一種航天器太陽電池陣共形天線研究

杜娟 岑成 畢誠

(北京市遙感信息研究所，北京 100192)

航天器所使用的天線按照天線形式，可分為線天線、喇叭天線、反射面天線和陣列天線等[1]，現(xiàn)有大部分天線主要具有口徑大、剖面深、外突高與數(shù)量多等特點(diǎn)，同時(shí)帶來航天器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、姿態(tài)控制難度大等問題。

根據(jù)美國電氣和電子工程師學(xué)會(huì)的定義，共形天線指同某一表面共形的天線或陣列[2]。共形天線具有與載體結(jié)構(gòu)渾然一體的優(yōu)點(diǎn)，因此，使用共形天線改善上述航天器現(xiàn)有天線存在問題，減少天線數(shù)量就成為了有效途徑之一。

把太陽電池陣與天線綜合在一起已有先例。文獻(xiàn)[3]介紹了太陽電池陣綜合天線(integrated splor panel antennas)基本情況，其中一種典型情況是平行結(jié)構(gòu)的綜合天線。例如，歐洲航天局就設(shè)計(jì)了太陽電池陣與天線平行安裝的ESA-Rolant天線[4],此設(shè)計(jì)增加了太陽翼面積(所增加部分不具備太陽電池功能)。

本文在定義太陽電池陣共形天線概念的基礎(chǔ)上，利用太陽電池陣基板的背面，在不增加太陽板面積的情況下，研究、設(shè)計(jì)了太陽電池陣共形天線的總體結(jié)構(gòu)、陣元結(jié)構(gòu)、傳輸饋線與饋電方法等，通過在大型航天器雙翼太陽電池陣S與X雙頻段共形天線的電氣性能仿真分析，驗(yàn)證天線的實(shí)用性。

1 太陽電池陣共形天線概念

太陽電池陣是航天器的重要組成部分[5-6]。根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)特性，基板可分為剛性、柔性與半柔性3種形式。其中，廣泛應(yīng)用的是剛性基板(以下所述均指剛性太陽電池陣)。太陽電池陣結(jié)構(gòu)由兩部分組成，即基板和把基板與航天器本體相連接的連接結(jié)構(gòu)?；宓淖饔檬浅休d太陽電池，基板大小和數(shù)量由航天器系統(tǒng)要求和運(yùn)載火箭整流罩容許空間所決定。連接結(jié)構(gòu)把最靠近航天器本體的太陽板與航天器本體結(jié)構(gòu)相連起來，主要作用使得太陽板與衛(wèi)星本體隔開一定距離，避免因航天器本體或其上其他設(shè)備遮擋太陽光[7-8]。太陽電池陣基板的上面板安裝了太陽電池陣列，現(xiàn)有太陽電池陣僅為為航天器提供電能，不具有天線的功能。

航天器共形天線首要面臨的是兩個(gè)問題：①找到航天器上能夠?yàn)楣残翁炀€提供足夠面積的部件；②該部件指向能夠基本保持固定，至少在有限時(shí)段與弧段內(nèi)保持穩(wěn)定。

從太陽電池陣面積大小來看，太陽電池陣展開面積一般比航天器表面積大數(shù)倍至數(shù)十倍，是現(xiàn)有天線面積的若干倍，具備滿足航天器高增益天線的要求；從結(jié)構(gòu)來看，太陽電池陣展開后其基板基本為平面，有利于這種結(jié)構(gòu)共形天線電氣性能的分析計(jì)算與工程設(shè)計(jì)，適合作為共形天線的載體；從強(qiáng)度來看，太陽電池陣基板采用上、下面板的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)[8]，上面板用于粘貼太陽電池，下面板除走線外，還有足夠的面積作為共形天線的載體，而其中的上、下面板之間的夾層起支撐作用，而且基板還有邊框，因此，強(qiáng)度上滿足共形天線的要求；從太陽電池陣的

方向性來看，因其對(duì)日定向而指向變化緩慢，具備作為天線使用的指向性穩(wěn)定要求。因此，根據(jù)共形天線原理，用太陽電池陣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將航天器太陽電池陣共形天線定義為：不影響航天器太陽電池陣功能與結(jié)構(gòu)，將陣列天線的陣列單元嵌入太陽電池陣的背面基板內(nèi)、或粘貼在太陽電池陣的背面基板上，所形成的與航天器太陽電池陣的基板形狀相似或相吻合、且不減小太陽能電池陣面積的天線稱之為航天器太陽電池陣共形天線，簡(jiǎn)稱為太陽電池陣共形天線。

2 太陽電池陣共形天線總體設(shè)計(jì)

