星载天线发展之路
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对我国卫星通信产业技术发展的观察和思考_杨恪
The enterprise BLOG044对我国卫星通信产业技术发展的观察和思考一、卫星宽带多媒体通信是不可或缺的通信手段我国卫星通信始于上世纪七十年代，1972年我国首次组建了卫星地球站。
上世纪八十和九十年代是我国卫星通信产业的高速发展期，其中VSAT卫星通信的发展尤为快速。
从1993年VSAT通信业务向社会开放经营至今，VSAT卫星通信系统以其独特的方式在我国信息通信领域里扮演着越来越重要的角色，其网络建设已经遍布全国各地。
VSAT专用网络成为许多大型企业、商业团体、金融机构、新闻单位拓展业务的神经中枢。
在公众电信网络中，对于远距离的小容量通信，以及地面蜂窝网或寻呼系统的组网方面，VSAT系统也发挥了重要的作用。
进入21世纪后，国内卫星通信产业曾经历过一个衰落期，造成这种情况的原因主要来自两方面：1）以光纤为主导的地面固定网络和移动通信网络的迅猛发展对卫星通信产生很大冲击，挤压了卫星通信应用市场；2）就卫星通信系统本身而言，我国还没有形成一个完整的涵盖开发、研制到生产的产业链。
卫星通信终端尤其是室内单元设备、网管系统基本采用国外产品，卫星通信网络规模小，用户量少和业务单一是主要制约因素。
尽管如此，和地面网络相比，卫星通信仍有自己无可比拟的优势，这些优势可以归纳为：1）不受地域限制，覆盖面积大，服务范围广；+ 西安航天恒星科技实业（集团）公司 副总经理 杨恪卫星及其应用产业主要包括卫星制造、发射、运营以及地面设备制造和服务，作为我国战略性新兴产业的重要组成部分，卫星及其应用产业在国民经济的各个领域发挥着日益重要的作用，并迅速向传统产业渗透，呈现出较高的成长性和较强的产业融合性。
预计到“十二五”末，我国将有上百颗卫星在轨运行，从而形成较完备的应用卫星体系，为卫星应用产业快速发展奠定良好的基础。
可以预期，未来相当长一段时间都将是我国卫星应用的高速发展期，其中卫星通信、卫星导航、卫星遥感则是卫星应用产业的三大支柱。
星载数字调零天线接收技术
调零 能力 。 采用 星载相 控阵 天线 实现 多波束 调零技术 是一 个非 常诱人 的选 择 ， 控 阵 天线 可 以同 时产 生 多个 相
指 向的波束 ， 成与 多个 目标 的通信 ， 完 并可实 现灵 活 的波束赋形 、 描和捷 变 ， 扫 对各个 波束 的波束 宽度 和 旁瓣 高度进 行调 控 ， 高 系统 配置 的灵 活性 和 抗有 提 源 干扰 的能力 。采用 数字 多波束 相控 阵天线 可 以获
Ａ ｓｒｃ ： ｕｌ ｇ ａ ｔ ｎ ｅｈ ｏｏｙ ｉ ａ ｃ ｔ ａ ｐ ｒａ ｈ ｆｒａ ｔｊｍｍｉｇ ｉ ｏ ｂ ｔａ ｔＮ ｌｎ ｎｅ ａ ｔｃ ｎ ｌｇ ｓ ｒｉ ｌａ ｐｏｃ ｏ ｎｉ ａ ｎ ｎ ｃｍｍｕ ｉａ ｏ ｙｔｍ．Ｂ ｓｄ ｏ ｈ ｌａｙ ｉ ｎ ｉｃ — ｎｃ ｔ ｎ ｓｓ ｉ ｅ ａｅ ｎ ｔｅ ｍｉｔｒ ｉ ａｐｉａｉｎｏ ａｅ ｉ ｔｊｍｍｉｇ ａ ｄ ｉｃｒｏａ ｄ ｗｔ ｅ ｄｇｔｌｂ ａ ｆｒ ｎ ｅ ｈｏｏ ， ｉ ｐｐ ｒｄｓｕｓｓｔｅ ｄ ｓ ｎ ｐ ｌ ｔ ｆｓｔｌｔ ａ ｉ ａ ｎ ｎ ｏｐ ｒｔ ｉ ｔ ｉ ａ ｅｍ ｏｍｉ ｔｃ ｌｇ ｔ ｓ ａｅ ｉ ｓｅ ｅｉ ｃ ｏ ｌｅ ｎ — ｎ ｅ ｈ ｈ ｉ ｇ ｎ ｙ ｈ ｃ ｈ ｇ
本 文对 星 载调 零 天线 技 术 的体 制 进 行 了论 述 ，
更 加集 中 ， 而提高 天线 的增 益 ； 从 ②通 过 灵 活有 空
间滤波特 性 ， 提高抗 干扰 性能 ； ③可 同 时产生 多个波 束 ， 实现空分 多址 ， 高通 提 信 容量 。
０ 引言
目前 大多数 的卫 星通信 系统 采用 的是 宽波束 天 线 系统 ， 干扰 能力较 差 ， 抗 简单 的 同频 大功率 阻塞 干 扰就 有可 能使其 瘫痪 ， 缺乏 必要 的抗 干扰 、 摧毁 手 抗 段 ， 以在 当今 复 杂 的 电子 战环 境下 生 存 。星 载 调 难 零天线 抗干扰 接 收 技术 可 以在 复 杂 的信 号 环 境 中 ， 通过 实时调整 天 线 方 向 图 ， 波 束 的 主瓣 对 准 有 用 将 信号 ， 零点 对准 干扰信 号 ， 从而保 证输 出信 号处 于最 佳状 态 ， 卫星 通信 中有效 的抗 干扰 手段 。 是 在美 国的 国 防通 信卫 星 Ｄ Ｃ Ｉ 与 战略 战术 中 Ｓ ＳＩ Ｉ
指 向的波束 ， 成与 多个 目标 的通信 ， 完 并可实 现灵 活 的波束赋形 、 描和捷 变 ， 扫 对各个 波束 的波束 宽度 和 旁瓣 高度进 行调 控 ， 高 系统 配置 的灵 活性 和 抗有 提 源 干扰 的能力 。采用 数字 多波束 相控 阵天线 可 以获
Ａ ｓｒｃ ： ｕｌ ｇ ａ ｔ ｎ ｅｈ ｏｏｙ ｉ ａ ｃ ｔ ａ ｐ ｒａ ｈ ｆｒａ ｔｊｍｍｉｇ ｉ ｏ ｂ ｔａ ｔＮ ｌｎ ｎｅ ａ ｔｃ ｎ ｌｇ ｓ ｒｉ ｌａ ｐｏｃ ｏ ｎｉ ａ ｎ ｎ ｃｍｍｕ ｉａ ｏ ｙｔｍ．Ｂ ｓｄ ｏ ｈ ｌａｙ ｉ ｎ ｉｃ — ｎｃ ｔ ｎ ｓｓ ｉ ｅ ａｅ ｎ ｔｅ ｍｉｔｒ ｉ ａｐｉａｉｎｏ ａｅ ｉ ｔｊｍｍｉｇ ａ ｄ ｉｃｒｏａ ｄ ｗｔ ｅ ｄｇｔｌｂ ａ ｆｒ ｎ ｅ ｈｏｏ ， ｉ ｐｐ ｒｄｓｕｓｓｔｅ ｄ ｓ ｎ ｐ ｌ ｔ ｆｓｔｌｔ ａ ｉ ａ ｎ ｎ ｏｐ ｒｔ ｉ ｔ ｉ ａ ｅｍ ｏｍｉ ｔｃ ｌｇ ｔ ｓ ａｅ ｉ ｓｅ ｅｉ ｃ ｏ ｌｅ ｎ — ｎ ｅ ｈ ｈ ｉ ｇ ｎ ｙ ｈ ｃ ｈ ｇ
本 文对 星 载调 零 天线 技 术 的体 制 进 行 了论 述 ，
更 加集 中 ， 而提高 天线 的增 益 ； 从 ②通 过 灵 活有 空
间滤波特 性 ， 提高抗 干扰 性能 ； ③可 同 时产生 多个波 束 ， 实现空分 多址 ， 高通 提 信 容量 。
０ 引言
目前 大多数 的卫 星通信 系统 采用 的是 宽波束 天 线 系统 ， 干扰 能力较 差 ， 抗 简单 的 同频 大功率 阻塞 干 扰就 有可 能使其 瘫痪 ， 缺乏 必要 的抗 干扰 、 摧毁 手 抗 段 ， 以在 当今 复 杂 的 电子 战环 境下 生 存 。星 载 调 难 零天线 抗干扰 接 收 技术 可 以在 复 杂 的信 号 环 境 中 ， 通过 实时调整 天 线 方 向 图 ， 波 束 的 主瓣 对 准 有 用 将 信号 ， 零点 对准 干扰信 号 ， 从而保 证输 出信 号处 于最 佳状 态 ， 卫星 通信 中有效 的抗 干扰 手段 。 是 在美 国的 国 防通 信卫 星 Ｄ Ｃ Ｉ 与 战略 战术 中 Ｓ ＳＩ Ｉ
星上处理技术
星上处理技术[英文名称] on board processing technology[定义]为了卫星通信能与宽带综合业务数字网（ISDN）、异步转移模式（A TM）标准兼容，卫星与光缆无缝连接，卫星必须克服带宽、传输质量、时延、雨衰及保密等问题，还必须具备星上交换能力。
因此，只有通过星上处理技术来实现。
星上处理技术包括：比特再生、前向纠错、基带解调、路由切换、编路、功率可控矩阵、信道带宽可调（数字滤波）、波束成形、多波束天线和切换以及星间链路等技术。
