柔性张拉薄膜可展开空间天线研究现状与发展趋势

　　摘要：柔性张拉薄膜可展开天线是将柔性电子、柔性薄膜材料、柔性结构和柔性展开技术融合创新的一种具有广泛应用前景的大型可展开空间天线，具有轻质、高展收比、高增益和波束灵活的特点，可有效满足遥感、通信、深空探测卫星的特殊需求。阐述了柔性张拉薄膜可展开天线的特点与研究现状;对空间薄膜天线研制的基础理论及综合测试方法进行了总结;结合具体工程问题，论述了大型可展开空间薄膜天线研制所需要解决的关键技术难题，并进一步分析了薄膜天线的技术发展趋势。

　　关键词：柔性张拉薄膜可展开空间天线;薄膜结构;可展开结构;研究现状;发展趋势

　　随着空间科学技术的发展，各类航天器对通信能力的要求越来越高。空间天线作为卫星通信的必要设备，是航天器技术发展的重要核心部分之一。为了满足高增益、波束灵活的通信需求以及运载火箭对天线收拢体积、重量的限制，发展了多种形式的可展开空间天线。可展开空间天线的结构形式可按照型面形式划分为：固面可展开空间天线、网面可展开空间天线和新一代柔性材料型面可展开天线等三类[1]。典型的固面天线有Sunflower天线、MEA天线、DASIY天线、SSDA天线等。

　　网面可展开空间天线是目前大天线技术的主要实现方式之一，其特点是收展比大、轻质量，包括伞肋式、构架式、环形索网式和环柱式天线等。新一代柔性材料型面可展开天线包括壳膜可展开天线和薄膜可展开天线两类。壳膜可展开天线常见的实现方式有自回弹和伞肋式等，薄膜天线实现途径有充气和平面展开等方式。柔性薄膜可展开天线主要有充气抛物面式、充气刚化、弹性肋驱动、形状记忆聚合物(SMP)充气、静电成型可展开天线以及柔性薄膜张拉天线等形式[2]。

　　相控阵天线是近年来发展较快的一类天线，在卫星通信、微波遥感、对地观测等方面具有广阔的应用前景。天基SAR(合成孔径雷达)领域中，要求提供更宽的频带、更多的波束、更精细的波束地面分辨率，因此需要大尺寸的平面有源相控阵天线。传统可展开空间天线结构大多应用于反射器天线，与平面相控阵天线的结构实现方式不同，可展开空间反射器结构往往具有更多的型面成型结构与机构。在平面相控阵天线结构的实现方式上，柔性薄膜天线具有实现更大口径、更大收展比的可能性，相控阵天线的型面采用柔性薄膜结构能大大减轻质量和减小收拢和展开体积。

　　柔性张拉薄膜可展开结构是柔性薄膜相控阵天线的一种结构实现方式。本文针对柔性张拉薄膜可展开空间天线进行了调研。首先，对柔性张拉薄膜可展开空间天线的特点进行了调研与分析;其次，对柔性张拉薄膜天线的研究现状进行了综述，并结合实际工程，总结了柔性张拉薄膜可展开空间天线的关键技术研究现状;最后，对柔性张拉薄膜可展开空间天线的后续发展设想进行了阐述。

　　柔性张拉薄膜结构研究现状

　　柔性张拉薄膜可展开天线是指将柔性电子、柔性薄膜材料、柔性结构和柔性展开技术融合创新的一种新型大型可展开空间天线。其特点有：轻质、高展收比、高增益和波束灵活等。柔性张拉薄膜可展开天线的组成有：柔性薄膜材料(聚酰亚胺等)、柔性电子模块(薄膜上镀铜银金等、实现电路功能、柔性模块——信号发射与接收模块等)、柔性结构(薄膜可展开结构)等部分。通常，柔性张拉薄膜天线有反射阵式天线和直射阵式天线两种形式。反射阵式柔性薄膜天线是一种无源天线，反射面由薄膜结构展开成型，馈源放置于反射面外侧。DARPA的R3D2卫星上的薄膜天线，其展开前被收展于非常小的体积内[3]。