太陽電池陣共形天線設(shè)計(jì)為陣列天線形式，由陣列天線承載面、陣列單元、陣元微波信號(hào)傳輸線、波束賦形控制網(wǎng)絡(luò)、微波信號(hào)和波束控制信號(hào)進(jìn)出航天器的傳輸線組成。其中，陣列天線由若干個(gè)相同或相似的輻射器按一定規(guī)律布局形成陣列，陣列天線中的每個(gè)輻射器叫做陣列單元，簡(jiǎn)稱陣元；每個(gè)陣元由介質(zhì)基片、地線、輻射器與陣元饋線組成，地線也稱為地板；陣元微波信號(hào)傳輸線也稱為陣列單元饋線。

關(guān)于太陽電池陣共形天線的陣列天線承載面的設(shè)計(jì)，是利用太陽電池陣基板下面板閑置的部分作為承載面。太陽電池陣基板由上、下面板及其之間的蜂窩夾層組成，基板外側(cè)采用槽形斷面梁結(jié)構(gòu)的邊框，可保持基板邊緣的完整，防止因蜂窩夾層芯子暴露在外而影響太陽電池陣安全性。其中，基板的下面板分為上表面和下表面，上表面是指靠近蜂窩結(jié)構(gòu)夾層的那一面，下表面是指基板下面板背離蜂窩結(jié)構(gòu)夾層的那一面。太陽電池陣基板的上面板安裝了太陽電池陣，可以將陣列天線的陣元安裝在基板的下面板上，使得太陽電池陣既具有供電功能、又具有天線功能。太陽電池陣共形天線總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 太陽電池陣共形天線總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Whole framework of conformal antenna for spacecraft solar cell array

3 太陽電池陣共形天線部件設(shè)計(jì)

3.1 太陽電池陣共形天線陣元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

理論上幾乎所有類型天線都可作為陣列天線的陣元，如螺旋天線、微帶天線或波導(dǎo)縫隙天線?？紤]到承載能力，微帶天線作為陣元應(yīng)用于太陽電池陣共形天線是理想選擇[9]。

陣元介質(zhì)基片的設(shè)計(jì)，是將太陽電池陣基板的整塊下面板作為陣元的介質(zhì)基片，也就是基板下面板作為所有陣元的公共介質(zhì)基片，從而使得基板下面板與天線陣列形成了一體化的整體。陣元地板的設(shè)計(jì)，在基板下面板的上表面按照陣列天線陣元布局滲透或粘貼金屬層作為陣元的地板，在靠近蜂窩結(jié)構(gòu)夾層面敷設(shè)絕緣薄膜，使得陣元地板與蜂窩結(jié)構(gòu)夾層隔離。輻射器的設(shè)計(jì)，在基板下面板的下表面按照陣列天線結(jié)構(gòu)布局滲透或粘貼所需要形狀、尺寸的金屬層作為輻射器。

微帶天線陣元結(jié)構(gòu)與天線陣元布局分別如圖2、3所示。

圖2 天線陣元結(jié)構(gòu)Fig.2 Constructure ofconformal antenna array element

圖3 共形天線陣列陣元布局Fig.3 Over arrangement of conformal antenna array

3.2 太陽電池陣共形天線陣元饋線設(shè)計(jì)

太陽電池陣共形天線陣元是由貼片輻射器、介質(zhì)基片、導(dǎo)電地線與饋線組成。

太陽電池陣共形天線陣元饋線設(shè)計(jì)，采用介質(zhì)基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，也就是在太陽電池陣下面板基板上打出與輻射器數(shù)量相等、位置對(duì)應(yīng)的金屬化通孔陣列形成微帶線，并且與陣元集成在一起。采用這種微帶線作為微波信號(hào)傳輸線饋電使得饋線與輻射器形成共面，不僅使得制作簡(jiǎn)單、方便，而且通過調(diào)節(jié)微帶線寬度可實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。如圖4所示，W為通孔縱向間距，R為通孔半徑，h為通孔高度，a為通孔橫向間距,εr為基片介電常數(shù)。具體參數(shù)取值取決于天線頻段、天線方向性系數(shù)等。

圖4 陣元饋線示意圖Fig.4 Transmission line of conformal antenna array element

3.3 太陽電池陣共形天線與航天器連接傳輸線設(shè)計(jì)