[国外概况]1976年发射的林肯实验卫星（LES）－8、LES－9两颗军用实验卫星上，首次进行了简单的比特再生和几个波束的多波束天线技术等星上处理技术实验。
由于这一技术可以降低干扰、改善信道质量，在随后的军用通信卫星中普遍采用了此项技术。
在1975年发射的国际通信卫星Intelsat-IV A，采用了两个波束的天线，从此，多波束天线技术开始发展。
80年代，由于商用通信卫星的飞速发展，静止轨道频率资源短缺，而多波束的频率复用特性使其具备了巨大优势，从而得到迅速发展。
从几个波束发展到了几十个、上百个波束，技术也发生了根本性的变化。
目前，除了多波束频率复用特性外，提高卫星有效各向同性辐射功率（EIRP）从而降低对地面终端的要求，也越来越受到重视。
但不同波束之间的用户连接困难问题，则需要连接不同波束的微波切换矩阵。
1991年1月发射Inteolsat-F1及随后发射的F2首次采用了微波切换矩阵，实现了6个波束之间的互连。
1993年9月发射的先进通信技术卫星（ACTS）是美国国家航空航天局（NASA）为保持美国在通信卫星领域的领先地位而研制的一颗具有多项星上处理技术的先进技术实验卫星。
它开创了星上处理技术的新局面。
有众多美国公司参与了ACTS计划的先期研制，从而使他们在星上处理技术方面前进了一大步，并为其以后的发展打下了牢固的基础。
其中摩托罗拉公司开发了星上基带交换技术、TRW、Loral等公司研制了点波束天线技术和微波交换矩阵、电磁科学公司研制了波束成形网络、TRW、休斯等公司研制了Ka频段发射和接收设备、Comsat和BBW公司开发了网络控制技术。
天线设计原理
为 yz 平面，H 面为 xz 平面。就八木天线来说，在最大辐射的 y 轴方向其辐
射电磁波的电场平行于圆柱振子长度方向，则其 E 面为 yz 平面，H 面为 xy 平面。
表 0-1 给出了这两个天线的 E 面和 H 面及其方向图函数表示。
表 0-1 图 0-3 所示的八木天线和角锥喇叭天线的 E 面和 H 面及其方向图函数表示
5
《天线原理与设计》讲稿
王建
(a) 极坐标幅度方向图
(a) 直角坐标幅度方向图
(c) 极坐标分贝方向图
(d) 直角坐标分贝方向图
图 0-2 七元八木天线xy平面(H面,θ=90o)内的二维场强幅度和分贝表示的归一化方向图
天线方向图一般呈花瓣状，称之为波瓣或波束。其中包含最大辐射方向的波
瓣称之为主瓣，其它的称为副瓣或旁瓣，并分为第一副瓣、第二副瓣等，与主瓣
■三维方向图
以图 0-1(a)所示的典型七元八木天线为例，其辐射电场幅度的球坐标三维方 向图和直角坐标三维方向图如图 0-1(b)(c)所示。它们是以天线上某点为中心，远 区某一距离为半径作球面，按球面上各点的电场强度模值与该点所在的方向角 (θ ,ϕ )而绘出的。三维场强方向图直观、形象地描述了天线辐射场在空间各个方 向上的幅度分布及波瓣情况。但是在描述方向图的某些重要特性细节如主瓣宽 度、副瓣电平等方面则显得不方便。因此，工程上大多采用二维方向图来描述天 线的辐射特性。
图数据并绘出方向图。大多线极化天线的远区辐射电磁场一般可表示为如下形式
Eθ
=
E0
e− jβr r
f (θ ,ϕ )
(0.1)
Hϕ
=
Eθ η0
(0.2)
4
《天线原理与设计》讲稿
射电磁波的电场平行于圆柱振子长度方向，则其 E 面为 yz 平面，H 面为 xy 平面。
表 0-1 给出了这两个天线的 E 面和 H 面及其方向图函数表示。
表 0-1 图 0-3 所示的八木天线和角锥喇叭天线的 E 面和 H 面及其方向图函数表示
5
《天线原理与设计》讲稿
王建
(a) 极坐标幅度方向图
(a) 直角坐标幅度方向图
(c) 极坐标分贝方向图
(d) 直角坐标分贝方向图
图 0-2 七元八木天线xy平面(H面,θ=90o)内的二维场强幅度和分贝表示的归一化方向图
天线方向图一般呈花瓣状，称之为波瓣或波束。其中包含最大辐射方向的波
瓣称之为主瓣，其它的称为副瓣或旁瓣，并分为第一副瓣、第二副瓣等，与主瓣
■三维方向图
以图 0-1(a)所示的典型七元八木天线为例，其辐射电场幅度的球坐标三维方 向图和直角坐标三维方向图如图 0-1(b)(c)所示。它们是以天线上某点为中心，远 区某一距离为半径作球面，按球面上各点的电场强度模值与该点所在的方向角 (θ ,ϕ )而绘出的。三维场强方向图直观、形象地描述了天线辐射场在空间各个方 向上的幅度分布及波瓣情况。但是在描述方向图的某些重要特性细节如主瓣宽 度、副瓣电平等方面则显得不方便。因此，工程上大多采用二维方向图来描述天 线的辐射特性。
图数据并绘出方向图。大多线极化天线的远区辐射电磁场一般可表示为如下形式
Eθ
=
E0
e− jβr r
f (θ ,ϕ )
(0.1)
Hϕ
=
Eθ η0
(0.2)
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《天线原理与设计》讲稿
天线原理与设计(王建)1PDF版
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可见，天线方向图是在远区球面上的场强分布。
●归一化方向图
f (θ ,ϕ ) F (θ ,ϕ ) = f (θ m ,ϕ m )
(0.3)
式中，(θm ,φm)为天线最大辐射方向；
f (θm ,φm)为方向图函数的最大值。
由归一化方向图函数绘制出的方向图称为归 一化方向图。由式(0.1)和(0.2)可以看出，天线远 区辐射电场和磁场的方向图函数是相同的，因 此，由方向图函数和归一化方向图函数表示的方 向图统称为天线的辐射场方向图。
为便于分析和研究天线性能出发，天线可以分为如下 几大类：
(1～6)章 (1) 线天线(Wire Antennas) —— ——(1
(8～10章) (2) 口径天线(Aperture Antennas) —— ——(8
(3) 阵列天线(Array Antennas) —(1章部分，5章)
(4) 透镜天线(Lens Antennas) —(10章部分)
六十和七十年代是天线发展的鼎盛时期。这 个时期在天线理论方法方面以及各项技术的应用 方面都在突飞猛进的发展。
(1)在天线理论方法方面
■几何绕射理论 ■平面波谱展开法 ■时域有限差分法 ■天线近场测量理论 ■矩量法 ■有限元法 ■时域积分方程法 ■阵列分析与综合理论
这些理论方法为天线的工程设计奠定了坚实的基础， 随着计算机技术的发展大都形成了计算机仿真的电子自动 化设计软件。
■ HFSS软件 ■ CST软件 ■ FEKO软件
■ IE3D软件 ■ FIDELITY软件
(2)在天线技术应用方面
卫星通信技术发展推动了卫星天线和大型地面站天线 的发展，出现了大型平面阵、卡塞格仑天线及各种反射面 天线馈源。 雷达制导、搜索、跟踪、预警技术的应用推动了单脉 冲雷达天线、相控阵天线，多波束天线的发展。 半导体技术的发展使无线电技术向毫米波、亚毫米波 甚至更高频率发展，对天线提出了小型化、集成化、宽带 化等一系列要求，出现了有源天线、微带天线和印刷天线、 印制板开槽天线、表面波天线、共形阵列天线等。 微带天线和印刷天线由于其具有小型化、低剖面、便 于集成，成本低、天线图案千变万化，所以至今仍在发 展，其方向包括阵列、极化、宽带、高效率、双频和多频 谐振等。
可见，天线方向图是在远区球面上的场强分布。
●归一化方向图
f (θ ,ϕ ) F (θ ,ϕ ) = f (θ m ,ϕ m )
(0.3)
式中，(θm ,φm)为天线最大辐射方向；
