作者简介
王建晓,尚社,宋大伟,罗熹,李栋,李小军
（中国空间技能研究院西安分院
随着MarCO与RainCube的乐成在轨验证，立方体卫星已经在深空探测与遥感范畴显现出独特的上风。立方体卫星搭载的天线不但必要提供精良的辐射特性，还必须满意立方体卫星苛刻的体积和重量限定，这种限定条件在计划大口径高增益天线时尤为紧张。起首扼要先容了立方体卫星的劈头、发展及其应用远景，其次重点先容了立方体卫星高增益天线的技能特点、研究近况及其在轨验证环境，末了归纳总结了立方体卫星高增益天线技能的将来发展趋势，为我国后续开展立方体卫星研究与应用提供参考。
弁言
1999年，美国加州理工学院PuigSuari传授和斯坦福大学Twiggs传授起首提出了立方体卫星（CubeSat）标准，并订定了立方体卫星的相干标准，旨在利用较低本钱资助宇航专业的门生得到体系工程履历并认识卫星研制的全过程[1]。立方体卫星就是具有立方体外形的卫星。在实际中，立方体卫星可以由多个根本单位构成，一个根本单位（1U）的外形包络为10cm×10cm×10cm、质量约为1kg。立方体卫星的尺寸也由1个维度尺寸的增长拓展到3个维度尺寸的增长，但外形必须是立方体。2003年6月30日，日本东京工业大学、丹麦奥尔堡大学等研发的立方体卫星作为立方体卫星的先驱初次发射乐成[2]。受益于微电子、太阳能电池、MEMS、FPGA、高效电机、先辈质料、微型敏感器等范畴的快速进步，立方体卫星技能应用也得到了超过式发展[3]。公开数据表现，近十年立方体卫星发射量出现发作式增长，如图1所示。由于立方体卫星优先选用商用元器件和芯片，如许不但支持标准化计划和批量化生产，还可以大幅度收缩卫星研制时间、低落生产本钱。随着电子信息技能、微电子技能的不绝进步，立方体卫星很快就突破了讲授范畴，而且渐渐在遥感、通讯、深空探测等主流应用范畴占据一席之地[4]。
图1纳卫星与立方体卫星发射趋势图
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立方体卫星天线概述
随着立方体卫星技能成熟度的不绝进步及其应用范畴的变革，立方体卫星天线的情势也出现出多样化的发展趋势。根据天线增益的差别，立方体卫星天线大抵可以分为：低增益天线（Gain≤8dBi）、中增益天线（8dBi＜Gain≤25dBi）、高增益天线（Gain＞25dBi）。最初立方体卫星重要用于讲授与科学实行目标，利用低增益天线就可以实现低速率的对地通讯任务。由于立方体卫星各个子体系在尺寸、功率等方面限定以及缺乏充足大的天线口径，立方体卫星的应用也都范围在近地轨道，因此早期的立方体卫星大多搭载低增益天线。常见的低增益天线有如图2(a)、图2(b)所示的各种情势的微带贴片天线[5-7]、如图2(c)所示的环形天线、如图2(d)、图2(e)所示的鞭状天线[8]以及螺旋天线[9]等。随着立方体卫星技能上风的渐渐凸显，研究职员实行将立方体卫星用于深空通讯和微波遥感范畴，此时就必要搭载高/中增益天线来满意通讯速率和作用间隔的要求。比方，对于深空通讯而言，在射频输出功率受限的环境下（典范值为5W），立方体卫星必须利用高增益天线才华满意200万公里的对地通讯需求[10]。假如载体可以或许提供充足大的安装面积，中增益天线的最佳情势为微带贴片阵列，如，NeaScout、Biosentinel、CuSP等立方体卫星都利用中增益微带贴片阵列天线来发射信号。对于立方体卫星而言，高增益天线的常见情势为折叠型平面反射阵、可睁开反射面，后文将会具体先容这两种高增益天线。
图2立方体卫星低增益天线
作为卫星体系的“眼睛”和“耳朵”，星载高增益天线对卫星的团体性能起到决定性的作用。ISARA、MarCO、RainCube等为立方体卫星开辟了新的应用范畴，携带高增益天线的立方体卫星渐渐在深空通讯、微波遥感等范畴崭露锋芒[11]。本文将重点叙述用于立方体卫星的高增益天线研究近况及其发展趋势，为立方体卫星的应用提供有益参考。
