卫星用的集成太阳能电源天线_SOLANT

收稿日期 : 2005 - 07 - 04; 　　收修改稿日期 : 2005 - 07 - 28 卫星用的集成太阳能电源 /天线 - SOLANT 寇艳玲 (西北电子设备研究所 ,西安 710065) 　　摘 　要 　作为有效实现空间结构轻量化的一种新途径 , 美国航空航天局和欧洲空间局 都在支持研究和开发将天线和太阳能电池集成在一起的太阳能电源 /天线。文章介绍了两 种不同类型的集成太阳能电源 /天线的结构、性能和一些研究结果。 主题词 　集成电源 /天线 　卫星天线 　太阳能电源 1　引　言 　　多数卫星通常采用独立分开的太阳能电池和天线 ,两种器件互相争夺着卫星上十分有限的可利用 图 1　JPL开发的集成太阳阵 /反射阵 面。如果将太阳能电池和星载天线兼容在一起 ,那么就可 节省或者高效率地利用卫星上这种宝贵的“不动产”表面。实 现方法就是将两种器件集成在一起 ,组成集成电源天线。作 为有效实现空间结构轻量化的一种新途径 ,美国航空航天局 和欧洲空间局等已开展了这方面的研究和实验。由美国航空 航天局支持 ,喷气推进实验室 (JPL)研究了航天器用的一种集 成太阳能阵列的反射阵天线 [ 1 ] ,为 21世纪在深空探测器上使 用集成太阳能天线奠定了技术基础。由欧洲空间局支持的一 项研究开发了将裂缝阵列和太阳能电池薄膜集成在一起的电 源 /天线 [ 2 ]。文章概括地介绍了这两种集成电源 /天线的结 构、性能和一些研究结果。 2　与太阳能阵列集成的反射阵天线 　　JPL研究和开发了航天器用的一种高增益集成化太阳 阵 /天线。射频天线选用印刷型微带反射阵 ,以大量很细的 十字型偶极子作为辐射单元。选择反射阵的好处是 :反射阵 和太阳阵都是平面型的 ;反射阵可以置于太阳阵的上面 ;用一个喇叭照射反射阵 ,不需要功率分配网 络 ;反射阵和太阳阵的支撑结构可组合在一起 ,大大减小了收藏体积。最终研制出一种 X波段集成 太阳阵 /天线 ,如图 1所示。集成结构中天线与太阳阵的组成如下 : 天线 : ·　X波段 ,圆极化 ,口径为 0. 5m; ·　天线由 4部分组成 :机械支撑结构 ; X波段馈电喇叭 ;含 198块硅太阳能电池的太阳阵 ;含置 92006年第 4期 　　　　　　　 空间电子技术 S PAC E ELEC TRON IC TECHNOLO GY 于太阳能电池上的 408个十字型铜偶极子的聚酰亚胺薄膜 ( Kap ton) ; ·　选择的单元间距适合于太阳能电池尺寸 ; ·　用一个口径为 0. 5m、厚度为 6. 5mm的铝板 (经过阳极氧化处理 )支撑 ; ·　馈电喇叭的 HPBW为 39°,边缘锥削为 - 9dB; ·　天线的焦径比 F /D = 0. 75。 太阳能阵列 (图 2) : 图 2　太阳能电池的截面与顶视图 　　·　用硅基粘合剂把太阳电池直接固定在经过阳极氧化后的铝板上 ; ·　在每块电池上粘接了 1. 52mm厚的白玻璃 ,其作用一方面用于在空间环境条件下保护太阳 能电池 ,另一方面充作反射阵单元的衬底 ,在太阳能电池和偶极子之间提供必要的纵向间隔 ;而天线 用的铜偶极子被蚀刻在 0. 05mm厚的 Kap ton薄膜上 ,并用硅基粘合剂固定在白玻璃上 ; ·　橙色 Kap ton薄膜显著减少了入射到太阳能电池上的光强度 ,在市场上可以批量买到 ,将来 新式集成阵列需采用透光率更高的聚酰亚胺材料。 分析和实验结果表明 ,在太阳能电池阵上取得了良好的效果。与仅使用防护玻璃时相比 ,独立用 Kap ton薄膜使电池的电源输出减少约 40% ,薄膜上加上偶极子后电源输出进一步减少约 10%。当然 由偶极子阵列造成的能量损失可通过将太阳能电池阵的面积扩大 10% ,或者将天线直径增加 5%来 补偿。在天线方面的结果不容乐观 ,虽然反射阵确实实现了远场相干波束 ,但测量的天线效率仅为 10% ,远远低于预期的 40% ,增益仅为 23dB。对此 , JPL研究组分析认为 :若采用光学透明薄膜将大 大提高电源输出功率 ,但是造成低的天线效率的可能原因 ,一方面因为太阳能电池上的不均匀银珊难 以表征 ,所以未对反射器基板的电气特性尤其是接地板作周详 ;另一个原因在于反射阵单元本 身 ,需要进一步寻找理想的单元取代十字型偶极子单元。 