f (θm ,φm)为方向图函数的最大值。
由归一化方向图函数绘制出的方向图称为归 一化方向图。由式(0.1)和(0.2)可以看出，天线远 区辐射电场和磁场的方向图函数是相同的，因 此，由方向图函数和归一化方向图函数表示的方 向图统称为天线的辐射场方向图。
为便于分析和研究天线性能出发，天线可以分为如下 几大类：
(1～6)章 (1) 线天线(Wire Antennas) —— ——(1
(8～10章) (2) 口径天线(Aperture Antennas) —— ——(8
(3) 阵列天线(Array Antennas) —(1章部分，5章)
(4) 透镜天线(Lens Antennas) —(10章部分)
六十和七十年代是天线发展的鼎盛时期。这 个时期在天线理论方法方面以及各项技术的应用 方面都在突飞猛进的发展。
(1)在天线理论方法方面
■几何绕射理论 ■平面波谱展开法 ■时域有限差分法 ■天线近场测量理论 ■矩量法 ■有限元法 ■时域积分方程法 ■阵列分析与综合理论
这些理论方法为天线的工程设计奠定了坚实的基础， 随着计算机技术的发展大都形成了计算机仿真的电子自动 化设计软件。
■ HFSS软件 ■ CST软件 ■ FEKO软件
■ IE3D软件 ■ FIDELITY软件
(2)在天线技术应用方面
卫星通信技术发展推动了卫星天线和大型地面站天线 的发展，出现了大型平面阵、卡塞格仑天线及各种反射面 天线馈源。 雷达制导、搜索、跟踪、预警技术的应用推动了单脉 冲雷达天线、相控阵天线，多波束天线的发展。 半导体技术的发展使无线电技术向毫米波、亚毫米波 甚至更高频率发展，对天线提出了小型化、集成化、宽带 化等一系列要求，出现了有源天线、微带天线和印刷天线、 印制板开槽天线、表面波天线、共形阵列天线等。 微带天线和印刷天线由于其具有小型化、低剖面、便 于集成，成本低、天线图案千变万化，所以至今仍在发 展，其方向包括阵列、极化、宽带、高效率、双频和多频 谐振等。
卫星天线、隐身材料、人工皮肤……产业用最前沿技术看过来
卫星天线、隐身材料、人工皮肤……产业用最前沿技术看过来为了进一步落实《纺织工业“十三五”科技进步纲要》和《产业用纺织品行业“十三五”发展指导意见》，促进行业科技成果转化，搭建行业新技术交流平台，6月22日，纺织之光科技教育基金会、中国纺织工业联合会科技发展部与中国产业用纺织品行业协会在广东省佛山市西樵镇举办“纺织之光”产业用纺织品重点成果推广活动。
各界代表200余人出席。
明确纺织科技发展目标中纺联副秘书长、纺织之光科技教育基金会常务副理事长叶志民在致辞中说，截至目前纺织之光科技成果推广活动已经举办了33场，推广先进成果近140项，对促进纺织科技创新成果、促进新产品开发、提高企业竞争力起到了积极的作用。
此次产业用纺织品科技成果推广活动是今年在产业用领域的第二次，目的是通过公益活动，宣传行业最新创新成果，促进上下游产业应用，推动行业高质量发展。
此次活动介绍的创新成果都是以近年来“纺织之光”获奖项目为基础，展示最前沿、最实用的技术，也是同行间的一次交流，必将对产品开发、提高质量、改善效益有所帮助。
中纺联副会长、中国产业用纺织品行业协会会长李陵申做了“我国纺织工业高质量发展与科技创新”报告，在介绍了我国纺织工业发展现状、科技创新发展成果、产业用纺织品创新发展后，他谈到了行业未来科技创新愿景。
他说，中国纺织科技发展战略目标是高端化、高技术化、多元化、生态化，以及研究未知领域。
高端化要增强品牌、设计、研发能力，优化加工制造环境和形态，提升产业非价格竞争力。
高技术化要开发完善碳纤维品种，拓展碳纤维民用应用，形成自主创新高性能纤维品种，研发和量产新兴产业用纺织品。
多元化要支持产业低成本、高品质工艺技术、装备和原材料，发展高附加值多功能纺织品，发展服务民生、改善和影响未来人类生活的纺织品。
生态化要开拓新型纤维资源，优化天然纤维品质，开发节能清洁染整新技术，研发无害安全纺织化学品。
在未知领域，重视对尖端性、前沿性纺织科技研究，重视对事物本质研究，形成纺织产业根本性和颠覆性创新。
天线方位角 俯仰角以及指向计算
创新实验课作业报告姓名: 王紫潇苗成国学号：1１21830101 1121８3０10６专业：飞行器环境与生命保障工程课题一双轴驱动机构转角到天线波束空间指向课题意义:随着科学技术的迅猛发展，特别是航天科技成果不断向军事、商业领域的转化,航天科技得到了极大的发展,航天器机构朝着高精度、高可靠性的方向发展。
因此对航天机构的可靠性、精度、寿命等要求越来越高,对航天器机构精度的要求显得愈发突出，无论是航天器自身的工作,还是航天器在轨服务都对其精度有着严格的要求。
航天器中的外伸指向机构通常指的是星载天线机构，星载天线是航天器对地通信的主要设备,肩负着对地通信的主要任务，同时随着卫星导航的广泛应用，星载天线就愈发的重要起来,而其指向精度的要求就愈发的突出,指向精度不足，将会导致通信信号质量下降，卫星导航精度下降等结果。
民用方面移动通信和车载导航等，军用方面舰船导航、精确打击等这些都对星载天线的指向精度有着极高的依赖性。
因此，星载天线的指向精度是非常重要的。
要保证星载天线的指向精度，首先就是要确保星载天线驱动机构在地指向精度分析的正确性,只有这样才能对接下来的在轨指向精度分析和指向误差补偿进行分析.星载天线驱动机构的末端位姿误差主要来源于机构的结构参数误差和热变形误差，这些误差是驱动机构指向误差最原始的根源，由于受实际生产加工装配能力和空间环境的限制，这些引起末端指向误差的零部件结构参数误差是必须进行合理控制的，引起结构参数变化的热影响因素是必须加以考虑的，只有这样才能使在轨天线驱动机构指向精度动态分析和误差补偿都得到较理想的结果。
纵观整个星载天线驱动机构末端位姿误差的分析，提出源于结构参数误差和热变形误差引起的星载天线驱动机构末端位姿误差的研究是必要的。
发展现状：星载天线最初大多是以固定形式与卫星本体相连的,仅仅通过增大天线波束宽度和覆盖面积来提高其工作范围,对其精度要求不是很高，但是随着航天科技的不断发展和市场需求的不断变化,这就要求，星载天线要具备一定的自由度,因此促使了星载天线双轴驱动机构的发展。
卫星移动通信发展现状及趋势
卫星通信关键技术最新进展姓名：唐聪班级：1402015学号：14020150005摘要：随着经济全球化的发展，人们对于移动通信的需求增加，同时军队对于卫星通信的要求也越来越高。
为满足未来移动通讯的发展需要，新一代的卫星通信系统应该具备速率快、覆盖广等优点本文从分析目前卫星通信系统出发，简述卫星通信系统的关键技术及最新进展，并对未来卫星通信系统的发展进行展望，以作为相关人员的参考。
目录0引言 (3)1卫星通信 (3)2卫星通信系统的特点及面临的问题 (3)2.1卫星通信的特点 (3)2.2功能 (3)2.3卫星通信发展历程 (3)2.4卫星通信面临的问题 (4)3卫星通信系统体系结构 (4)3.1体系结构分类 (4)(1)交互式宽带卫星Internet接入系统结构； (4)(2)非对称宽带卫星接入系统结构； (4)(3)宽带卫星骨干传输系统结构。
(4)3.2应用方面 (4)4卫星通信关键技术及进展 (4)4.1随机接入技术 (4)4.2多波束天线 (4)4.3星上处理 (5)4.4星间链路 (5)4.5卫星频谱资源 (6)4.6星地融合通信 (6)4.7卫星宽带通信 (6)5卫星通信发展展望 (7)5.1通信卫星的发展趋势 (7)5.2卫星通信的演进 (7)5.3卫星通信的结合 (8)5.4卫星通信宽带化 (8)6结论 (8)7参考文献 (9)0引言通信卫星始于1964年，当年在美国成立了国际通信卫星组织INTELSAT。