　　直射阵式柔性薄膜天线是一种有源天线，反射面由薄膜结构展开成型，T/R模块集成于薄膜上或展开结构上以实现天线的功能。柔性薄膜可展开天线与传统天线(固面、网面天线)相比，型面材料的密度更小、收展比更大，具有广阔的发展空间。柔性薄膜可展开天线的发展可以追溯到20世纪90年代，JPL实验室[46]对平面薄膜SAR天线进行了研制，研制了3m、8m级的平面薄膜AR天线，研究了机械结构和射频结构的测试与设计等方面的内容(薄膜拼接、悬链线设计、展开结构与机构、薄膜间隔支撑结构、组装工艺等)。2007年，JPL[7]提出了径向可展开伞式平面薄膜SAR天线(RadiallyDeployedUmbrella)的概念。2011年，JPL[8]进行了膜面集成/R模块的薄膜有源相控阵天线的研制。

　　NASALangley研究中心[10]开发了SMP充气膜天线，进行了充气薄膜太空舱的研究，参与研制了应用CP1薄膜材料的太阳帆结构。SRS公司[11]研究了基于CP1薄膜的太阳帆结构边界连接问题以及消除褶皱的手段，提出了一种无粘合剂的粘接方法。除此之外，RS公司还研究了不同增强体复合的P1薄膜材料，提升了太阳帆材料的耐高温性能和在轨消皱的能力。

　　诸多大学的学者对薄膜天线的平面相控阵电性能1213]、悬链线边界连接方法1417]、平面薄膜结构的振动特性1819]、褶皱分析方法20]等内容进行了广泛的研究。 德国DLR[21设计了40㎡的可展开SAR天线和三代尺寸递增的太阳帆，进行了薄膜及其可展开结构的轻量化设计，研制了碳纤维增强体复合材料(FRP)的伸展臂，测试了不同展开方式的稳定性和驱动效果。加大拿宇航局[2629]对平面薄膜天线结构形式、张紧方式、展开方式的设计、分析与验证以及多种薄膜材料的力学特性评估进行了研究。

　　日本JAXAISAS和诸多大学对薄膜结构进行了广泛的研究，主要研制了太阳帆结构，KROS和KEANOS太阳帆。具体而言，研究内容涉及薄膜结构动力学分析[31]、展开机构设计[32、膜面折展方法35、制造加工与边界处理36等过程法等。在研制太阳帆的过程中，薄膜的褶皱分析[3与折展的基本原理30;45也被进行了广泛的研究。

　　虽然太阳帆结构与薄膜天线在功能上有所区别，但是二者在薄膜张拉系统、收展方式的设计、分析与制造加工等方面的研究有共通之处。空间张拉薄膜关键技术本文调研的文献显示平面张拉薄膜天线的关键技术有：空间薄膜结构总体优化设计、褶皱分析与消皱方法、刚柔耦合动力学建模仿真、薄膜边界连接方法和连接机构、薄膜材料制造与加工方法、薄膜结构在轨可靠性与稳定性等。

　　空间薄膜结构总体优化设计空间薄膜结构的构型是根据实际需求功能和薄膜材料的特点进行优化设计得到的。不同的设计要求将导致不同的结构构型。根据不同的展开方式，空间薄膜结构的构型有周边桁架展开式[3]、充气柱展开式[5]、中心立柱展开式[7]、伸展臂展开式[22]、二维展开机构展开式[28]、自旋展开式[31]、一维伸展式[4、一维伸展及折叠展开式[4、弹性肋展开式[4;4等九种。

　　在工程设计中，总体设计常采用优化设计的思路，通过多次迭代设计，来达到指标要求。根据薄膜材料的特点，主要考虑的优化设计因素有：动力学特性参数(振动模态等)、张拉平面度、大面积薄膜拼接方式、可靠展开方式、薄膜边界连接方式、电性能要求、层间电路连接方式等内容[20]。薄膜天线成型易受薄膜天线振动与边界张拉系统影响5052]，针对张拉系统构型的研究是消除天线振动、保证天线型面的有效设计手段之一。为减小薄膜振动引起的型面误差，研究薄膜结构动力学特性(振动模态等)是必要的研究内容。