3　欧洲空间局支持研制的 SOLANT 3. 1　SOLANT概述 欧洲空间局的研究组把集成太阳能电池阵 /天线简称为 SOLANT (即 Solar Antenna的缩写 )。最 初 , Tanaka1M等人提出了一种用于微型卫星的组合器件 ,将微带贴片天线组合成高增益阵列 ,把太阳 能电池置于贴片的上面或周围 [ 3 ]。为了使天线和太阳能电池之间的相互影响最小 ,电池尺寸不能大 于贴片尺寸 ,也不能太靠近贴片 ,仅仅是将商用太阳能电池邻接在贴片天线上 ,太阳能电池未能够充 01 空间电子技术 　　　　　　　　　　　　　　　　2006年第 4期 分配置在可利用的表面上 ,最多只能称为太阳能电池和天线的组合器件。Vaccaro1S等人提出了一种 较为先进的设计方法 [ 4 ] ,在电磁设计中采用创新型的薄膜太阳能电池来实现紧凑优化的结构 ,实现 了一种较高级的半集成 SOLANT。但这种结构中的贴片天线边缘仍然存在不允许配置太阳能电池的 “热 ”区域 ,且整个 SOLANT器件必须至少有 4个独立金属层 :天线用的贴片和接地基板 ,太阳能电池 用的前后连接板。后来经过更进一步的研究 ,又提出了集成度更高的全集成 SOLANT[ 5 ] ,太阳能电池 和天线至少共用一个金属层 ,这两种功能器件被紧密地结合在一起。在此之后又取得技术上的重要 突破 [ 2 ] :用裂缝天线代替贴片天线 ,其接地板可用作太阳能电池“负 ”集光器阴极 ;采用先进的可形成 任意形状的太阳能电池 ,把太阳能电池直接沉积在天线的接地板上。全集成 SOLANT实现了天线与 太阳能电池更高水平的集成。下面介绍全集成 SOLANT的结构和特点。 3. 2　非晶硅 ( a - S i∶H)薄膜太阳能电池技术 研究组在验证全集成 SOLANT的原理时 , 选用了瑞士 IMT/Neuchatel大学开发的非晶硅 ( a - Si∶H)太阳能电池。这些电池是薄、轻且具有柔性的薄膜 ,可被裁剪成任意形状的贴片或阵列 , 甚至可以共形贴到曲面上。其另一大特点是不包含刚性半导体晶片。它们可以生成在塑料或者玻璃 以及不锈钢或铝等金属上。图 3左图示出在塑料薄膜 (聚酰亚胺 )上的非晶硅太阳能电池侧视图。 图 3　非晶硅太阳能电池截面图和地面用柔性太阳能电池模件 3. 3　线极化全集成 SOLANT[ 5] 图 4　线极化缝隙 SOLANT( a)及天线分解图 ( b) 　　如前所述 ,用裂缝天线代替贴片天线来实现全集成 SOLANT是一大进步。裂缝天线可提供更大 的金属表面 (接地板 )来覆盖或直接生成太阳能电池 ,形成一种大面积覆盖着太阳能电池的简单的层 状结构。图 4所示的线极化全集成 SOLANT单元的 DC和 RF功能被紧密结合在一起 ,共享同一金属 层 ,没有这一共用层 ,天线和电池都不能工作。 天线接地板是一块金属板 ,上面有用激光切割成的裂缝 ,采用特殊的“ I”形裂缝以实现更好的匹 112006年第 4期 　　　　　　　　　寇艳玲 :卫星用的集成太阳能电源 /天线 - SOLANT 配 ( S11 )。太阳能电池直接沉积在接地板上 ,然后接地板粘接在介电常数为 4. 4的 0. 8mm厚的环氧 树脂基板上 ,接地板同时用作太阳能电池直流电的集光器。图 4 ( a)是这种线极化全集成 SOLANT基 本方块图 ,图 4 ( b)是天线分解图。 图 5　圆极化裂缝 SOLANT 为了简化电池的化学沉积 ,采用了不锈钢接地 板。由于铜原子会扩散到硅层中 ,对硅层的涂覆有 负面影响 ,所以不能用作太阳能电池的基板 ,采用不 锈钢就不会出现这样的问题。另外 ,合理加工的不 锈钢接地板具有非常光滑的表面 ,对太阳能电池的 沉积很重要。从天线角度看 ,不锈钢的传导率比铜 的要低。实验测量表明选择不锈钢接地板较铜接地 板 ,天线的增益约降低 0. 65～0. 85dB。 3. 4　圆极化裂缝 SOLANT 采用更复杂的裂缝来实现圆极化 ,把太阳能电 池制造成中间带有十字交叉裂缝的形状 ,见图 5和 图 6 ( a)。用相对于十字裂缝 45°的传输线激励来获 得圆极化。调节十字裂缝中每个分支的长度可产生 两个频率靠近的固有谐振模。在一些中间频率上 , 激励的模具有等幅度和 90°的相移。