作者简介
王建晓,尚 社,宋大伟,罗 熹,李 栋,李小军
（中国空间技术研究院西安分院
空间微波技术重点实验室，西安 710000） 空间电子技术
随着MarCO与RainCube的成功在轨验证，立方体卫星已经在深空探测与遥感领域展现出独特的优势。立方体卫星搭载的天线不仅需要提供良好的辐射特性，还必须满足立方体卫星苛刻的体积和重量限制，这种限制条件在设计大口径高增益天线时尤为重要。首先简要介绍了立方体卫星的起源、发展及其应用前景，其次重点介绍了立方体卫星高增益天线的技术特点、研究现状及其在轨验证情况，最后归纳总结了立方体卫星高增益天线技术的未来发展趋势，为我国后续开展立方体卫星研究与应用提供参考。
引言
1999年，美国加州理工学院Puig Suari教授和斯坦福大学Twiggs教授首先提出了立方体卫星（CubeSat）标准，并制定了立方体卫星的相关标准，旨在利用较低成本帮助宇航专业的学生获得系统工程经验并熟悉卫星研制的全过程[1]。立方体卫星就是具有立方体形状的卫星。在实际中，立方体卫星可以由多个基本单元组成，一个基本单元（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个维度尺寸的增加拓展到3个维度尺寸的增加，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首次发射成功[2]。受益于微电子、太阳能电池、MEMS、FPGA、高效电机、先进材料、微型敏感器等领域的快速进步，立方体卫星技术应用也得到了跨越式发展[3]。公开数据显示，近十年立方体卫星发射量呈现爆发式增长，如图1所示。由于立方体卫星优先选用商用元器件和芯片，这样不仅支持标准化设计和批量化生产，还可以大幅度缩短卫星研制时间、降低生产成本。随着电子信息技术、微电子技术的不断进步，立方体卫星很快就突破了教学范畴，并且逐渐在遥感、通信、深空探测等主流应用领域占有一席之地[4]。
图1纳卫星与立方体卫星发射趋势图
立方体卫星天线概述
随着立方体卫星技术成熟度的不断提高及其应用领域的变化，立方体卫星天线的形式也呈现出多样化的发展趋势。根据天线增益的不同，立方体卫星天线大致可以分为：低增益天线（Gain≤8dBi）、中增益天线（8dBi＜Gain≤25dBi）、高增益天线（Gain＞25dBi）。最初立方体卫星主要用于教学与科学实验目的，利用低增益天线就可以实现低速率的对地通信任务。由于立方体卫星各个子系统在尺寸、功率等方面限制以及缺乏足够大的天线口径，立方体卫星的应用也都局限在近地轨道，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)所示的各种形式的微带贴片天线[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。随着立方体卫星技术优势的逐渐凸显，研究人员尝试将立方体卫星用于深空通信和微波遥感领域，此时就需要搭载高/中增益天线来满足通信速率和作用距离的要求。例如，对于深空通信而言，在射频输出功率受限的情况下（典型值为5W），立方体卫星必须使用高增益天线才能满足200万公里的对地通信需求[10]。如果载体能够提供足够大的安装面积，中增益天线的最佳形式为微带贴片阵列，如，NeaScout、Biosentinel、CuSP等立方体卫星都使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，高增益天线的常见形式为折叠型平面反射阵、可展开反射面，后文将会详细介绍这两种高增益天线。
图2立方体卫星低增益天线
作为卫星系统的“眼睛”和“耳朵”，星载高增益天线对卫星的整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领域，携带高增益天线的立方体卫星逐渐在深空通信、微波遥感等领域崭露头角[11]。本文将重点阐述用于立方体卫星的高增益天线研究现状及其发展趋势，为立方体卫星的应用提供有益参考。
立方体卫星高增益天线
高增益天线通常需要较大的物理口径，因此立方体卫星高增益天线设计面临巨大挑战，即如何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形式的选取需要考虑以下因素：收拢体积、展开机构复杂度、工作频段、电性能。结合已经在轨验证的立方体卫星高增益天线，下面将详细介绍用于立方体卫星的折叠型平面反射阵天线与可展开网状反射面天线的关键技术。
2.1折叠平面反射阵天线
反射阵天线由周期结构排列的反射阵列和用于空间馈电的馈源组成。反射阵天线兼具反射面天线和相控阵天线的优点，还具有极大的设计自由度，目前已经成为最具潜力的高性能星载天线形式之一[13]。1996年，Huang[14]首次提出了星载折叠平面反射阵（folded plane reflectarray, FPR）天线的设想，使用弹簧负载铰链来折叠/展开平板反射阵天线。由于反射阵天线从未经过在轨验证，将折叠平面反射阵天线用作星载天线也存在较大技术难度，因此NASA选择成本较低的立方星来实施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，并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立方体卫星发射成功，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)，这是首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的阵面组成，并与太阳能帆板一体化设计（太阳能帆板位于反射阵的背面）；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。由于馈源效率较低、阵面拼接间隙较大等因素，ISARA的口径效率仅为26%。ISARA不仅是首次实现反射阵天线与太阳能帆板一体化设计的卫星，还首次在轨验证了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解决思路。受到ISARA的鼓舞，NASA开始尝试利用反射阵天线来完成通信中继任务。