1965年，美国发射了第一颗商用通信卫星晨鸟号（“Early Bird”）。
之后，卫星通信技术及其应用蓬勃发展，取得了巨大的成功。
除了在军事领域中发挥着关键性的作用以外，卫星通信还为人们提供丰富多彩的电视广播和语音广播，为地面蜂窝网络尚未部署的偏远地区、海上和空中提供必要的通信，为发生自然灾害的区域提供宝贵的应急通信，为欠发达或人口密度低的地区提供互联网接入等…但是卫星通信自身存在的弱点却使得它长期以来一直作为地面固定、无线或移动通信系统的一种补充通信方式。
星载SAR技术的现状与发展趋势
星载SAR技术的现状与发展趋势李春升;王伟杰;王鹏波;陈杰;徐华平;杨威;于泽;孙兵;李景文【摘要】纵观星载合成孔径雷达技术的发展历程,其发展趋势已经从传统的单项技术突破转变为概念体制的更新.各种面向新型应用的新体制、新模式不断出现,推动着星载SAR技术蓬勃发展.该文在介绍欧美等国星载SAR技术发展现状的基础上,分析未来星载SAR技术的发展趋势,重点探讨星载SAR技术在面向高分辨率宽覆盖对地观测、多方位角信息获取、高时相信息获取、3维地形测绘及图像质量提升等方面的发展.【期刊名称】《电子与信息学报》【年(卷),期】2016(038)001【总页数】12页(P229-240)【关键词】合成孔径雷达;多方位信息获取;高分辨率宽覆盖;高时相信息获取【作者】李春升;王伟杰;王鹏波;陈杰;徐华平;杨威;于泽;孙兵;李景文【作者单位】北京航空航天大学电子信息工程学院北京100191;北京航空航天大学电子信息工程学院北京100191;北京航空航天大学电子信息工程学院北京100191;北京航空航天大学电子信息工程学院北京100191;北京航空航天大学电子信息工程学院北京100191;北京航空航天大学电子信息工程学院北京100191;北京航空航天大学电子信息工程学院北京100191;北京航空航天大学电子信息工程学院北京100191;北京航空航天大学电子信息工程学院北京100191【正文语种】中文【中图分类】TN9581概述随着空间信息技术的快速发展，控制和利用空间成为世界军事强国谋求的重要目标之一。
星载合成孔径雷达(SAR)由于其不受天气、气候的影响，能全天时、全天候、高分辨率、大区域对地观测[1]，已经成为空间对地观测的重要手段。
纵观星载SAR 技术的发展历程，其经历了早期的孕育期(1970~1990年)、成长期(1990~2000年)到目前的蓬勃期(2000年至今)，整个发展趋势已经从传统的单项技术突破转变为概念体制的更新，各种面向不同应用需求的先进星载 SAR 系统不断出现，如美国的FIA 系列卫星[2]、德国的 TerraSAR 系列卫星、欧空局的 Sentinel 系列卫星[6,7]等等，呈现出工作模式多样化、分辨能力精细化、空间布局层次化的特点。
大型空间可展开天线反射器研究现状与展望
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀空间电子技术ＳＰＡＣＥＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１８年第２期大型空间可展开天线反射器研究现状与展望①马小飞ꎬ李㊀洋ꎬ肖㊀勇ꎬ郑士昆ꎬ黄志荣ꎬ冯㊀涛(中国空间技术研究院西安分院ꎬ西安㊀７１００００)㊀㊀摘㊀要:大型空间可展开天线是卫星载荷重要的组成部分ꎬ是新一代航天器的关键产品ꎮ回顾了当今国内外大型空间可展开天线发展状况ꎬ介绍了多种典型的大型空间可展开天线反射器ꎮ总结分析了大型空间可展开天线反射器研制的关键技术ꎮ同时ꎬ对大型空间可展开天线ꎬ尤其是大于５０ｍ的极大型展开天线反射器结构技术的发展进行了展望ꎮ关键词:星载天线ꎻ网状天线ꎻ空间结构ꎻ发展历程中图分类号:Ｖ４７４㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１６７４￣７１３５(２０１８)０２￣００１６￣１１ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１６７４￣７１３５.２０１８.０２.００３ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄＴｅｎｄｅｎｃｙｏｆＬａｒｇｅＳｐａｃｅＤｅｐｌｏｙａｂｌｅＡｎｔｅｎｎａＲｅｆｌｅｃｔｏｒＭＡＸｉａｏｆｅｉꎬＬＩＹａｎｇꎬＸＩＡＯＹｏｎｇꎬＺＨＥＮＧＳｈｉｋｕｎꎬＨＵＡＮＧＺｈｉｒｏｎｇꎬＦＥＮＧＴａｏ(ＣｈｉｎａＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｐａｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ(Ｘｉ'ａｎ)ꎬＸｉ'ａｎ㊀７１００００ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｓｐａｃｅｒｅｆｌｅｃｔｏｒａｎｔｅｎｎａｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒｔｏｆｓａｔｅｌｌｉｔｅｐａｙｌｏａｄꎬｉｔ'ｓｋｅｙｐｒｏｄｕｃｔｆｏｒｖａｒｉｏｕｓｓｐａｃｅｔａｓｋｓ.Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｒｅｖｉｅｗｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｌａｒｇｅｄｅｐｌｏｙａｂｌｅａｎｔｅｎｎａｓꎬａｎｄｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓａｆｅｗｔｙｐｉｃａｌｌａｒｇｅｄｅｐｌｏｙａｂｌｅａｎｔｅｎｎａｓｒｅｆｌｅｃ￣ｔｏｒｓ.Ｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ.Ｍｅａｎｗｈｉｌｅꎬｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆｓｐａｃｅａｎｔｅｎｎａｓꎬｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｈｅｇｉａｎｔｓｐａｃｅａｎｔｅｎｎａｓｌａｒｇｅｒｔｈａｎ５０ｍｅｔｅｒｓꎬａｒｅｆｏｒｅｃａｓｔｅｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＳａｔｅｌｌｉｔｅａｎｔｅｎｎａꎻＭｅｓｈａｎｔｅｎｎａꎻＳｐａｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎻＡｎｔｅｎｎａｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ０㊀引言空间技术的不断进步推动了空间天线的跨越发展ꎮ为了获取地面微小发射功率的信号ꎬ提高信息传输的容量ꎬ实现遥感的高分辨率ꎬ各类航天器提出了对天线结构(主要为天线反射器结构)尺寸大型化的需求ꎮ在此需求的推动下ꎬ国外各航天大国(美国㊁俄罗斯㊁欧空局㊁日本等)在大型空间可展开天线结构领域的投入都非常大ꎬ使得空间可展开天线结构一直是空间结构研究的重点和热点ꎮ大型空间可展开天线是２０世纪６０年代随航天科技发展需求而诞生的一种新型空间展开结构系统ꎬ它以高强度比㊁高刚度比㊁高几何稳定性㊁超低热胀系数等特点的宇航材料为主体ꎬ并包含低副可动机构㊁驱动元件和主动或被动控制器等ꎮ此类天线在地面发射时为收拢状态ꎬ固定于卫星上ꎻ当卫星发射并进入轨道以后ꎬ由地面控制中心发送指令ꎬ按照其在空间轨道上的设计要求ꎬ逐步完成展开动作ꎬ最终通过锁定并保持为工作状态ꎮ一般来讲ꎬ 