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立方体卫星高增益天线
高增益天线通常必要较大的物理口径，因此立方体卫星高增益天线计划面对巨大挑衅，即怎样利用立方体卫星有限的空间来容纳高增益天线的巨大口径[12]。由于受限于立方体卫星有限的空间尺寸，立方体卫星高增益天线情势的选取必要思量以下因素：收拢体积、睁开机构复杂度、工作频段、电性能。连合已经在轨验证的立方体卫星高增益天线，下面将具体先容用于立方体卫星的折叠型平面反射阵天线与可睁开网状反射面天线的关键技能。
2.1折叠平面反射阵天线
反射阵天线由周期布局分列的反射阵列和用于空间馈电的馈源构成。反射阵天线兼具反射面天线和相控阵天线的长处，还具有极大的计划自由度，如今已经成为最具潜力的高性能星载天线情势之一[13]。1996年，Huang[14]初次提出了星载折叠平面反射阵（foldedplanereflectarray,FPR）天线的假想，利用弹簧负载铰链来折叠/睁开平板反射阵天线。由于反射阵天线从未颠末在轨验证，将折叠平面反射阵天线用作星载天线也存在较大技能难度，因此NASA选择本钱较低的立方星来实行搭载和在轨验证试验。如图3所示，NASA先后发射的ISARA与MarCO立方体卫星均搭载了折叠平面反射阵天线，而且正在研发更大口径的OMERA折叠平面反射阵。2017年11月12日，JPL研发的ISARA立方体卫星发射乐成，并圆满完成在轨演示验证试验[15]。如图3(a)所示，ISARA立方星的规格为3U(10cm×10cm×34cm)，这是初次搭载折叠型平面反射阵天线。FPR的辐射口径由3块33.9cm×8.26cm的阵面构成，并与太阳能帆板一体化计划（太阳能帆板位于反射阵的反面）；馈源（微带贴片阵列）安装在卫星的本体，焦距为27.6cm，偏置为14.67cm；工作频率为26GHz，增益为33dBi；下行数据传输速率＞100Mb/s。由于馈源服从较低、阵面拼接间隙较大等因素，ISARA的口径服从仅为26%。ISARA不但是初次实现反射阵天线与太阳能帆板一体化计划的卫星，还初次在轨验证了Ka频段反射阵天线[15]。ISARA在馈源、铰链等方面还存在较大的优化空间，折叠型平面反射阵天线正在为立方体卫星提供一种新的高增益天线办理思绪。受到ISARA的鼓舞，NASA开始实行利用反射阵天线来完成通讯中继任务。
图3用于立方体卫星的折叠型平面反射阵
“洞察号”与MarCO立方星于2018年5月5日发射乐成，并于2018年11月26日到达火星上空[16]。如图3(b)所示，MarCO反射阵的工作频段为X频段（8.4~8.45GHz），由3块口径19.9cm×33.5cm的子阵构成，增益为29.2dBi，口径服从为42%。如图4所示，在“洞察号”进入、降落、着陆期间，MarCO从火星上空3500公里处飞掠火星，利用指向火星的UHF频段环形天线吸取来自“洞察号”的EDL数据（以8kb/s的速率），再利用指向地球的X频段反射阵天线将该EDL数据传送到NASA的70m深空通讯天线。颠末ISARA、MarCO的在轨演示验证，FPR的技能成熟度得到了充实的验证。如今，NASA正在研制工作频率更高、物理口径更大的反射阵天线OMERA，如图3(c)所示。OMERA的设置雷同于卡塞格伦天线，工作频率为35.75GHz，增益到达47.4dBi，15块通过铰链毗连的矩形平板构成81.8cm×98.4cm的辐射口径[17-18]。作为星载反射阵天线的代表性应用实例，MarCO折叠平面反射阵的技能特点将为星载反射阵天线提供鉴戒代价和引导意义，下面将具体先容MarCO折叠平面反射阵的具体技能细节。