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日发射成功，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的子阵组成，增益为29.2dBi，口径效率为42%。如图4所示，在“洞察号”进入、下降、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频段环形天线接收来自“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深空通信天线。经过ISARA、MarCO的在轨演示验证，FPR的技术成熟度得到了充分的验证。目前，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的配置类似于卡塞格伦天线，工作频率为35.75GHz，增益达到47.4dBi，15块通过铰链连接的矩形平板组成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术特点将为星载反射阵天线提供借鉴价值和指导意义，下面将详细介绍MarCO折叠平面反射阵的具体技术细节。如图5所示， MarCO继续沿用ISARA的微带贴片阵馈源方案，馈源的具体形式为 2×4单元的圆极化切角微带贴片阵列。采用带状线馈电网络通过探针对微带贴片馈电，在馈电带状线周围设置金属化导通孔以消除馈电网络的寄生影响。此外，为了抑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进行控制。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连接。
图4MarCO通信中继示意图
图5MarCO折叠平面反射阵馈源
由于反射阵的表面平整度直接影响到天线的辐射性能，因此如何保证反射阵的平整度就显得至关重要。MarCO反射阵必须承受发射与飞行过程中的振动环境与高低温度环境。与ISARA类似，MarCO反射阵的介质基板也采用三明治结构，即，“Rogers RO4003+XN8060S碳纤维+ Rogers RO4003”，如图6所示。Rogers RO4003电路板可以提供稳定的射频性能与良好的表面平整性。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Rogers RO4003基板上都刻蚀上反射阵单元，完全对称的三明治结构的对称性能够有效地抑制热效应引起基板的弯曲程度。
图6MarCO FPR基板细节参数
反射阵面的展开机构为根部铰链、翼铰链、释放装置。MarCO FPR的铰链与释放装置如图7所示。根部铰链连接反射阵面与卫星本体，翼铰链连接3块子阵，释放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，因此根部铰链的展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7MarCO FPR的铰链与释放装置
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；当天线展开时，3个折叠子阵整体沿根部铰链展开，馈源弹出，3个子阵沿着翼铰链展开为完整的反射阵面。带状线馈电网络的输出端为带状线CPW过渡变换器，连接到CPW线的GPO连接器被直接用作射频旋转关节。馈源装置成功通过展开测试、热循环、振动试验等。展开结构可以准确实现所需要的展开角度（22.76°），重复误差小于008°。MarCO 折叠平面反射阵的总重量为998g（指标要求小于1kg），其中，反射阵面的重量为931g，馈源的重量为57g，释放装置的重量为10g。平面装置使用摄影测量法来评估平面的平整度、展开角度以及可重复性。平面平整度的均方根大约为0.95mm。在五次展开试验中，翼铰链最大展开角度误差分别为0.27°（+X子阵）和0.08°（-X子阵），根部铰链的最大展开角度误差约为0.02°。MarCO反射阵的展开机构具有良好的重复性，展开误差均在可接受范围之内。
图8MarCO折叠平面反射阵收拢与展开示意图
FPR具有极小的收拢体积、极低的制造成本、极轻的重量等优势，这些优点与立方体卫星高增益天线的设计目标完美匹配。3~6U立方体卫星往往更加难以提供很大的安装空间与安装表面，因此FPR对这类尺寸的立方体卫星更具实际价值。
2.2可展开网状反射面天线