　　大型薄膜的生产受到加工设备的限制，大尺寸的薄膜结构难以一体化加工，所以大尺寸薄膜可以通过拼接的方式实现，薄膜结构的拼接方式影响着薄膜的平面度与展开方式设计30。褶皱分析与消皱方法载荷不均匀、装配不准确、装配运输过程等因素可能导致不同程度的薄膜褶皱出现。褶皱对薄膜天线的主要影响有：较小皱纹的存在导致漫反射和小幅度性能降低;较大褶皱形成的局部皱纹将导致热点的出现，可能超过最大失效温度，并导致材料失效[11]。

　　薄膜结构的褶皱分析研究经历了几十年的发展，已经发展出多种褶皱仿真分析的手段[35;41;64]。目前采用的分析方法有基于张力场理论[65-72]和分叉理论[73-76]等。在此基础上，为了分析薄膜结构的后屈曲等更为复杂的褶皱效应，诸多研究中引入了非线性因素等进行分析研究[77]。针对褶皱分析计算收敛性问题的研究也受到了广泛的关注[78;79]。由于薄膜结构产生褶皱的表现是平面应力不均匀，所以工程上常采用的消除褶皱思路是通过改变边界条件等设计方法[80-85]使薄膜结构应力均匀化。

　　薄膜材料的大柔性对薄膜结构的动力学特性有显著影响[8687。针对空间薄膜结构的动力学特性分析是分析展开过程与振动抑制的前提88。薄膜结构的展开过程中的刚柔耦合动力学特性对薄膜结构的稳定展开和展开平面度有显著的影响91。由于空间薄膜结构的大柔性，为保证仿真分析的精度，针对薄膜结构非线性建模的研究受到了关注9899。空间薄膜结构的振动抑制等研究也成为热点之一100103。目前的振动控制手段有：边界张拉索网控制方法104106]、膜面压电陶瓷主动控制方法等[110。

　　薄膜结构在轨展开需要保证一定的平面度来实现功能，所以薄膜结构在轨展开后的可靠性和稳定性是工程设计中需要着重考虑的因素之一。这样的褶皱影响着薄膜结构的在轨性能。影响薄膜结构在轨工作可靠性与稳定性的部分因素有：薄膜表面褶皱对相控阵天线电磁性能、结构性能的影响[84;12;薄膜结构尺寸和不同张拉系统在受在轨载荷扰动情况下对薄膜平面度误差的影响[1228;展开机构、薄膜装配和机构重复展开对型面误差的影响[59;29;材料的蠕变和松弛效应等。

　　发展趋势设想新一代薄膜相控阵天线是实现平面相控阵轻量化和高收纳比的新途径，将柔性电子、柔性薄膜材料、柔性结构、柔性展开等技术进行融合创新，构建基于柔性电子的实时、连续感知目标的应用系统。总体上来看，柔性张拉薄膜天线的后续发展主要有柔性薄膜天线机电热一体化设计技术、超大高收纳比柔性结构优化和动力学仿真分析技术、柔性薄膜器件电路及集成技术、柔性薄膜天线集成测试与验证技术等四部分研究内容。

　　1)柔性薄膜天线机电热一体化设计技术大型柔性天线总体设计技术：大型柔性天线结构与卫星平台耦合严重，需发展新型天线卫星系统一体化设计方法;薄膜的平面度保持和控制技术是保证相控阵辐射性能的关键。薄膜天线柔性波束设计技术：为发挥薄膜相控阵天线的波束灵活优势，需要进行大规模阵列天线电气总体方案技术研究;子阵化、模块化、柔性化和可扩展的大型可展开天线架构技术研究;超大规模阵列天线的数字化建模技术研究;测算融合的高精度波束优化设计技术研究等。柔性天线热设计技术：解决大数量的TR组件大热量的传输和排散是需要解决的关键技术之一。

　　2)超大高收纳比柔性结构优化和动力学仿真分析技术大型柔性天线结构优化：大型柔性天线结构具有低频率、低刚度、高非线性和变拓扑结构的特点，需要对大型柔性结构、多目标多参数构态、卫星与天线耦合等问题进行不断优化，建立大型柔性结构优化模型，综合考虑天线在发射、在轨展开过程、空间环境下的结构优化问题。优化设计的结果将决定大型天线结构的性能(如质量、收纳率、重复展开精度等)。