如图5所示，MarCO继承相沿ISARA的微带贴片阵馈源方案，馈源的具体情势为2×4单位的圆极化切角微带贴片阵列。采取带状线馈电网络通过探针对微带贴片馈电，在馈电带状线四周设置金属化导通孔以消除馈电网络的寄生影响。别的，为了克制立方星本体对馈源方向图的影响，对馈源的俯仰维的副瓣电平举行控制。馈源的增益约为13.8dBi，10dB波束宽度约为47.1°（俯仰维）×84.1°（方位维）。馈源的尺寸为9.2cm（长）×4.2cm（宽）×4.7mm（厚），馈源天线通过弹簧铰链与卫星本体毗连。
图4MarCO通讯中继表示图
图5MarCO折叠平面反射阵馈源
由于反射阵的外貌平整度直接影响到天线的辐射性能，因此怎样包管反射阵的平整度就显得至关紧张。MarCO反射阵必须遭受发射与飞行过程中的振动环境与高低温度环境。与ISARA雷同，MarCO反射阵的介质基板也采取三明治布局，即，“RogersRO4003+XN8060S碳纤维+RogersRO4003”，如图6所示。RogersRO4003电路板可以提供稳固的射频性能与精良的外貌平整性。XN8060S碳纤维可以提供较好的强度、热传导特性以及较低的热膨胀系数。在两层RogersRO4003基板上都刻蚀上反射阵单位，完全对称的三明治布局的对称性可以或许有效地克制热效应引起基板的弯曲程度。
图6MarCOFPR基板细节参数
反射阵面的睁开机构为根部铰链、翼铰链、开释装置。MarCOFPR的铰链与开释装置如图7所示。根部铰链毗连反射阵面与卫星本体，翼铰链毗连3块子阵，开释装置熔断反射阵天线的绑带[19]。根部铰链决定了反射阵面与立方星本体的夹角，因此根部铰链的睁开位置会影响天线的波束指向。翼铰链决定了阵面的平整度与拼接间隙，因此翼铰链会影响天线的增益。
图7MarCOFPR的铰链与开释装置
如图8所示，当天线收拢时，馈源收纳在卫星本体的矩形收纳腔内，3个子阵折叠到卫星本体的一面；当天线睁开时，3个折叠子阵团体沿根部铰链睁开，馈源弹出，3个子阵沿着翼铰链睁开为完备的反射阵面。带状线馈电网络的输出端为带状线CPW过渡变更器，毗连到CPW线的GPO毗连器被直接用作射频旋转关节。馈源装置乐成通过睁开测试、热循环、振动试验等。睁开布局可以正确实现所必要的睁开角度（22.76°），重复偏差小于008°。MarCO折叠平面反射阵的总重量为998g（指标要求小于1kg），此中，反射阵面的重量为931g，馈源的重量为57g，开释装置的重量为10g。平面装置利用拍照丈量法来评估平面的平整度、睁开角度以及可重复性。平面平整度的均方根约莫为0.95mm。在五次睁开试验中，翼铰链最大睁开角度偏差分别为0.27°（+X子阵）和0.08°（-X子阵），根部铰链的最大睁开角度偏差约为0.02°。MarCO反射阵的睁开机构具有精良的重复性，睁开偏差均在可担当范围之内。
图8MarCO折叠平面反射阵收拢与睁开表示图
FPR具有极小的收拢体积、极低的制造本钱、极轻的重量等上风，这些长处与立方体卫星高增益天线的计划目标美满匹配。3~6U立方体卫星每每更加难以提供很大的安装空间与安装外貌，因此FPR对这类尺寸的立方体卫星更具实际代价。
2.2可睁开网状反射面天线
如今，反射面天线仍旧是应用最广泛的星载高增益天线，可以工作在微波、太赫兹波段[20]。相较于前文所述的反射阵天线而言，反射面天线的最大上风在于频率不敏感。因此，在宽频带或多频带高增益应用场景中，天线计划师通常更加青睐反射面天线[21]。反射面天线大抵可以分为刚性反射面、充气反射面、网状反射面及薄膜反射面。鉴于立方体卫星在体积和重量方面的限定，刚性反射面天线无法满意立方体卫星应用需求。网状反射面是20世纪末出现的一种可睁开天线，具有质量轻、收拢体积小、面密度低等特点。