目前，反射面天线仍然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，反射面天线的最大优势在于频率不敏感。因此，在宽频带或多频带高增益应用场景中，天线设计师通常更加青睐反射面天线[21]。反射面天线大致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制，刚性反射面天线无法满足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展开天线，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，旨在利用低成本的6U立方体卫星平台验证Ka频段降水量雷达技术[22]。RainCube主要验证了两项关键技术：新型小型化Ka频段雷达架构，0.5m口径Ka频段可展开网状反射面天线。RainCube是首颗集成了有源雷达的立方体卫星，该雷达可以收集有价值的大气科学数据。RainCube配备的雷达能够观测降雨量并改进天气预报模型，NASA的研究人员计划发射这种立方体卫星组成的星座来获得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，其中，电源系统、计算机、控制系统等设备共占据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接收回波信号。RainCube的雷达将距离地面450~500km处观测云层，它需要一副0.5m口径的天线以获得10km的足印。
如图9所示，Ka频段可展开网状反射面天线的主要组成部件：1）馈源喇叭；2）馈源支撑杆；3）副反射面；4）可展开网状反射面；5）伸缩波导。多模喇叭天线可以实现良好的波束等化特性、稳定的馈源锥削、低交叉极化等特点。为了降低锥削损失与漏射损失，喇叭天线的-10dB波束宽度设计为31°。矩形-圆形波导转换器与伸缩波导连接，对辐射喇叭进行线极化馈电。如图10所示，在反射面天线展开前，伸缩波导收拢在辐射喇叭中，反射面天线的整体收拢体积不大于10cm×10cm×15cm。当反射面天线展开时，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]
在设计网状可展开反射面天线时，需要重点考虑以下因素：漏射效率与锥削效率，副反射面及其支撑结构的遮挡，有限数量的肋造成的表面误差。如何将0.5m口径的天线收拢在1.5U的空间本身就极具挑战性，需要在射频设计与机械设计之间折中，主要矛盾集中在焦距与肋数量的选取。副反射面的高度受限于整体收拢体积的最大高度以及副反射面的展开复杂度。如果副反射面到抛物面顶点的距离小于11cm，那么副反射面就不需要使用展开机构；如果该距离小于22cm，那么副反射面只需要一次展开即可；如果该距离小于33cm，那么副反射面就需要两次展开。为了降低天线展开机构的复杂度，设计人员希望副反射面最多使用一次展开，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，可展开网状反射面的精度与肋的数量成正相关，而展开机构的复杂度也与肋的数量成正相关，因此需要兼顾反射面的精度与展开结构的复杂度的前提下选择合适数量的肋。当采用30根肋时，反射面的均方根可以达到0.2mm，增益损失不大于0.39dB。因此，30根肋不仅可以保证天线的RF性能，还可以确保肋之间具有足够的空间以防展开时发生碰撞。对于这类天线而言，常用的方法是使用压缩弹簧的应变能来展开反射面天线的肋和网面。但是RainCube网状反射面天线采用一种基于气体上升装置的新型展开机构，这是该天线的关键创新点。如图11所示，RainCube网状反射面天线的展开过程从释放发射锁开始，即，利用热刀切断聚合物捆绳。当气体进入天线收纳罐时，天线基座将会缓慢地抬升，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压力就可以完全展开反射面天线的肋，并拉紧天线的网面。随着天线基座逐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、展开。随着根肋向上移动，等拉力弹簧将顶肋完全展开。一旦根肋与顶肋都完全展开，位于喇叭天线外围的压缩弹簧就会释放并将副反射面推送到指定位置。通过合理地设定机械公差，副反射面的展开位置与理想位置的偏差为：沿着z轴偏差小于0.2mm，沿着x轴与y轴偏差小于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展开精度取决于机械公差。当Hub上升到其完全展开位置时，弹簧锁就会将Hub锁死以保证天线始终保持展开状态，即使收纳罐减压。RainCube可展开反射面天线的工作频率为35.75GHz，增益为42.6dBi，口径效率为52%；雷达的水平分辨率优于10km，垂直分辨率优于250m。
图11RainCube网状反射面展开过程[22]
基于RainCube的设计参数以及展开机构，NASA的研究人员设计了双极化馈源，研制了用于通信的0.5m口径可展开网状反射面天线[23]，能够兼容NASA的Ka频段深空通信网。如图12所示，针对12U立方体卫星平台，NASA的研究人员首先研制用于雷达的Ka频段1m口径可展开网状反射面天线[24]；其次，通过引入组合馈源，研制了用于通信的1m口径可展开网状反射面天线[25]，能够兼容X/Ka频段深空通信网。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，效率分别为72%、62%；对于Ka频段而言，该天线的下行频段增益为48.4、48.7dBi，效率分别为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，其展开过程如图13所示。
图12 1米可展开网状反射面天线[24]
图13 1米口径网状反射面展开过程[25]
立方体卫星高增益天线发展趋势
