国外空间薄膜天线发展与应用近况

　　导读

　　2019年3月28日，无线电频率降低风险部署演示（R3D2）卫星搭乘美国火箭实验室电子号火箭顺利发射并成功入轨。本次发射不仅实践了美国军方快速响应、快速部署、低成本的航天理念，还进行了新型可展开薄膜反射阵天线的空间验证。

　　2019年5月，负责R3D2卫星项目的美国国防高级研究计划局（DARPA）宣布该天线部署成功并将进行为期6个月的校准。以R3D2卫星天线采用的聚酰亚胺为代表的材料具备良好的机械性能、耐热性和耐辐射性等，应用在空间反射面天线上能够充分发挥其面密度低、体积小、便携可展、易于控制和成本低廉的特点，有望促进星载薄膜天线的发展与应用。

　　随着航天技术的不断进步，航天器承担的任务越来越多，航天结构朝着大型化、轻质化、复杂化的方向发展。薄膜结构作为一种新兴航天结构，其具有面积大、质量轻、易于收展等优点，在航天任务中具有广阔的应用前景。薄膜结构是一类以薄膜为有效载荷载体，通过充气或张拉成形的航天结构形式。薄膜结构可通过折叠或卷曲方式收拢，在轨可自主展开。目前，薄膜结构在航天任务中主要有薄膜天线结构、薄膜太阳翼结构、薄膜太阳帆结构等三方面应用。

　　天线是航天器对地观测或通信的关键载荷。为了提高天线性能，需要不断提高其面积。采用传统设计方法设计的大面积天线，其重量、体积以及机械复杂程度将非常大，难以落实到工程实现。为此，人们提出薄膜天线的概念。薄膜天线通过将电路和电子元器件印刷或嵌入在薄膜上，通过收藏和支撑机构实现结构的收拢和展开，这样可使得结构重量和体积大大减小。薄膜天线结构作为一种新兴结构，目前大多尚处于理论和地面实验验证阶段。

　　薄膜天线结构通常设计为平面式天线结构，少部分设计成抛物面式天线结构。其中，抛物面式薄膜天线包括充气、充气刚化、弹性肋驱动、形状记忆聚合物（SMP）充气和静电成型等五种展开和部署方法，采用聚酯膜和聚酰亚胺膜等材料；平面式薄膜天线从圆形框架逐渐变为矩形框架，并采用单层、双层、多层和三浦秀里（Miura–Natori）张紧系统。

　　美国喷气推进实验室（JPL）与美国ILC Dover公司和L’Garde公司研制的薄膜式天线试验件，其展开尺寸10m×3m，采用充气硬化杆为边框。

　　JPL薄膜天线试验件

　　德国航空航天中心（DLR）研制了P波段薄膜天线，其展开尺寸12m×3m，由复合材料豆荚杆作为支撑边框。

　　DLR薄膜天线

　　加拿大航天局（CSA）研制了合成孔径雷达（SAR）薄膜天线，其采用Kapton薄膜结构，总尺寸3.1m×3.1m，有效尺寸1.1m×1.1m。

　　CSA合成孔径雷达（SAR）薄膜天线

　　下面简要介绍一下国外近年正在发展的星载可展开薄膜天线现状。

　　一、R3D2卫星天线

　　1.卫星简介

　　无线电频率降低风险部署演示（Radio Frequency Risk Reduction Deployment Demonstration，R3D2）卫星是美国国防高级研究计划局（DARPA）提出并主导的卫星项目，已于2019年3月28日顺利发射并成功入轨，旨在进行新型薄膜反射阵天线的空间验证。2019年5月，该天线部署成功并计划进行为期6个月的校准。

　　R3D2卫星重150kg，成本为2500万美元。诺斯罗普·格鲁曼公司总体承包了该卫星项目并负责集成卫星，MMA Design公司设计并制造了天线，三叉戟系统公司设计了R3D2的软件无线电（SDR），蓝色峡谷技术公司提供了卫星总线。