2018年7月13日，RainCube立方体卫星通过国际空间站发射升空。RainCube立方体卫星受到NASA资助，旨在利用低本钱的6U立方体卫星平台验证Ka频段降水量雷达技能[22]。RainCube重要验证了两项关键技能：新型小型化Ka频段雷达架构，0.5m口径Ka频段可睁开网状反射面天线。RainCube是首颗集成了有源雷达的立方体卫星，该雷达可以网络有代价的大气科学数据。RainCube配备的雷达可以或许观测降雨量并改进气候预报模子，NASA的研究职员筹划发射这种立方体卫星构成的星座来得到比单颗大卫星更好的时间分辨率。RainCube是一颗6U的立方体卫星，此中，电源体系、盘算机、控制体系等装备共占据4.5U空间，雷达和天线只有1.5U。RainCube的雷达利用反射面天线来发射雷达信号与吸取回波信号。RainCube的雷达将间隔地面450~500km处观测云层，它必要一副0.5m口径的天线以得到10km的足印。
如图9所示，Ka频段可睁开网状反射面天线的重要构成部件：1）馈源喇叭；2）馈源支持杆；3）副反射面；4）可睁开网状反射面；5）伸缩波导。多模喇叭天线可以实现精良的波束等化特性、稳固的馈源锥削、低交错极化等特点。为了低落锥削丧失与漏射丧失，喇叭天线的-10dB波束宽度计划为31°。矩形-圆形波导转换器与伸缩波导毗连，对辐射喇叭举行线极化馈电。如图10所示，在反射面天线睁开前，伸缩波导收拢在辐射喇叭中，反射面天线的团体收拢体积不大于10cm×10cm×15cm。当反射面天线睁开时，辐射喇叭沿着伸缩波导向上滑动，伞骨向外伸展直至伞面拉紧。
图9RainCube立方体卫星[22]
图10喇叭天线馈源与伸缩波导[22]
在计划网状可睁开反射面天线时，必要重点思量以下因素：漏射服从与锥削服从，副反射面及其支持布局的遮挡，有限数量的肋造成的外貌偏差。怎样将0.5m口径的天线收拢在1.5U的空间本身就极具挑衅性，必要在射频计划与机器计划之间折中，重要抵牾会合在焦距与肋数量的选取。副反射面的高度受限于团体收拢体积的最大高度以及副反射面的睁开复杂度。假如副反射面到抛物面顶点的间隔小于11cm，那么副反射面就不必要利用睁开机构；假如该间隔小于22cm，那么副反射面只必要一次睁开即可；假如该间隔小于33cm，那么副反射面就必要两次睁开。为了低落天线睁开机构的复杂度，计划职员盼望副反射面最多利用一次睁开，因此副反射面的高度限定为22cm以下，反射面的焦距限定为25cm以下。众所周知，可睁开网状反射面的精度与肋的数量成正相干，而睁开机构的复杂度也与肋的数量成正相干，因此必要分身反射面的精度与睁开布局的复杂度的条件下选择符合数量的肋。当采取30根肋时，反射面的均方根可以到达0.2mm，增益丧失不大于0.39dB。因此，30根肋不但可以包管天线的RF性能，还可以确保肋之间具有充足的空间以防睁开时发生碰撞。对于这类天线而言，常用的方法是利用压缩弹簧的应变能来睁开反射面天线的肋和网面。但是RainCube网状反射面天线采取一种基于气体上升装置的新型睁开机构，这是该天线的关键创新点。如图11所示，RainCube网状反射面天线的睁开过程从开释发射锁开始，即，利用热刀堵截聚合物捆绳。当气体进入天线收纳罐时，天线基座将会迟钝地抬升，直至离开立方体卫星。压缩气体直接作用在天线基座的底面，因此420kPa压强产生的290N压力就可以完全睁开反射面天线的肋，并拉紧天线的网面。随着天线基座渐渐靠近收纳罐的顶部，锁定在天线基座上的根肋也随之上升、睁开。随着根肋向上移动，等拉力弹簧将顶肋完全睁开。一旦根肋与顶肋都完全睁开，位于喇叭天线外围的压缩弹簧就会开释并将副反射面推送到指定位置。通过公道地设定机器公差，副反射面的睁开位置与抱负位置的毛病为：沿着z轴毛病小于0.2mm，沿着x轴与y轴毛病小于0.1mm。由于通过预置弹簧来保持副反射面的位置，因此副反射面的重复睁开精度取决于机器公差。当Hub上升到其完全睁开位置时，弹簧锁就会将Hub锁死以包管天线始终保持睁开状态，纵然收纳罐减压。RainCube可睁开反射面天线的工作频率为35.75GHz，增益为42.6dBi，口径服从为52%；雷达的水中分辨率优于10km，垂直分辨率优于250m。