图 5所示的这 种圆极化单元带宽窄 ,但只需非常简单的馈电电路。馈线上的开口短线用于调节圆极化单元频率以达 图 6　带十字裂缝的太阳能电池模件 ( a)和圆极化 SOLANT的裂缝和馈线尺寸 ( b) 图 7　欧洲空间局支持研制的 SOLANT2IV, 采用 4 ×2 SSF IP平面天线阵 到最佳匹配。图 6 ( b)给出了十字裂缝和馈 线的精确尺寸。天线被制作在一块 U ltralam 2000基板 (介电常数为 2. 485,厚度为 0. 76mm)上 ,距馈线 10mm处同时配置了一个 后反射器。通过对比实验表明 ,圆极化裂缝 SOLANT的 S11模和轴比性能及天线增益与没 有太阳能电池的同种圆极化裂缝天线相比 , 几乎没有多大差异。 3. 5　SOLANT单元的应用 [ 6] 　　采用上述 SOLANT单元开发了图 7和 21 空间电子技术 　　　　　　　　　　　　　　　　2006年第 4期 图 8所示的 SOLANT实物模型。 图 7中 SOLANT2Ⅳ中的天线采用 4 ×2 SSF IP (带状裂缝泡膜反向贴片 )平面天线。由太阳能电 池组件向一个集成放大器供电。9组太阳能电池串联在一起 ,提供 0. 1W的 5V工作电压。 图 8中的 SOLANT2Ⅵ应用上述圆极化 SOLANT单元制成 6 ×1天线阵 ,总尺寸为 42cm ×95cm × 1. 2cm ,相控阵具有 15°的波束倾斜 ,采用了集成 MM IC放大器 , 6 组太阳能电池输出为 821mW (122mA, 7V )。表 1比较了 6 ×1裂缝阵在不同频率上带和不带太阳能电池时的增益值 ,加上太阳电 池后的天线增益变化低于 1dB。 　　　　　　　　　　　图 8　欧洲空间局支持研制的 SOLANAT2V I,采用 6 ×1天线阵 表 1　6 ×1裂缝阵天线带和不带太阳能电池的增益值比较 频率 /GHz 3. 8 3. 89 3. 91 带太阳能电池时的增益 / dB 11. 6 9. 7 10. 6 不带太阳能电池时的增益 / dB 11. 0 9. 8 9. 3 4　结束语 　　目前 ,国外机构正在对集成太阳能电源 /天线作进一步的研究和实验。创新型太阳能电池的出现 和微波器件集成度的提高为两种功能器件的完全集成提供了可能。已获得的研究与实验结果了 将太阳能电池和天线集成在一起的可行性。由于可以有效减小航天器的尺寸 ,减小其质量和降低造 价 ,无论在大型航天器还是众多的小卫星群中 , SOLANT都具有诱人的应用前景。例如 ,可将集成 SO2 LANT包覆在自旋卫星表面的大型圆柱体上 ,每块集成器半工半休地对着太阳或者地球 ,天线的副阵 列不在同一时间内馈电 ,但电气馈电网络允许相对于卫星自旋进行连续的波束旋转。 另外 ,还可将 SOLANT推广用于地面通信系统中。例如 ,作为屋顶瓦片同时用作电源和卫星电视 接收 ,用于独立的移动电话基站、报警系统、海面浮标、集装箱跟踪等。 高建军高级工程师在百忙中审阅了全文 ,并给予许多重要修改和有益的指导 ,在此表示衷心的感 谢 ! 参考文献 1　ZawadzkiM , Huang J. An RF antenna integrated with a solar array for spacecraft app lication. IEEE International Confer2 ence on Phased A rray System s and Technology ,May 2000 (下转第 61页 ) 312006年第 4期 　　　　　　　　　寇艳玲 :卫星用的集成太阳能电源 /天线 - SOLANT 后要求解各阵列单元的未知电流分布。本文采用了矩量法来进行数值计算 ,得到电流分布后 ,散射场 就容易确定了。建立起数学模型后 ,通过设计不同的介质参数进行程序仿真 ,得到了介质参数对双层 FSS频率特性影响的规律。本文的仿真结果与实测结果基本吻合 ,所采用方法对今后三层或多层 FSS频率特性的研究也应有帮助。 