　　安装在电子号火箭上的R3D2卫星

　　该新型薄膜反射阵天线的主要材料为聚酰亚胺薄膜，发射前紧密封装，入轨后展开，直径可达2.25m。R3D2卫星将监控其在低轨部署该天线的动态过程以及天线的生存能力和无线电频率特征。此次任务主要进行低轨弹性传感器和数据传输层概念的验证，希望在未来借助天基互联网改善全球的通信状况。该薄膜反射阵天线能够完成目前需要大型卫星才能完成的多种任务，如与地面弱势（信号差）用户进行高数据速率通信等。

　　R3D2卫星天线收拢状态

　　2.天线概述

　　R3D2卫星天线由美国MMA Design公司设计制造，来自“可展开高增益反射阵列”（DaHGR）天线产品系列，对应型号为“受电弓可展开高增益反射阵列”（P-DaHGR）天线。DaHGR天线以小体积封装并拥有高性能，同时天线可配置且具有宽带和窄带架构。DaHGR天线架构是通过轻质且柔性的薄膜基片实现的，P-DaHGR天线的薄膜基片通过受电弓方法张紧。

　　P-DaHGR天线地面展开试验

　　DaHGR天线结合了成功飞行解决方案的最佳特性，但在性能、紧凑性和简单性方面具有优势，并通过利用已被验证的技术显著降低了开发和部署的风险。大型空间馈电反射阵列与常规抛物面反射器相同的性能，用于所有不需要极高带宽的任务。反射阵列可实现的带宽轻松满足多种任务要求。

　　图表1：DaHGR系列天线产品特性

　　产品

　　P-DaHGR

　　T-DaHGR

　　张紧机理

　　受电弓机制

　　带状弹簧

　　可选配置

　　主偏馈式反射器配置

　　卡塞格林（Cassegrain）与主偏馈式反射器配置

　　支持频段

　　特高频（UHF）到Ka

　　带宽

　　5-10+%

　　20+%

　　口径

　　1-20m

　　1-50+m

　　封装比例

　　高达0.4m/U

　　高达1+m/U

　　体积

　　6U+

　　1U+

　　（注：U是立方星专有单位，1U代表10cm×10cm×10cm）

　　资料来源：调研整理

　　RSD2卫星天线薄膜材料采用美国杜邦公司的Kapton聚酰亚胺薄膜，Kapton提供独特的电、热、化学和机械性能组合，使其能够承受极端温度、物理作用和恶劣环境等。

　　二、MAXWELL卫星试验天线

　　1.卫星简介

　　MAXWELL是6U立方星，是美国空军研究实验室的大学纳星计划（UNP）第9届竞赛的A阶段获奖项目，由科罗拉多大学博尔德分校负责，计划2020年发射，旨在演示可在小型卫星平台上使用的高速、弹性的先进通信系统。MAXWELL卫星除主通信天线外，还将搭载一个独立的试验天线，并进行在轨展开部署和增益测量试验验证。

　　MAXWELL卫星概念图

　　2.天线概述

　　MAXWELL卫星除原有天线外，还加装了美国MMA Design公司的“带状（弹簧）张紧可展开高增益反射阵列”（T-DaHGR）天线，该天线同样来自“可展开高增益反射阵列”（DaHGR）天线产品系列。

　　T-DaHGR天线

　　DaHGR天线架构是通过轻质且柔性的薄膜基片实现的，T-DaHGR天线的薄膜基片通过带状弹簧方法张紧。T-DaHGR天线采用卡塞格林（Cassegrain）配置，拥有4个独立的主反射阵列面，收纳时体积为1U，重1.5kg。该天线发射面采用双层聚酰亚胺薄膜，天线结构（含臂）采用纤维增强聚合物带臂结构元件。该天线在9.6GHz频率时增益可达35dB，在X频段运行时带宽高达40%。

　　DaHGR天线总体布置图

　　该天线目前在该型号无线电设计认证中实现了X频段30%带宽（3dB增益带宽），其正在升级和测试新设计以满足MAXWELL卫星8.2-8.45GHz的要求，并计划实现基于薄膜的一次和二次反射阵列，最终在完成测试后于2019年第四季度交付。