图11RainCube网状反射面睁开过程[22]
基于RainCube的计划参数以及睁开机构，NASA的研究职员计划了双极化馈源，研制了用于通讯的0.5m口径可睁开网状反射面天线[23]，可以或许兼容NASA的Ka频段深空通讯网。如图12所示，针对12U立方体卫星平台，NASA的研究职员起首研制用于雷达的Ka频段1m口径可睁开网状反射面天线[24]；其次，通过引入组合馈源，研制了用于通讯的1m口径可睁开网状反射面天线[25]，可以或许兼容X/Ka频段深空通讯网。对于X频段而言，该天线的上/下行频段增益分别为36.1、36.8dBi，服从分别为72%、62%；对于Ka频段而言，该天线的下行频段增益为48.4、48.7dBi，服从分别为62%、57%[25]。用于12U立方体卫星的1m口径偏置馈电网状反射面天线正在研制阶段，其睁开过程如图13所示。
图121米可睁开网状反射面天线[24]
图131米口径网状反射面睁开过程[25]
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立方体卫星高增益天线发展趋势
连合MarCO与RainCube立方体卫星的在轨应用实例，前文重点回顾了折叠平面反射阵天线与可睁开网状反射面天线的应用近况及其关键技能。预测将来，星载天线的技能发展趋势为“smaller,smarter,cheaper,andfaster”[26]，即，怎样快速得到小巧、智能、低本钱天线。对于体积、功耗、重量指标都非常受限的立方体卫星而言，上述诉求尤为急迫。下面将先容立方体卫星高增益天线的几个紧张发展方向，如，大口径可睁开反射阵天线、充气式可睁开天线、透镜天线等。
3.1充气可睁开天线
早在1997年，JPL的Huang等[27]就提出了充气天线的概念，具体包罗充气平面微带天线阵、可折叠薄膜阵、充气微带反射阵等。由于利用低弹性模量的薄膜质料制成，充气可睁开天线发射前的收纳体积很小，发射后充气睁开为必要的外形。充气可睁开天线具有明显的上风，如重量轻、收纳比高、本钱低、可靠性高[28]。Huang等[29]先后研制了1m口径X频段充气式可睁开反射阵天线样机与3m口径Ka频段反射阵天线样机[30]，如图14所示。2008年，浙江大学的关富玲传授团队[31]研制出一款折叠卷收式反射阵天线，将充气可睁开铝箔圆管用作2m口径反射阵天线的支持框架；2014年，关富玲传授团队[32]研制出一款充气球天线，该天线利用反射面上、下球体气压差形成必要的抛物面外形，如图15所示。
图14JPL研制的充气可睁开反射阵天线[29-30]
图15充气球天线[32]
在计划充气式可睁开天线时，必要办理的关键题目：1）薄膜平面分别题目；2）睁开控制机构计划；3）高服从收拢与睁开方案；4）静态与动态空间环境效应建模与分析。由于实现的形面精度较差且必要额外的充气装备，如今充气式可睁开天线范围于较低频段的地面应用，间隔空间应用仍有较大差距。但是，充气式可睁开天线仍旧为立方体卫星实现大口径天线方案开辟了新的办理途径。
3.2新型睁开机构天线