大型 是指反射器口径大于等于４ｍꎬ需要设计复杂展开成形的柔性工作面(非固面)的结构类型ꎮ通常将２０ｍ以上的大型空间可展开天线称为超大型可展开天线ꎬ５０ｍ以上称之为极大型可展开天线ꎮ当然ꎬ可按照不同的特征进行多种分类ꎮ例如ꎬ６１①收稿日期:２０１８￣０３￣０７ꎻ修回日期:２０１８￣０３￣１７ꎮ基金项目:国家自然科学基金(Ｕ１５３７２１３)ꎮ作者简介:马小飞(１９８０ )ꎬ博导/研究员ꎬ研究方向为空间可展开结构和网状结构技术ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｍａｘｆ０４１６００＠ｓｉｎａ.ｃｏｍＪＰＬ根据不同类型天线可工作的频段及适用口径进行了分类ꎬ如图１所示[１]ꎮ1101001000Diameter m/F r e q u e n c y G H z/Solid Non Deployable Concepts Mesh Deployable Concepts Solid ElementDeployable Concepts Inflatable Concepts ,--In Space Assembly-Solid Element Deployables-S h u t t l e D i a m e t e r L i m i tSolid Non Deployables，-PASS Require ments-()Mesh Reflectivity Limit Mesh DeployablesInflatables图１㊀ＪＰＬ对大型可展开天线的分类Ｆｉｇ.１㊀ＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｌａｒｇｅａｎｔｅｎｎａｓｄｉｖｉｄｅｄｂｙＪＰＬ㊀㊀近年来ꎬ大型可展开天线需求数量越来越多ꎬ需求领域越来越广泛ꎮ大型空间可展开天线反射器作为天线的主结构ꎬ根据其实现形式ꎬ将大型空间天线的实现分为３类ꎮ㊀㊀(１)地面建设单一模块展开天线采用伞状天线㊁构架天线及环形天线等方式ꎬ在地面建造单一模块天线ꎬ通过运载一次发射并在轨展开ꎮ其优点是系统简单ꎬ缺点是天线口径受运载和平台限制ꎬ对卫星和运载要求高ꎮ当天线口径很大时ꎬ展开和型面设计难度极大ꎬ在轨风险较大ꎮ(２)基于空间站平台组装大型天线采用空间站平台的有人参与和机械臂等综合能力ꎬ将可展开模块天线单元在轨进行组装ꎮ其优点是采用模块化降低了系统难度ꎬ缺点是空间站能够提供的尺寸也有一定限制ꎬ难以进一步扩展ꎮ由于极大型天线一般工作在高轨ꎬ还需从低轨向高轨转移ꎬ需要其他的综合保障能力ꎮ(３)无人参与在轨建造极大型天线其有两种途径ꎬ一是通过运载火箭发射可展开天线模块ꎬ多个模块依靠航天器平台进行组合拼装ꎻ二是上行天线原材料及零部件ꎬ依靠航天器平台ꎬ采用在轨增材制造技术㊁自组装技术㊁机械臂操作技术等进行大型天线的在轨建造ꎮ其优点是理论上可实现任意尺寸的大型可展开天线ꎬ但缺点是系统复杂ꎬ很多技术尚在探索之中ꎮ１㊀国内外大型空间可展开天线发展情况１.１㊀国外大型空间可展开天线发展现状１.１.１㊀地面建设单一模块展开天线单一模块展开天线是当前空间实现的大型天线采用的主流形式ꎬ即大型天线在地面进行建造ꎬ通过各种运载工具上行至空间ꎬ在轨进行有源或者无源驱动展开ꎮ根据其类型主要分为固面可展开天线㊁伞状可展开天线㊁环形桁架式可展开天线㊁构架式可展开天线㊁柔性自回弹可展开天线等ꎮ(１)固面可展开天线固面可展开天线分为型面整体展开式天线及分块式展开天线ꎮ型面整体展开天线由于其反射面尺寸完全受限于运载包络ꎬ不在大型展开天线讨论范围内ꎬ固面可展开天线主要指分块式展开天线ꎮ分块式展开天线ꎬ其反射面由刚性金属板或碳纤维增强塑料(ＣＴＦＲ)制成ꎬ反射面单元与单元之间通过铰链连接ꎮ天线在发射时各单元进行折叠收拢ꎬ入轨解锁后ꎬ天线在铰链驱动装置的驱动下展开成为工作状态ꎮ１)典型分块式固面可展开天线日本的ＥＴＳ￣Ⅵ卫星[１]上采用了该类天线ꎬ由日本ＮＴＴ公司研制ꎬ天线反射器被分割成３部分ꎬ３部分之间通过弹簧铰链联接ꎬ收拢时两边的部分折起来ꎬ入轨后展开至工作位置ꎬ如图２所示ꎮ图２㊀ＥＴＳ￣Ⅵ卫星使用的分块式展开天线Ｆｉｇ.２㊀ＢｌｏｃｋｅｄｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔａｎｔｅｎｎａｏｆＥＴＳ￣ＶＩｓａｔｅｌｌｉｔｅ㊀㊀２)花瓣式固面可展开天线花瓣式天线结构形式最先是由ＴＲＷ公司提出的[２]ꎮ该天线的中心是一个装有六个合页的圆毂ꎬ六块可展开主瓣通过合页连接在毂上ꎬ副瓣连接在相邻主瓣上ꎬ展开时ꎬ主瓣在弹簧驱动下带动副瓣展７１２０１８年第２期马小飞ꎬ等:大型空间可展开天线反射器研究现状与展望开ꎮ已经完成了型面精度为０.１３ｍｍＲＭＳ的１０ｍ口径的样机研制ꎮ为了进一步改善天线收纳比较低问题ꎬＴＲＷ公司后来进行过改进花瓣式天线的研究[３]ꎬ完成了１５ｍ口径改进花瓣式天线的研制ꎬ其收拢后呈直径为４.４ｍ㊁高６.６ｍ的圆柱状ꎬ如图３所示ꎮStowed216.145.102.56.67.22.55.109.318dia ..492ft O D ....Ｆｉｇ.３㊀Ｉｍｐｒｏｖｅｄｐｅｔａｌａｎｔｅｎｎａ㊀㊀３)单向折叠固面可展开天线Ｄｏｒｎｉｅｒ公司提出了一种单向折叠固面可展开天线[４]ꎬ即ＤＡＩＳＹ(ＤｅｐｌｏｙａｂｌｅＡｎｔｅｎｎａＩｎｔｅｇｒａｌＳｙｓ￣ｔｅｍ)天线ꎬ并完成了８ｍ工程样机研制ꎬ如图４所示ꎮ天线的型面精度为８μｍꎬ其收拢后直径为２.９ｍ㊁高４.１ｍꎬ为了达到８μｍ的高型面精度ꎬ每块花瓣背面都设计了桁架支撑结构ꎮ同时ꎬＤｏｒｎｉｅｒ公司同时提出了ＭＥＡ天线ꎬ其结构形式与ＤＡＩＳＹ天线类似ꎬ不再赘述ꎮ图４㊀改进型花瓣式天线收拢与展开状态Ｆｉｇ.４㊀Ｉｍｐｒｏｖｅｄｐｅｔａｌａｎｔｅｎｎａ㊀㊀４)俄罗斯ＲａｄｉｏＡｓｔｒｏｎ天线２０１１年发射的ＲａｄｉｏＡｓｔｒｏｎ卫星ꎬ其上安装了高精度射电望远镜ꎬ反射器尺寸为１０ｍ[５]ꎬ如图５所示ꎮ该射电望远镜天线采用了固面可展开形式ꎬ型面精度０.５ｍｍＲＭＳꎬ重量约为１５００ｋｇꎮ图５㊀俄罗斯ＲａｄｉｏＡｓｔｒｏｎ天线Ｆｉｇ.５㊀ＲｕｓｓｉａｎｒａｄｉｏＡｓｔｒｏｎａｎｔｅｎｎａ㊀㊀固面可展开天线具有展开刚度大㊁型面精度相对较高等优点ꎬ但其收拢体积大ꎬ难以实现大口径ꎬ并且空间环境造成金属铰链热变形ꎬ容易引起精度下降ꎮ(２)伞状可展开天线支撑肋可展开天线(伞状天线)是指柔性反射面由肋支撑ꎬ收拢时支撑肋收拢ꎬ在轨后支撑肋展开带动柔性反射面展开到工作状态的可展开式天线ꎮ天线支撑肋的不同种类是伞状天线主要的区别ꎮ１)缠绕肋天线缠绕肋型可展开天线中间有一个体积较大的毂ꎬ从中心圆毂悬臂伸出多条辐射肋ꎬ辐射肋的前面是索网反射面或薄膜反射面ꎮ收拢时肋缠绕在中心圆毂上ꎬ用绳索捆绑ꎮ卫星入轨后ꎬ切断绳索解除约束ꎬ辐射肋依靠自身的弹性作用ꎬ由缠绕在中心圆毂上的弯曲状态逐渐伸直ꎬ天线随即展开ꎮ辐射肋为空心薄壁结构ꎬ具有弹性ꎬ可以压平ꎬ解除约束后通过弹性伸直[６]ꎮ美国于１９７４年发射的ＡＴＳ￣６卫星上的大口径抛物面天线采用的就是缠绕肋可展开天线ꎬ如图６所示ꎮ该天线口径为９.