　　大型柔性薄膜天线动力学行为与机制：天线展开过程中的刚柔耦合展开动力学问题涉及到柔性薄膜结构的收纳与展开问题、支撑桁架与薄膜结构耦合驱动展开动力学问题等研究。天线展开到位后，由高柔性、低阻尼引起的结构动力学问题涉及到天线的展开刚度、在扰动下的结构动力学响应(结构应力、薄膜型面变形)等研究内容。

　　3).柔性薄膜器件电路及集成技术柔性薄膜器件电路及集成、大规模制备技术与工艺集成技术：研究在薄膜上印刷和制备器件电路的技术及工艺，研究柔性薄膜器件及柔性电路的集成技术及大规模制造技术是保证薄膜天线发挥薄膜结构特性的重要研究内容。传统电子模块是将传统小型化电子元器件直接连接于电路板，其特点是体积较大。在此基础上发展出了集成电路模块，其是基电子芯片通过覆铜电路和保护壳集成于电路板，特点是体积小，但不具有柔性。柔性电子模块在此基础上进一步将电子芯片通过覆铜电路和保护壳集成于柔性载体，其特点是厚度更薄，模块具有柔性。基于薄膜的柔性T/R组件设计技术：T/R组件高度集成小型化，依托于多通道高密度集成芯片技术;可采用新型材料和新型封装技术的T/R组件，能够承受更大的形变量，来适应柔性天线特性;可形变的三维垂直互联技术也是/R组件柔性化的实现方式之一。

　　4).柔性薄膜天线集成测试与验证技术展开收拢验证：新型空间薄膜天线机构存在折叠、展开过程、展开锁定等多个构态，其展开过程经历了结构机构结构的构态变化，各构态对应不同的特性参数。为保证柔性薄膜天线的各个构态达到稳定工作状态，可开展基于缩比、相似理论研制等价缩比原理样机，展开与锁定功能、重复展开精度、展开态与收拢态振动模态、展开到位冲击响应等试验验证等方面的研究。电气性能测试：可开展柔性雷达系统性能测试，通过测试暗室或是校飞等形式进行电气性能测试。

　　机械电子论文：基于微带馈电的介质杆天线设计

　　http://www.qikanzj.com/lwfw/kjlw/29316.html

　　结论

　　柔性张拉薄膜天线是轻质量、高收展比空间可展开天线的发展方向之一。本文针对柔性张拉薄膜天线的研究现状进行了综述，重点对空间薄膜结构的关键技术研究现状进行了分析，并从四个方面对空间张拉薄膜结构的发展趋势进行了展望。得出结论如下：

　　(1)目前，空间柔性张拉薄膜天线有直射式和反射式两种。其中，直射式具有结构形式相对更加简洁、波束更加灵活等特点，因而成为研究热点。但直射式空间柔性张拉薄膜天线对柔性复合材料结构与柔性电子电路技术等研究内容提出了挑战，可靠的集成柔性电子电路的空间张拉薄膜结构的设计、分析与制造是实现轻质量、高收纳比和灵活波束的核心。

　　(2)研制柔性张拉薄膜天线的关键技术研究集中在空间薄膜结构总体优化设计、褶皱分析与消皱方法、动力学建模分析、薄膜边界连接设计、薄膜材料制造与加工方法、薄膜结构在轨可靠性与稳定性等六个方面。由于复合材料结构与柔性电子电路技术的应用，设计与分析的耦合性加强。所以，在空间柔性张拉薄膜天线的总体优化设计和边界张拉结构设计过程中，需要着重考虑不同设计形式对天线平面度和天线整体动力学特性的影响。同时，建立完整的工艺流程和评估体系对于产品的成熟应用有重要意义。

　　(3)结合相关研究发展现状，本文提出了空间张拉薄膜天线的四个后续发展设想方向。由于柔性薄膜结构与柔性电子电路技术的发展将对设计、分析与制造等研究带来的挑战，所以发展相关技术是助力新一代柔性张拉薄膜天线的研制与应用的关键。

　　参考文献(References)

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　　作者：周晓涛，马小飞，李欢笑