常见的花瓣绽放过程与昆虫羽化过程都属于生物学上的睁开布局[33]。历经长期演化，天然界的生物体在质料、外形、布局、功能等方面到达最优性能。仿生学将机构创新与生命科学精密接洽起来[34]，怎样利用仿生学引导计划空间可睁开薄膜布局已经成为研究热门。JPL计划了一款睁开口径到达1.5m×1.5m的大口径可睁开反射阵天线（large-areadeployablereflectarray，LADeR），收拢后可以放置在直径20cm、高度9cm的圆柱内，LADeR测试现场及其睁开过程如图16所示。固然LADeR的口径尺寸突破了前文的OMERA与Ka频段网状反射面天线，但是其计划频率降至8.4GHz，测试增益为39.6dBi[35]。
图16大口径可睁开反射阵及其睁开过程[35]
折纸艺术具有丰富的多少外形，差别的折痕和折叠图案所折叠出的三维布局具有差别的多少外形、力学性能和功能。如今，学者已经开始将折纸艺术用于可睁开天线的计划[36]，探索轻质、低本钱的可睁开折纸天线[37]。文献[38]具体先容了折纸天线计划的关键技能，开辟了用于折纸天线计划与优化的开辟软件。文献[39]提出了一种六边形折叠反射阵天线，该天线的睁开过程如图17所示。该天线的工作频率为16GHz，增益到达26.4dB，口径服从优于60%。文献[40]提出一种基于折纸艺术的折叠可重构反射阵天线，通过机器控制反射阵的折叠状态来得到两个笔形偏转波束和两个双波束辐射特性，如图18所示。
图17六边形折叠反射阵的睁开过程[39]
图18折叠可重构反射阵的差别状态[40]
3.33D打印天线
随着当代卫星体系的不绝发展，星载天线的工作频率在不绝升高，传统的微波波段加工方法（数控机床、印刷电路板等技能）已经难以满意高频段天线的加工精度要求[41]。近几年，3D打印技能取得了突破性盼望，其采取层叠原质料的方法可以快速制造出布局复杂、质量轻便的高强度器件。在天线计划范畴，3D打印技能可以满意天线低本钱、短时间制造和高精度的要求。金属3D打印技能已经被用来制造PolarCube立方体卫星的馈源，该天线是一个工作频段为118.5GHz的波纹喇叭天线[42]。如图19所示，文献[20]利用金属3D打印技能加工了一款低剖面反射面天线，该天线的工作频率为19GHz，增益约为28.4dB，剖面高度约为同口径反射面天线的1/12。
图19文献[20]中3D打印全金属蹊径反射面天线
别的，基于介质质料的3D打印技能也已经被用来加工制造毫米波、太赫兹频段透镜天线[43-44]。如图20（a）所示，文献[44]提出了一种28GHz的梯度折射率透镜天线，利用3D打印技能来实现梯度渐变布局，波束扫描角到达±58°，方向性系数到达28.2，口径服从为67%；如图20（b）所示，文献[45]提出了一种工作频率为300GHz的圆极化透镜天线，增益到达30.8dBi，口径服从为25.63%；如图20（c）所示，文献[46]提出了一种用于星载微波散射计的透镜天线，该天线的工作频率为13.4GHz，增益大于25.0dBi，口径服从为50%。
图20文献[44]~[46]中3D打印透镜天线
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结论
文章扼要先容了立方体卫星及其天线的技能特点，连合立方体卫星的应用实例重点叙述了立方体卫星高增益天线的技能近况，归纳总结了立方体卫星高增益天线的将来发展趋势，以期对我国立方体卫星的研究与应用提供参考。如今，装备高增益天线的立方体卫星已经成为卫星家属不可小觑的紧张成员。随着立方体卫星在空间通讯、太空观测、电子侦察、资源勘探等范畴的深入应用，用于立方体卫星的高增益天线将会成为立方体卫星计划的关键技能。别的，为了充实利用立方体卫星有限的空间资源、载重本领、功耗以及本钱，将来的立方体卫星天线工程师不但必要具备相应的微波天线计划履历，还必要充实相识整个立方体卫星体系的构成及其功能。
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