１ｍꎬ质量为４８ｋｇꎬ肋条采用圆弧状铝材共４８根ꎮ缠绕肋天线结构简单ꎬ且具备极高的收纳比ꎬ可以研制出超过３０ｍ的单一模块天线ꎮ但其刚度㊁抗振性㊁反射面精度都比较差ꎮ若要提高精度就要增加肋条数ꎬ但质量又会增大ꎮ２)径向刚性肋天线径向肋天线结构和 雨伞 的结构比较类似ꎬ主要由展开肋和金属反射网组成ꎬ天线展开肋具有一定弧度ꎬ具备较高刚度ꎮ展开肋通过铰链连接在天线中心的圆柱结构上ꎬ金属反射网通过张拉结构铺８１空间电子技术２０１８年第２期设在展开肋上ꎮ收拢时通过天线中心底部的展开机构驱动各条肋绕各自铰链向天线面内收拢成柱状ꎬ展开后类似一把撑开的雨伞ꎮ径向肋天线最早由美国ＴＲＷ公司研制[７]ꎬ如图７所示ꎮ后来多个国家多家单位对该类型天线进行了研制ꎬ并应用到发射型号上ꎮ图６㊀缠绕肋天线在ＡＴＳ￣６卫星上的应用Ｆｉｇ.６㊀ＷｒａｐａｎｔｅｎｎａｓｏｆＡＴＳ￣６ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ图７㊀Ｈａｒｒｉｓ研制的径向肋天线Ｆｉｇ.７㊀Ｒａｄｉａｌｒｉｂａｎｔｅｎｎａｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙｈａｒｒｉｓ㊀㊀美国数据与中继卫星及伽利略[８]任务都用到了５ｍ口径的径向肋天线ꎬ收拢后的直径为０.９ｍ㊁高２.７ｍꎬ整个天线质量为２４ｋｇꎮ此类天线已经应用于工作频段为Ｓ和Ｋｕ频段的数据中继卫星和工作频段为Ｓ和Ｘ频段的伽利略￣木星探测器上ꎮＨａｒｒｉｓ公司目前对外称能够提供３.５~９ｍ口径的伞状径向肋天线[９]ꎮ㊀㊀俄罗斯也有成熟的径向肋式可展开天线产品ꎬ并应用在多个卫星上[１０]ꎮ例如ꎬ在俄罗斯数据中继卫星Ｌｏｕｔｃｈ系列上采用了两副伞状天线ꎮ径向肋天线具有较高刚度及型面精度ꎬ但受运载包络限制ꎬ在１０ｍ以上空间天线上很难推广ꎮ３)可收拢肋天线当天线支撑肋不是一个完整结构ꎬ需要在轨折叠展开或者伸展ꎬ此类伞状天线可称为"可收拢肋天线"ꎮ其中ꎬ天线肋可以由几段铰接而成ꎬ也可以是可伸缩结构ꎬ收拢时除了各条肋相互收拢在一起外ꎬ每条肋自身也可收拢ꎬ这样就大大减小了天线的收拢体积ꎮ比较典型的伸展肋天线是日本ＩＳＡＳ(ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｐａｃｅａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅ)公司为ＨＡＬＣＡ卫星项目研制了８ｍ口径伸展肋天线[１１]ꎬ如图８所示ꎮＨＡＬＣＡ卫星伸展肋天线结构包括６根可伸缩的肋㊁反射网㊁Ｋｅｖｌａｒ前支撑网络㊁Ｋｅｖｌａｒ后支撑网络以及肋末端的固定杆组成主反射面[１２]ꎮＫｅｖｌａｒ前㊁后支撑网固定在肋上ꎬ调整前支撑网得到一些需要位置的节点ꎬ用以固定反射网ꎮ主反射面为六边形结构ꎬ主反射面㊁馈源㊁副反射面及副反射面支撑结构构成天线系统ꎮ另一种可收拢肋天线是折叠肋形式ꎬ如美国Ｈａｒｒｉｓ公司为ＡＣｅＳ(Ｇａｒｕｄａ￣１)卫星研制的折叠肋天线ꎬ如图９所示ꎮ该天线的肋是由几段铰接而成ꎬ收拢时除了各条肋相互收拢在一起外ꎬ每条肋自身也可以折叠收拢[１３]ꎮ图８㊀日本ＨＡＬＣＡ卫星８ｍ伸展肋天线Ｆｉｇ.８㊀８ｍｓｔｒｅｔｃｈｒｉｂａｎｔｅｎｎａｏｆＨＡＬＣＡｓａｔｅｌｌｉｔｅ图９㊀１２ｍ口径折叠肋天线展开状态Ｆｉｇ.９㊀１２ｍａｐｅｒｔｕｒｅｆｏｌｄｅｄｒｉｂａｎｔｅｎｎａ９１２０１８年第２期马小飞ꎬ等:大型空间可展开天线反射器研究现状与展望㊀㊀(３)构架式可展开天线构架式天线(ＴｒｕｓｓＭｏｄｕｌａｒＤｅｐｌｏｙａｂｌｅＡｎｔｅｎｎａ)是骨架为可折叠桁架ꎬ金属网铺设在骨架上的可展开式天线ꎮ为了使桁架能折叠起来ꎬ桁架的杆件中间设有铰链ꎬ利用弹簧机构将天线展开ꎬ天线骨架是由一些基本的结构单元(四面体)组成ꎮ每个基本单元包含六根杆件ꎬ其中三根是可折叠的ꎬ杆的中间有铰链和弹簧ꎬ折叠后的尺寸与展开尺寸之比为１ʒ１０左右ꎮ构架式可展开天线适用于４~１０ｍ口径天线ꎬ目前已经在各种ＳＡＲ卫星进行了应用ꎬ如俄罗斯发射的资源系列卫星ＲＥＳＵＲＳ￣Ｏ上的ＳＡＲ天线ꎬ１９９６年在和平号空间站的自然号的双波段ＳＡＲ(Ｌ㊁Ｓ波段)天线[１０]ꎬ如图１０所示ꎮ图１０㊀ 和平 号空间站的构架天线Ｆｉｇ.１０㊀Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｔｅｎｎａ㊀㊀此类型天线的收纳比相对较高ꎬ展开后具有较高刚度及稳定性ꎮ但由于骨架系统复杂ꎬ其缺点是重量大ꎬ运动环节多ꎬ难以扩展至更大尺寸ꎮ(４)环形桁架式可展开天线环形桁架式可展开天线ꎬ也称周边桁架式可展开天线ꎬ指在柔性反射面通过环形桁架支撑成形的可展开天线ꎮ天线收拢时周边桁架处于收拢状态ꎬ入轨后周边桁架开始展开ꎬ带动反射面展开至工作状态ꎮ１)Ａｓｔｒｏｍｅｓｈ环形天线此类大型天线是由ＮｏｒｔｈｒｏｐＧｒｕｍｍａｎＡｓｔｒｏＡｅｒｏｓｐａｃｅ公司研发(注册商标为Ａｓｔｒｏｍｅｓｈꎬ因此常称之为Ａｓｔｒｏｍｅｓｈ形式)ꎬ由环形桁架系统㊁前后张力网㊁张力阵及金属网构成ꎮ典型的Ａｓｔｒｏｍｅｓｈ天线如图１１所示ꎬ天线展开过程通过牵引动力绳索使环形桁架展开ꎬ桁架在展开过程中将张力索网展开形成抛物面[１５]ꎮ图１１㊀Ａｓｔｒｏｍｅｓｈ环形可展开天线Ｆｉｇ.１１㊀Ａｓｔｒｏｍｅｓｈａｎｔｅｎｎａ㊀㊀环形桁架天线反射器展开桁架采用多个四边形单元组成ꎬ四边形单元的斜杆可伸缩ꎬ天线展开时斜杆缩短ꎮ所以ꎬ通过牵拉贯穿桁架所有单元斜杆的绳索使各单元的对角线同步收缩ꎬ即可实现天线的展开ꎬ如图１２所示ꎮ图１２㊀环形桁架天线展开过程Ｆｉｇ.１２㊀Ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｏｆａｓｔｒｏｅｓｈａｎｔｅｎｎａ㊀㊀Ａｓｔｒｏｍｅｓｈ系列环形桁架天线可分为三代:第一代是ＡＭ系列ꎬ第二代是ＡＭ￣１系列ꎬ第三代是ＡＭ￣２和ＡＭ￣Ｌｉｔｅ系列ꎮＡＭ￣１相对ＡＭ在受力直径上进行了改进ꎬ第三代的ＡＭ￣Ｌｉｔｅ相对ＡＭ￣１又进行减重设计ꎬ而ＡＭ￣２相对ＡＭ￣１在受力尺寸上又进行了优化设计ꎬ其发展脉络见图１３[１６－１８]ꎮAM 2Redesigned TrussArticulation ReducesStowed Height18 to 50 m Class--AM 1Tighter StowedPackage to EnableMounting on SpacecraftSidewall6 to 25 m Class--AM1Generation ThurayaConfiguration Mountedto Spacecraft TopDeckst249.386.图１３㊀Ｇｒｕｍｍａｎ研制的三代环形桁架天线Ｆｉｇ.１３㊀Ｔｈｒｅｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓａｓｔｒｏｍｅｓｈ０２空间电子技术２０１８年第２期㊀㊀２)Ｈａｒｒｉｓ环形天线除了Ａｓｔｒｏｍｅｓｈ形式的桁架系统ꎬ美国Ｈａｒｒｉｓ公司研制了新型的三维环形桁架可展开天线[１９]ꎬ如图１４所示ꎮ图１４㊀Ｈａｒｒｉｓ公司新型的三维环形桁架可展开天线Ｆｉｇ.