　　设计方面，T-DaHGR天线采用了MMA的高TRL启用技术，并创新了部署概念和机制设计，以适应被分配的体积。其主要使用MMA自研的8根高应变复合带吊杆，采用使天线同步展开的单电机高扭矩传动系，应用了受折纸启发的薄膜折叠和存放策略，并把薄膜作为反射器和结构元件。

　　T-DaHGR天线局部示意图

　　三、折纸卫星一号SMA天线

　　1.卫星简介

　　“折纸卫星1号”（OrigamiSat-1），是由日本东京工业大学研制的薄膜展开技术验证3U立方星，尺寸为10cm×10cm×34cm，重4.1kg。该卫星计划验证多功能可展开薄膜结构在轨部署、2U+1U试验卫星平台构建、5.8GHz业余无线电高速下行链路与薄膜特高频无线电通信。

　　折纸卫星1号

　　该星于2019年1月18日搭乘艾普斯龙火箭顺利发射并成功入轨，轨道高度500km，为太阳同步轨道（SSO）。该星计划在轨时间为6个月，但发射仅6.5天后与地面失去联系，可展开薄膜结构并未部署，目前正等待可能的信号恢复。发射后的地面实验显示通信与控制（CI）板上存在两个漏洞，并与卫星在轨异常有关系。

　　OrigamiSat-1卫星任务计划序列与阶段结果

　　2.天线概述

　　OrigamiSat-1搭载的可展开薄膜结构采用Sakase Adtech株式会社的82μm厚涤纶（聚酯纤维）平纹机织物，总尺寸1m×1m，同时布设了CIGS薄膜太阳能电池、膜上形状记忆合金（SMA）天线、球形太阳能电池等3种组件，还贴有用于测量形状和展开过程的反光标记贴。

　　OrigamiSat-1可展开薄膜结构概念图

　　OrigamiSat-1同时搭载了5个摄像头，用于拍摄和监测天线展开过程。

　　OrigamiSat-1可展开薄膜结构部署地面试验

　　四、宽带电离层探测仪卫星天线

　　1.卫星简介

　　“宽带电离层探测仪立方星实验”（WISCER）项目以英国国防科学与技术实验室（Dstl）与伯明翰大学开展的工作为基础，项目部分由英国航天局资助。该项目是与美国海军研究实验室联合项目的一部分，该联合项目计划在2020/21年期间发射2颗立方星，分别搭载英国和美国的有效载荷。英国的有效载荷将包含WISCER天线和波形发生器，通过向定制的地面信号接收器发送信号评估电离层对信号的影响。

　　宽带电离层探测仪卫星早期概念图

　　2018年1月，Dstl授予泰雷兹阿莱尼亚太空公司和牛津太空系统公司（OSS）有效载荷研制合同。

　　2.天线概述

　　牛津太空系统公司（OSS）可能采用其正在开发新型具有成本竞争力的可展开天线系列中一款。该系列天线采用OSS新型预成形薄膜反射面，结合创新的背衬结构，从而在高积载效率的封装中实现一流的射频性能。该系列天线中2款于2019年12月9日在伦敦国家物理实验室进行了成功测试，评估在Q/V频段的功能和性能。