结合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展开网状反射面天线的应用现状及其关键技术。展望未来，星载天线的技术发展趋势为“smaller, smarter, cheaper, and faster”[26]，即，如何快速获得小巧、智能、低成本天线。对于体积、功耗、重量指标都非常受限的立方体卫星而言，上述诉求尤为迫切。下面将介绍立方体卫星高增益天线的几个重要发展方向，如，大口径可展开反射阵天线、充气式可展开天线、透镜天线等。
3.1充气可展开天线
早在1997年，JPL的Huang等[27]就提出了充气天线的概念，具体包括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材料制成，充气可展开天线发射前的收纳体积很小，发射后充气展开为需要的形状。充气可展开天线具有显著的优势，如重量轻、收纳比高、成本低、可靠性高[28]。Huang等[29]先后研制了1m口径X频段充气式可展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，浙江大学的关富玲教授团队[31]研制出一款折叠卷收式反射阵天线，将充气可展开铝箔圆管用作2m口径反射阵天线的支撑框架；2014年，关富玲教授团队[32]研制出一款充气球天线，该天线利用反射面上、下球体气压差形成需要的抛物面形状，如图15所示。
图14JPL研制的充气可展开反射阵天线[29-30]
图15充气球天线[32]
在设计充气式可展开天线时，需要解决的关键问题：1）薄膜平面划分问题；2）展开控制机构设计；3）高效率收拢与展开方案；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需要额外的充气设备，目前充气式可展开天线局限于较低频段的地面应用，距离空间应用仍有较大差距。但是，充气式可展开天线仍然为立方体卫星实现大口径天线方案开辟了新的解决途径。
3.2新型展开机构天线
常见的花瓣绽放过程与昆虫羽化过程都属于生物学上的展开结构[33]。历经长期演化，自然界的生物体在材料、形状、结构、功能等方面达到最优性能。仿生学将机构创新与生命科学紧密联系起来[34]，如何利用仿生学指导设计空间可展开薄膜结构已经成为研究热点。JPL设计了一款展开口径达到1.5m×1.5m的大口径可展开反射阵天线（large-area deployable reflectarray，LADeR），收拢后可以放置在直径20cm、高度9cm的圆柱内，LADeR测试现场及其展开过程如图16所示。虽然LADeR的口径尺寸突破了前文的OMERA与Ka频段网状反射面天线，但是其设计频率降至8.4GHz，测试增益为39.6dBi[35]。
图16大口径可展开反射阵及其展开过程[35]
折纸艺术具有丰富的几何形状，不同的折痕和折叠图案所折叠出的三维结构具有不同的几何形状、力学性能和功能。目前，学者已经开始将折纸艺术用于可展开天线的设计[36]，探索轻质、低成本的可展开折纸天线[37]。文献[38]详细介绍了折纸天线设计的关键技术，开发了用于折纸天线设计与优化的开发软件。文献[39]提出了一种六边形折叠反射阵天线，该天线的展开过程如图17所示。该天线的工作频率为16GHz，增益达到26.4dB，口径效率优于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，通过机械控制反射阵的折叠状态来获得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展开过程[39]
图18折叠可重构反射阵的不同状态[40]
3.3 3D打印天线
随着现代卫星系统的不断发展，星载天线的工作频率在不断升高，传统的微波波段加工方法（数控机床、印刷电路板等技术）已经难以满足高频段天线的加工精度要求[41]。近几年，3D打印技术取得了突破性进展，其采用层叠原材料的方法可以快速制造出结构复杂、质量轻便的高强度器件。在天线设计领域，3D打印技术可以满足天线低成本、短时间制造和高精度的要求。金属3D打印技术已经被用来制造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打印技术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打印全金属阶梯反射面天线
此外，基于介质材料的3D打印技术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打印技术来实现梯度渐变结构，波束扫描角达到±58°，方向性系数达到28.2，口径效率为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，增益达到30.8dBi，口径效率为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，口径效率为50%。
图20 文献[44]~[46]中3D打印透镜天线
结论
文章简要介绍了立方体卫星及其天线的技术特点，结合立方体卫星的应用实例重点阐述了立方体卫星高增益天线的技术现状，归纳总结了立方体卫星高增益天线的未来发展趋势，以期对我国立方体卫星的研究与应用提供参考。目前，装备高增益天线的立方体卫星已经成为卫星家族不可小觑的重要成员。随着立方体卫星在空间通信、太空观测、电子侦察、资源勘探等领域的深入应用，用于立方体卫星的高增益天线将会成为立方体卫星设计的关键技术。此外，为了充分利用立方体卫星有限的空间资源、载重能力、功耗以及成本，未来的立方体卫星天线工程师不仅需要具备相应的微波天线设计经验，还需要充分了解整个立方体卫星系统的组成及其功能。
本文刊登于《空间电子技术》2022年第19卷第5期，点击文末阅读原文即可免费下载文章PDF文件，浏览更多内容请登录 kjdzjs.ijournals.cn