１４㊀Ｈａｒｒｉｓ３￣Ｄｃｉｒｃｕｌａｒｔｒｕｓｓｄｅｐｌｏｙａｂｌｅａｎｔｅｎｎａ㊀㊀Ｈａｒｒｉｓ环形天线主要由可展开桁架㊁张力索网和金属反射网组成ꎬ可展开桁架由一个八边形的内环和外围的上下两层１８根斜支撑杆组成ꎬ两张力索网分别安装在两层斜支撑杆的端部ꎬ金属反射网铺设在前张力索网上ꎮ天线收拢后呈圆柱状ꎬ展开时内环先展开成八边形ꎬ然后斜支撑杆再展开ꎬ同时将张力索网和金属反射网撑开成抛物面状ꎮ美国ＳｋｙＴｅｒｒａ￣１卫星采用２２ｍ口径的Ｈａｒｒｉｓ环形桁架可展开天线ꎬ工作在Ｌ频段ꎬ于２０１０年１１月发射ꎬ天线展开曾出现故障ꎬ通过采取一系列故障排除措施ꎬ至２０１０年１２月１４日ꎬ该天线终于完全展开ꎬ投入正常使用ꎮ美国军用移动通信卫星(ＭＯＵＳ￣１)装载了两幅Ｈａｒｒｉｓ公司研制的环形桁架可展开天线ꎬ一幅天线口径为１４ｍꎬ另一幅天线口径为５.４ｍꎬＭＯＵＳ￣１卫星于２０１２年２月１８日发射成功ꎬ两幅天线均成功展开ꎮ如图１５所示ꎮ图１５㊀ＭＯＵＳ￣１卫星整星示意图Ｆｉｇ.１５㊀ＭＯＵＳ￣１ｓａｔｅｌｌｉｔｅ㊀㊀环形桁架天线具有较高的展开可靠性ꎬ并且单一模块可实现２０ｍ以上口径ꎮ受限于结构刚度等问题ꎬ此类天线型面难以实现较高精度ꎮ(５)半刚性反射面可展开天线得益于材料技术的发展ꎬ美国发展了一种具有较低刚度的半刚性大型空间天线ꎬ主要包括自回弹天线及智能材料展开天线ꎮ１)自回弹天线自回弹半刚性天线反射器(ＳｐｒｉｎｇＢａｃｋＲｅｆｌｅｃ￣ｔｏｒ)采用具有一定柔性和一定自回弹性能的碳纤维增强复合材料(ＣＦＲＰ)薄膜作为天线反射面ꎮ为了提高反射器型面精度ꎬ反射面背面还使用高回弹柔性材料背架ꎮ在外力作用下ꎬ反射器可被卷曲以便收纳于运载罩有效包络空间内ꎬ卫星入轨后ꎬ去除外力ꎬ反射器可利用其自身弹性回复至所需要的型面ꎮ反射器收拢时ꎬ只需在反射器对边适当位置用绳索拉紧ꎻ释放时ꎬ只需采用火工装置或热刀将绳索切断[２０]ꎮ反射器收拢和展开示意如图１６所示ꎮ图１６㊀自回弹天线反射器展开和收拢状态示意图Ｆｉｇ.１６㊀Ｓｅｌｆ￣ｒｅｂｏｕｎｄａｎｔｅｎｎａｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓ㊀㊀半刚性自回弹天线最早用在北美移动通讯系统ＭＳＡＴ中的ＭＳＡＴ￣１和ＡＭＳＣ￣１(ＭＳＡＴ￣２)卫星上ꎬ卫星采用ＨＳ６０１平台ꎬ每颗卫星各配置了两副偏馈式的半刚性自回弹天线ꎬ工作在Ｌ波段ꎬ收发分开ꎬ天线由美国的休斯公司研制ꎬ测试状态天线如图１７所示ꎮ同时ꎬ美国的休斯公司在给ＮＡＳＡ做的ＴＤＲＳ￣Ｈ㊁Ｉ㊁Ｊ卫星上也应用了半刚性自回弹天线反射器[２１]ꎮ㊀㊀自回弹半刚性反射器结构简单ꎬ重量相对较轻ꎬ可靠性高ꎬ并且具备较高的型面精度ꎬ较适用于３.５~６ｍ口径天线ꎮ２)智能展开天线ＩＬＣＤＯＶＥＲ公司在混合式充气天线中使用了１２２０１８年第２期马小飞ꎬ等:大型空间可展开天线反射器研究现状与展望记忆复合材料ꎬ并且研制了０.５ｍ口径的记忆复合材料反射器ꎮ天线反射器参考折纸技术ꎬ进行三维收拢ꎮ通过给反射器施加电流(加热)ꎬ反射器进行自主展开ꎬ达到平衡态ꎬ实现所需要型面[２２]ꎬ如图１８所示ꎮ图１７㊀测试状态的北美移动通信卫星Ｆｉｇ.１７㊀ＮｏｒｔｈＡｍｅｒｉｃａｎｍｏｂｉｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｓａｔｅｌｌｉｔｅ图１８㊀ＩＬＣ研制的形状记忆复合材料反射器Ｆｉｇ.１８㊀ＳｈａｐｅｍｅｍｏｒｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅｒｅｆｌｅｃｔｏｒｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙＩＬＣ㊀㊀在一些研究中ꎬ将柔性碳纤维布作为反射面ꎬ充分利用碳布挺度形成所需形态ꎮ为了保证碳布的顺利展开ꎬＮＡＳＡ复合材料研究发展中心将形状记忆材料用于天线展开机构中ꎮ天线由支撑肋㊁形状记忆展开梁(ＴＥＭＢＯＣｒｏｓｓＢｅａｍｓ)和柔性碳纤维反射面组成ꎮ天线的展开原理为收拢时形状记忆展开梁折叠收拢ꎬ两边支撑肋向中间支撑肋靠拢ꎬ半刚性反射面随之折叠ꎮ展开时ꎬ形状记忆展开梁逐渐展开ꎬ带动支撑肋和反射面展开ꎮ此类天线收拢时ꎬ收拢方向的尺寸为展开时的三分之一ꎬ适用于２.５~６ｍ的Ｋａ频段以上的反射面天线ꎬ目前已经完成了４ｍ样机的研制和地面试验[２３]ꎮ如图１９所示ꎮ采用新型材料的半刚性展开天线是今后空间天线发展趋势之一ꎬ其具有较高的型面精度及较高的展开可靠性ꎬ采用三维折叠的智能反射器ꎬ可实现高精度１０ｍ级需求ꎮLaunch LockTEMBO CrossBeamsOut RiggerRibTEMBO StiffenerReflector ShellRibTEMBO StiffenerReflector ShellLaunch LockTEMBO Cross BeamsOut RiggerKeel(ｂ)收拢状态图１９㊀４ｍ形状记忆复合材料展开天线Ｆｉｇ.１９㊀４ｍｓｈａｐｅｍｅｍｏｒｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔａｎｔｅｎｎａ１.１.２㊀在轨建造大型天线通过分析ꎬ采用单一模块上行并在轨展开方式ꎬ可满足一定口径以下空间天线的需求ꎮ但对于口径很大的空间任务ꎬ如空间科学观测㊁太阳能电站及军事系统等ꎬ往往需要天线口径达到百米级ꎬ甚至是公里级ꎮ单一模块形式天线已无法满足之一需求ꎬ必须采用在轨建造方式实现ꎮ(１)有人参与在轨组装天线有人参与在轨组装天线由多个模块单元组装而成ꎬ每个模块的结构近似ꎬ通过模块数量的不同组装成不同口径大小的天线ꎮ在天线模块设计完成后ꎬ天线的口径只依赖于组装数量的多少ꎮ综合分析天线单元刚度精度与整体天线刚度精度关系ꎬ天线单元常被设计为可收拢展开形式ꎮ收拢的天线单元通过货运飞船运输上天ꎬ入轨后运送至空间站平台ꎬ然后展开各个天线单元ꎬ由机械臂或航天员辅助下逐一组装成完整的天线系统ꎮ如图２０所示ꎮ组装式天线的组装形式及模块单元的结构形式可以是多种多样的ꎮ模块单元的形式可以是三角形㊁四边形㊁六边形等ꎬ也可以是它们相互之间的组合ꎬ如图２１所示ꎮ模块的组装原理如图２２所示ꎮ２２空间电子技术２０１８年第２期图２０㊀空间组装式天线总体结构示意图Ｆｉｇ.２０㊀Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｐａｃｅ￣ａｓｓｅｍｂｌｅｄａｎｔｅｎｎａ(ａ)三角形单元(ｂ)六边形单元(ｃ)三角形㊁四边形㊁六边形模块单元组合图２１㊀空间组装式天线模块单元示意图Ｆｉｇ.２１㊀Ｓｐａｃｅ￣ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇａｎｔｅｎｎａｍｏｄｕｌｅｕｎｉｔ图２２㊀模块组装原理Ｆｉｇ.２２㊀Ｍｏｄｕｌｅａｓｓｅｍｂｌｙｐｒｉｎｃｉｐｌｅ㊀㊀先将中心模块单元放置好ꎬ后面模块以第一个模块为中心ꎬ一圈一圈组装到天线上ꎮ天线各个模块单元通过机械臂运输到实验舱外部的操作平台上ꎬ用保险(绳)装置系扎后打开ꎮ在轨展开后依次组装ꎬ最终形成整个阵面ꎬ组装示意图见图２３ꎮ图２３㊀组装式天线模块在轨组装示意图Ｆｉｇ.２３㊀Ａｓｓｅｍｂｌｙｏｆａｓｓｅｍｂｌｅｄａｎｔｅｎｎａｍｏｄｕｌｅ㊀㊀(２)无人参与在轨建造天线利用多种航天器采用模块化思想进行无人参与的极大型高性能天线的组装建造ꎮ采用无人方式在轨进行极大型天线的建造ꎬ具有以下优点:１)用机器装配ꎬ避免了由于安全性因素造成的操作空间较小问题ꎬ可进行更大尺寸天线建造ꎻ２)可以利用机器保证更高精度安装要求ꎬ且可以通过设计进行天线自主调整ꎻ３)可以满足不同轨道应用ꎮ基于此ꎬ美国提出了基于航天飞机的在轨拼装方案ꎬ其原理如图２４所示ꎮ图２４㊀在轨拼装方案Ｆｉｇ.