　　OSS亚米级薄膜天线地面测试

　　OSS可展开天线主要有外环式抛物面天线（OUTER-RING）和包裹肋天线（WRAPPED-RIB）等2型。

　　图表2：OSS可展开天线产品性能对比

　　产品系列

　　外环式抛物面天线

　　包裹肋天线

　　配置

　　无需部署电缆或滑轮

　　提供中心馈送（Cassegrain）或偏移反射阵列配置

　　可扩展架构（直径/m）

　　2-15

　　0.5-5

　　部署

　　高达95％可重新在轨收纳

　　单次部署

　　运行频段

　　可运行在高频段，至Ka频段

　　应用范围

　　数据中继系统（DRS）、地球观测、电信等

　　数据中继系统（DRS）、合成孔径雷达（SAR）系统、电信等

　　ITAR限制

　　无

　　其他

　　提供专有的金属网或预成型薄膜表面

　　无

　　资料来源：调研整理

　　OSS外环式可展开抛物面天线（OUTER-RING）在轨部署概念图

　　五、CORMA薄膜天线

　　针对天线口径尺寸限制并满足UHF到C频段的高增益，美国物理科学公司（Physical Sciences Inc.，PSI）开发了一种应用于立方星的薄膜天线。该天线获得美国空军“小企业创新研究”（SBIR）计划“具有成本效益的操作响应薄膜天线”（CORMA）项目阶段1（2012年）和阶段2（2013年）资助合同。合同要求提供低成本且可快速制造的可展开天线，具有通用性、可扩展性和高增益，可满足500MH至8GHz的任务需求。

　　近场射频测试室内的薄膜天线原型

　　该天线计划搭载在6U立方星上，收纳在立方星2U空间中，有效展开面积1.53m2。天线阵列由2张张紧的薄膜构成，膜与四根可伸缩吊杆折叠在一起，吊杆通过伸缩延展并拉紧薄膜并固定薄膜。该天线架构可应用于小至0.5U的收纳体积以及从UHF到X频段的频率。

　　16x16单元天线同步展开

　　该天线进行了S频段地面测试。地面测试结果显示，其工作在3.6GHz时增益为30.5dB，3dB波束宽度为3.4°，总体口径效率为56％，副瓣比主瓣低10dB。

　　16x16单元天线顺序展开

　　六、总结

　　多年以来，空间薄膜天线早已进行了大量的理论研究和地面试验，但成功在轨部署并工作的却是凤毛麟角。随着小卫星的兴起和军民商需求的提出，以聚酰亚胺等材料为代表的薄膜天线再次掀起研制和部署热潮，有望解决发射系统运载空间和运载质量制约与大口径天线需求之间的矛盾。薄膜天线不仅需要高性能薄膜材料作为基础，更需要进行地面和在轨试验验证。参照上述国外发展，国内可以借助立方星和小运载火箭等快速进行在轨实验，有助于薄膜天线在保证顺利展开的前提下向更大口径和更高增益方向发展。

　　主要参考文献

　　[1].Review of Large Spacecraft Deployable Membrane Antenna StructuresDARPA Prototype Reflectarray Antenna Offers High Performance in Small Package

　　[2].How DARPA's Experimental R3D2 Satellite Was Built Super Fast

　　[3].The Right Stuff for Today’s Most Advanced Satellites

　　[4].T-DaHGR X-Band Antenna for CubeSats--1-meter diameter aperture deployed from 1U

　　[5].Development of Nano-Satellite OrigamiSat-1 with Highly Functional Deployable Membrane

　　[6].Dstl Investigates the earth's upper atmosphere

　　[7].Large Deployable S-Band Antenna for a 6U Cubesat

　　[8].未来的航天结构——航天薄膜结构概述

　　本文转载自“高端装备产业研究中心（chinaequip）”，原标题《国外空间薄膜天线发展与应用近况》，作者 | 太阳谷

　　为分享前沿资讯及有价值的观点，卫星与网络微信公众号转载此文，并经过编辑。

　　支持保护知识产权，转载请注明原出处及作者。

　　如文中图片或文字侵犯了您的权益，请联系我们。

　　编辑：林紫、娜娜

　　主笔记者：李刚、张雪松、乐瑜、朝天椒、黑法丝、刀子

　　策划部：孙国锋、杨艳

　　视觉总监：董宁

　　专业摄影：冯小京、宋炜

　　设计部：顾锰、潘希峎、杨小明

　　行政部：张萌、姜河

　　业务部：记军、王锦熙、袁玲

　　原创文章转载授权、转载文章侵权、媒体合作等事宜，敬请加微信：Juice0212

　　投稿请发邮箱tougao@yinhexi.la