参考文献 1　Munk B A. Frequency selective surfaces theory and design. John W iley&Sons, Inc, 2000 2　Ruebbers R J. Analysis of various periodic slot array geometries using modal matching. AD /A2023257. The Ohio State Univ. , Feb. 1976 3　Harrington R F. Field computation by moment methods. The Macm illan Company. 1968 　　作者简介 陈 　磊 　1975年生 ,本科毕业于华东理工大学自动化仪表专业 ,现北京航空航天大学电路与系 统专业在读研究生。研究方向为 :雷达散射截面积 (RCS)、频率选择表面 ( FSS)电磁特性等领域。 董金明 　1941年生 ,北京航空航天大学电子信息工程学院教授 ,长期从事微波 CAD、雷达天线罩 设计等领域的教学和研究工作。 Design and Analysis of Low RCS Radar Antenna Shade of Double Layers Slot A rrays FSS Chen Lei　Dong J inm ing ( School of Electronic and Information Engineering, Beijing University of Aeronautics and A stronautics, Beijing 100083) Abstract　 In this paper, a Spectral App roach, which combined with Method of Moment, is used to simulate design for low RCS double layers FSS antenna shade and analyze the frequency characteristic of double layers FSS under the condition of the multi - layers dielectric underlay. Compared with other meth2 ods, this Spectral App roach can simulate more comp licated elements of FSS with less running time. The simulation model is very simp le, and the result is accordant with real measuring result. Subject Term　Radar Cross Section, Frequency Selective Surfaces, Spectral App roach,Method ofMo2 ment (上接第 13页 ) 2　Vaccaro S, Maagt P. Two advanced solant antenna“SOLANT”designs for satellite and terrestrial communications. IEEE Trans. on AP, Vol. 51, No. 8, 2003 3　Tanaka M , Suzuki Y, etc. M icrostrip antenna with solar cells for m icrosatellite. Electronics Letters, Vol. 31, No. 1, 1995 4　Vaccaro S, Torres P, etc. Integrated solar panel antennas. Electronics Letters, Vol. 36, No. 5, 2000 5　Vaccaro S, Torres P, etc. Stainless steel solt antenna with integrated solar cells. Electronics Letters, Vol. 36, No. 6, 2000 　　作者简介 寇艳玲 　1966年生 , 1987年毕业于兰州大学 ,工程师。目前主要从事天线专业技术情报研究。 162006年第 4期 　　　　　　　　　　陈 　磊等 :低 RCS的双层缝隙阵 FSS雷达天线罩的设计与分析