２４㊀Ｏｎ￣ｏｒｂｉｔａｓｓｅｍｂｌｙｓｃｈｅｍｅ㊀㊀该方案中的每个单元互相独立ꎬ运输到空间之后逐个展开ꎬ然后对接ꎮ当然ꎬ也可由少数几个单元在地面拼接成组ꎬ待发射到空间以后ꎬ每个组先展开ꎮ然后ꎬ再拼接形成更大的阵面ꎮ美国还提出了多种形式的在轨组装式天线概念ꎬ如图２５和图２６所示的百米天线建造概念ꎮ美国还在研究其它的基于航天飞机组装的大型３２２０１８年第２期马小飞ꎬ等:大型空间可展开天线反射器研究现状与展望天线阵ꎬ利用大量小口径天线阵面组成大型等效天线ꎬ如图２７所示ꎮ通过这种空间组装的方式ꎬ避免研制独立单元的超大型天线结构带来的运载和卫星平台无法安装的问题ꎮ图２５㊀分扇模块在轨组装式天线Ｆｉｇ.２５㊀Ｉｎ￣ｓｅｇｍｅｎｔａｓｓｅｍｂｌｅｄａｎｔｅｎｎａｗｉｔｈｓｐｌｉｔｆａｎｍｏｄｕｌｅ图２６㊀形面分片在轨组装式天线Ｆｉｇ.２６㊀Ｓｈａｐｅｄｓｅｇｍｅｎｔｓｉｎｒａｉｌａｓｓｅｍｂｌｅｄａｎｔｅｎｎａ图２７㊀美国在轨组装大型阵列天线Ｆｉｇ.２７㊀Ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇｌａｒｇｅａｒｒａｙａｎｔｅｎｎａ１.２㊀国内大型空间可展开天线发展现状国内大概于２０世纪９０年代开始研究各类大型空间天线ꎬ通过多年的努力取得了较大的成绩ꎬ成功实现了多副大型空间天线的在轨应用ꎮ在理论研究方面ꎬ浙江大学㊁西安电子科技大学㊁航天五院西安分院㊁哈尔滨工业大学㊁清华大学及北京理工大学等单位都对大型㊁极大型空间天线的核心科学问题进行了深入研究ꎬ在天线结构/机构设计㊁高精度网面设计㊁动力学分析技术等方面取得了多项成果ꎮ在工程化方面ꎬ西安分院作为国内最具实力的空间天线研制单位ꎬ承担了国内大型网状可展开天线的型号研制任务ꎮ通过１０多年的技术研究和工程实践ꎬ突破了极大型网状天线总体设计技术㊁空间天线结构/机构设计技术㊁多柔体动力学分析技术㊁高精度网面设计技术㊁极大型空间结构地面试验技术㊁一体化控制技术等关键技术ꎬ达到国际先进水平ꎮ近年来ꎬ西安分院联合国内优势单位开展了在轨建造极大型空间天线的技术研究ꎮ２㊀大型空间可展开天线反射器关键技术大型空间天线反射器结构的研究ꎬ涉及多个学科领域ꎬ主要的关键技术包括以下方面:２.１㊀大型空间可展开天线总体设计技术面向实际应用需求ꎬ初步确定天线形式ꎬ在此基础之上进行天线电性能初步分析ꎬ并分解出各项主要指标ꎮ针对天线电性能需求及运载㊁平台等约束ꎬ设计合理可行的天线构型ꎮ充分利用机构学㊁多体动力学等技术进行天线展开原理性设计ꎻ采用优化设计方法分析ꎬ并分配天线展开动力ꎬ提出驱动源及运动副设计要求ꎻ面向任务剖面图ꎬ设计充分的试验验证项目ꎮ２.２㊀空间天线柔性网面设计技术包括通过合适的网面的几何拓扑和网面找形找态方法ꎬ保证足够小的设计误差ꎻ设计合理的网面张拉系统ꎬ确保张力分布均匀ꎬ利于网面系统的实现ꎮ同时ꎬ针对空间环境及装配所造成的在轨型面精度偏差ꎬ还需进一步研究高精度型面制作工艺ꎬ以及基于热环境㊁热分析的高精度网面保持技术ꎮ２.３㊀大型天线展开技术不同的展开类型反射器ꎬ需要研究不同的展开结构与机构问题ꎬ重点解决展开过程的稳定和可控性ꎮ高收纳比是展开结构技术追求的目标ꎬ较高的收纳比能够实现较小的天线收拢体积ꎬ从而解决星上安装更多的天线或更大的天线ꎮ网面管理机构是研究的难点ꎬ大型网状可展开天线结构中存在极多４２空间电子技术２０１８年第２期。
天线原理与设计讲义.ppt
简言之：天线的功能主要有两点： (1)能量转换 (2)定向辐射或接收 无线电通讯线路中的辐射和接收天线示意：
发射系统等效电路：
天线等效电路中最主要的一个参数——辐射电阻Rr。 可以认为天线辐射的电磁波能量全部由Rr吸收。
发射天线空间辐射方向图。
●典型的空间三维方向图
●典型的二维方向图
各种各样的方向图是由各种各样的天线实现的。
■ IE3D软件 ■ FIDELITY软件
(2)在天线技术应用方面
卫星通信技术发展推动了卫星天线和大型地面站天 线的发展，出现了大型平面阵、卡塞格仑天线及各种反 射面天线馈源。
雷达制导、搜索、跟踪、预警技术的应用推动了单 脉冲雷达天线、相控阵天线，多波束天线的发展。
半导体技术的发展使无线电技术向毫米波、亚毫米 波甚至更高频率发展，对天线提出了小型化、集成化、 宽带化等一系列要求，出现了有源天线、微带天线和印 刷天线、印制板开槽天线、表面波天线、共形阵列天线 等。
另外，还有八木天线，对数周期天线、阵列天线。阵 列天线又有直线阵天线、平面阵天线、附在某些载体表 面的共形阵列天线等。
为便于分析和研究天线性能出发，天线可以分为如下 几大类：
(1) 线天线(Wire Antennas) ——(1～6)章
(2) 口径天线(Aperture Antennas) ——(8～10章)
(1)在天线理论方法方面
■几何绕射理论 ■平面波谱展开法 ■时域有限差分法 ■天线近场测量理论
■矩量法 ■有限元法 ■时域积分方程法 ■阵列分析与综合理论
这些理论方法为天线的工程设计奠定了坚实的基础，
随着计算机技术的发展大都形成了计算机仿真的电子自 动化设计软件。
■ HFSS软件 ■ CST软件 ■ FEKO软件
j型天线的原理
J型天线的原理在无线通信领域，天线作为信号传输的重要组件，其种类繁多，功能各异。
其中，J型天线因其独特的结构和性能，在多种通信系统中占有重要的地位。
本文将详细阐述J型天线的原理，包括其基本结构、工作原理、辐射特性以及在实际应用中的表现。
一、J型天线的基本结构J型天线，顾名思义，其形状类似于英文字母“J”。
它主要由两部分组成：一是直线部分，也称为馈电部分，它连接到传输线上，负责信号的输入和输出；二是弯曲部分，这部分形成了天线的辐射体，负责将电磁能量转换为空间中的电磁波，或将空间中的电磁波转换为电磁能量。
二、J型天线的工作原理J型天线的工作原理主要基于电磁波的辐射和接收。
当电流通过天线的馈电部分时，它会在天线的辐射体上产生交变的电磁场。
这个交变的电磁场会激发空间中的电磁波，从而实现信号的传输。
同样地，当空间中的电磁波遇到天线的辐射体时，它会在天线上感应出电流，从而实现信号的接收。
具体来说，J型天线的辐射特性与其结构密切相关。
由于J型天线具有弯曲的辐射体，这使得它在某些方向上的辐射能力得到增强，而在其他方向上的辐射能力被削弱。
这种方向性的辐射特性使得J型天线在某些特定的通信场景中表现出色。
三、J型天线的辐射特性1. 方向性：J型天线的辐射方向图通常呈现出一定的方向性，即在某些方向上的辐射强度较大，而在其他方向上的辐射强度较小。
这种方向性可以通过调整天线的结构参数来优化，以满足不同通信系统的需求。
2. 阻抗匹配：为了实现高效的信号传输，J型天线的输入阻抗需要与传输线的特性阻抗相匹配。
阻抗匹配的好坏直接影响到天线的辐射效率和信号传输质量。
因此，在设计J型天线时，需要对其阻抗特性进行仔细的调整和优化。
3. 带宽：J型天线的带宽是指其能够有效工作的频率范围。
带宽的大小取决于天线的结构、材料等因素。
为了拓宽天线的带宽，可以采用多种技术手段，如使用宽带匹配网络、优化天线结构等。
四、J型天线在实际应用中的表现由于J型天线具有独特的辐射特性和良好的阻抗匹配性能，它在多种通信系统中得到了广泛的应用。