線理論分析以及仿真分析上較少，加之技術(shù)限制，目前還沒能力生產(chǎn)性能良好的編織結(jié)構(gòu)的鍍金鉬絲網(wǎng)和不銹鋼鍍鎳網(wǎng)。

2 發(fā)展制約因素

上述3種形式的可折疊反射面天線僅在太空通信中得到廣泛應(yīng)用，而少見于地面通信系統(tǒng)。事實(shí)上，這種可折疊的反射面天線結(jié)構(gòu)具有增益高、重量輕、折疊后攜帶方便等優(yōu)勢，與目前其他同樣性能天線相比更適合應(yīng)急、處突、搶險(xiǎn)、救災(zāi)、搜救等場合。從實(shí)用的角度進(jìn)一步考慮，在上述3種形式的可折疊天線中，網(wǎng)狀反射面天線具有良好的表面精度、較大的收縮比和相對簡單的架設(shè)過程，然而該類天線在地面通信中的進(jìn)一步推廣應(yīng)用仍存在一定難度。究其原因主要受以下3個方面因素的限制:(1)網(wǎng)面調(diào)整，隨著口徑增大和工作頻段的提高，對反射器的精度要求也越來越高，而目前反射面的分析與調(diào)整技術(shù)還有待進(jìn)完善。(2)網(wǎng)面測量，網(wǎng)面的測量技術(shù)相對落后，測試的效率較低。(3)加工工藝，以網(wǎng)狀反射面天線為例，不銹鋼鍍鎳和鍍金鉬絲這兩種網(wǎng)在生產(chǎn)上仍存在很大技術(shù)難度，就造成了制造成本大幅提高。

3 新材料帶來的機(jī)遇

近年來，在各種無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用要求與新型材料和加工工藝的推動下，天線技術(shù)發(fā)展迅速［3］。經(jīng)過幾年的研究測試發(fā)現(xiàn):銀纖維布具有導(dǎo)電性能好、反射率高、質(zhì)量小、表面光潔度好，可折疊10萬次以上而不影響電性能等特點(diǎn)，是制作電磁波反射面的理想材料，因此有著廣闊的應(yīng)用前景。課題組依托中電科技集團(tuán)針對單層和雙層兩種銀纖維布進(jìn)行了電磁性能測試。測試表明:在7～25 GHz的頻段內(nèi)，單層銀纖維布的反射能力范圍為30～60 dB，雙層銀纖維布的反射能力范圍為65～80 dB，因此可以用作反射面天線的反射材料。隨著銀纖維布的推廣使用，相信輕便、可折疊的反射面衛(wèi)星天線將成為發(fā)展趨勢。

4 結(jié)束語

反射面天線在雷達(dá)探測、衛(wèi)星通信、天文探測等領(lǐng)域有著不可代替的作用。減輕天線的質(zhì)量，減小天線的面積，使天線能夠折疊和展開必然成為一種發(fā)展趨勢。隨著銀纖維布等新材料的使用和可折疊結(jié)構(gòu)的發(fā)展應(yīng)用，可折疊反射面天線必然有著重要的研究價(jià)值和前景。

［1］林昌祿.天線工程手冊［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

［2］GUEST S D，PELLEGRINO S.A new concept for solid surface deployable antennas［J］.Acta Astronautica，1996，38(2):181－193.

［3］GUNNAR T.Deployable tensegrity structures for space applications［D］.Stockholm:Royal Institute of Technology Department of Mechanics，2002.

［4］HUANG J.The development of inflatable array antennas［J］.IEEE Antennas and Propagation Magazine，2001，43(4):352－360.

［5］HUANG J，LOU M，KIM A.An inflatable L － band microstrip SAR array［J］.IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium，1998(4):2100－2103.

［6］TAKANO T，MIURA K，NATORI M，et a1.Deployable antenna with 10 m maximum diameter for space use［J］.IEEE Transactions on Antenna and Propagation，2004，52(1):2 －11.

［7］TAKANO T，NATORI M，MIYOSHI K，et a1.Characteristics verification of a deployable onboard antenna of 10 m maximum diameter［J］.Acta Astronautica，2002，51(11):771 －778.