太陽電池陣共形天線的微波信號(hào)和波束賦形控制信號(hào)進(jìn)出航天器的傳輸線，利用太陽電池陣鏈接機(jī)構(gòu)作為太陽電池陣共形天線與航天器本體連接載體，采用同軸線作為微波信號(hào)和波束賦形控制信號(hào)傳輸線，同軸線的一端與介質(zhì)基片集成波導(dǎo)相連接，同軸線沿太陽電池陣太陽電池陣鏈接機(jī)構(gòu)布設(shè)，同軸線另一端直接接入航天器儀器倉，實(shí)現(xiàn)太陽電池陣共形天線的微波信號(hào)和波束賦形控制信號(hào)進(jìn)出航天器儀器倉。

3.4 太陽電池陣共形天線波束控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

波束賦形控制網(wǎng)絡(luò)，由控制信號(hào)線、低噪放大器和接收機(jī)組成，控制信號(hào)線與陣元饋線集成在一起，采用幅度加權(quán)與相位加權(quán)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)波束賦形，既可以形成單波束、也可以形成多波束，低噪放大器和接收機(jī)置于航天器儀器倉內(nèi)部。如圖5所示。

圖5 波束控制網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Control network for beam forming

4 S與X雙頻段共形天線仿真分析

為說明這種天線的可行性，仿真采用了雙頻段微帶天線陣元。由于多頻段微帶天線的前提條件是相鄰兩種頻段差在一個(gè)倍頻程以上，考慮到又要不增加太陽電池陣折疊厚度，因此，設(shè)計(jì)一種陣元嵌套組陣的方式實(shí)現(xiàn)S、X頻段雙頻陣元，中心頻率分別為3 GHz與10 GHz，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)分別為0.1 m與0.03 m，太陽電池陣基板的尺寸設(shè)為兩翼共20 m2可用面積。

4.1 太陽電池陣共形天線S、X雙頻陣元

由于X頻段與S頻段的頻比約為3，因此可以將尺寸較小的X頻段單元嵌入到S頻段單元陣列間隙中，以滿足共用陣列口徑的需要。

雙頻陣面的剖面圖如圖6所示，從上至下分別為S頻段貼片、X頻段貼片、聚酰亞胺介質(zhì)板、縫隙地板、聚酰亞胺介質(zhì)板、饋線、基板的蜂窩結(jié)構(gòu)、太陽能電池，天線本身總厚度不超過0.3 mm。其中，基板的厚度另外計(jì)算。由于基本沒有層間過孔、探針及預(yù)埋件等，所以復(fù)材加工也較為簡(jiǎn)單，其中，2層介質(zhì)板+3層金屬層為多層電路板工藝，并與蜂窩介質(zhì)直接粘接而成。

圖6 共形天線S、X雙頻陣元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Array element constructure of conformal antenna in S and X frequence band

4.2 太陽電池陣共形天線S、X雙頻陣列子陣

太陽電池陣共形天線陣列子陣如圖7所示，尺寸較大的部分為低頻S頻段陣元，尺寸較小的部分為高頻X頻段陣元。其中，太陽電池陣共形天線陣列子陣是指單側(cè)太陽電池陣的基板形成的單側(cè)陣列。

圖7 共形天線S、X雙頻陣列子陣

(1)

(2)

(3)

采用反向設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)每個(gè)子陣半功率點(diǎn)方向性系數(shù)設(shè)計(jì)為25 dBi，則將式(1)～(3)聯(lián)立，可得每個(gè)子陣的面積為

(4)

(5)

帶入仿真參數(shù)計(jì)算可知，為了得到25 dBi方向性系數(shù)的子陣，則需要約36 λ2的面積，那么天線一個(gè)子陣產(chǎn)生一個(gè)波束，則20 m2的面積共可以放置55個(gè)S頻段天線子陣、444個(gè)X頻段天線子陣。因此，可以得出：20 m2太陽電池陣上的空間能夠滿足設(shè)置多個(gè)天線子陣的要求，從電氣性能的角度證明太陽電池陣共形天線是可行的。

5 結(jié)束語

本文定義了太陽電池陣共形天線概念，開展了太陽電池陣共形天線的總體結(jié)構(gòu)研究與分系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且進(jìn)行了共形天線電氣性能的仿真分析。太陽電池陣共形天線的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，使得其具有降低航天器發(fā)射成本、降低對(duì)整流罩要求、有利于航天器外形美觀、提高航天器機(jī)動(dòng)性與安全性以及可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。不同軌道高度、不同類型的多個(gè)航天器的太陽電池陣共形天線可以組網(wǎng)使用，通過任務(wù)規(guī)劃能夠?qū)崿F(xiàn)更大帶寬范圍、更廣空間范圍的覆蓋。另外，這種共形天線思想可擴(kuò)展到深空探測(cè)器天線領(lǐng)域，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。