缟分形天线

第39卷第7期哈尔滨工业大学学报Vol, 39 NO. 72007年7月JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYJul.2007缟分形天线李勇,王友善,杜星文(哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,哈尔滨150080,E-mail:hexidian@l63.com)摘要:将太阳帆、印刷工艺和分形理论相结合,提出“缟分形天线”的概念.与充气抛物面天线相比,具有精度要求更低、寿命更长、形式灵活多样并可实现多频段通信等优点.线帆合一,可以降低发射成本,简化探测器的结构,提高通信质量和增加系统可靠性关键词:编结构;太阳帆;分形;天线;抛物面图分类号:V423.6文献标识码:A文章编号:0367-6234(2007)07-1080-04Gossamer fractal antennaLI Yong, WANG You-shan, DU Xing-wenHarbinInstituteofTechnology,CenterforCompositeMaterials,Harbin150080,China,E-mail:hexidian@163.com)Abstract: A new concept-Gossamer Fractal Antenna is proposed on the base of solar sailing, printing processand fractal theory. It behaves longer duration, more flexible configuration and MIMO communication and de-mands lower surface accuracy compared with the inflatable paraboloid. The integrated sailing can reduce overallspace mission cost, simplify the structure of spacecraft and improve communicative quality and system securityKey words: gossamer; solar sailing; fractal; antenna; paraboloid缟结构可用于外层空间天线、地球辐射仪、雷阳能帆板3种主要技术可以实现星际旅行最受达、太阳能集中器、望远镜、遮阳板、太阳帆、太阳关注的推进方法是太阳帆.太阳帆探测器不需能电池阵列和宇宙飞行器支柱等.其中,空间充气要随身携带推进器和燃料,可以提高有效载荷能天线和太阳帆是当前的两大热点,因为天线要求力和降低旅行时间太阳帆的速度随着时间的推具有很高的表面精度而太阳帆要求面密度非常移,会越来越高,最终能够飞出太阳系,进行星际小.形状精度和面密度是缟结构的两大关键技术.旅行.在薄膜材料、新型高温帆板基体和轻质梁方近年来,有将太阳帆飞行器的动力与通信相结面的进展使帆板具有高性能、低成本的潜力使太合的讨论,以降低发射成本、简化探测器的结构.阳帆板成为一种高收益的太空运输技术Wuest提出多功能薄膜的概念,将太阳能电池、天1.1来自光压的太阳帆动力线、传感器、热控装置等集成到帆面上. Mcinnes太阳帆的动力来源为光压和太阳风.根据量提出,通过主动控制帆面能在太阳能集中器和天子力学理论,光子具有h/A的动量(h是普朗克常线的形状之间相互转换2. Khayatian提出,利用帆数,A为波长),从而形成光压.太阳光的压强是面制作菲涅耳天线3,将太阳帆与充气天线合二为很微小的,绝对黑体受到的光压只有4.55×106,是未来星际探测飞行器设计的一个趋势Nm2.假设太阳光以a的角度照射在面积为A的太阳帆的帆面上5),并考虑帆与太阳距离的影1太阳帆响6,则产生的推力为目前,预期有物质-反物质推进、核动力和太FI=(I +n)wAc" (ro/r)cosa. (1)式中:F为阳光产生的推力,N;n为帆面的反射效收稿日期:2005-08-25作者简介:李勇(1974-),男,博士;率;v为1AU的距离上的太阳常数,1353W/m2;杜星文(1937-),男,教授,博士生导师c为光在真空中的速度,3×10m/s;r为地球到太第7期李勇,等:缟分形天线1081阳的距离,1AU;r为太阳帆到太阳的距离,AU太阳在电磁波辐射的同时,还进行粒子辐射分形天线(主要为电离氢和电离氦),形成太阳风——速度20世纪70年代 Mandelbrot在 Hausdroff测度为(0.3-1)×10°m/s的气流,其密度在1AU处的基础上,将分数维和具有自相似特点的自然现为1~30×10°个氢原子/m3并近似地与距离的象集成在一起,创立了分形理论,其概念为:研究平方成反比太阳风的速度在太阳系范围内大致部分以某种形式与整体相似的几何形状,分形保持不变(.假设太阳风以a的角度和速度v冲几何的主要特点为自相似性和标度不变性,即将击在面积为A的太阳帆的帆面上,并被以速度m图形的某一部分放大,可与整体相重合”.自反射回去.根据动量守恒定律,其产生的推力为1995年提出分形天线的概念之后,分形天线以无D可比拟的优越性得到了迅速发展,并成为下一代mU)=MIMO天线的首选在帆面法线方向,可改写为分形天线设计的研究主要包括具有分形结构m(1+ n)vcos a =F.t.的天线单元和具有分形排列的天线阵列两个方面分形天线单元主要有: Cantor尘、Koch曲线、m nMAvt(ro/r)cos a,Sierpinski垫、 Sierpinski毯、 Peano曲线等.其中,可得Sierpinski分形研究得最多F。=(1+n)nMA2(ro/r)cos2a.(2)2.1分形天线的多频段或宽频特点式中:n为原子数分布密度;F。为太阳风产生的天线的带宽是由其几何形状决定的.偶极子推力,N;M为每个原子的质量,kg;为风速,天线只有一个特征长度,因此,它仅有唯一的谐振频段和很窄的带宽;而对数周期天线和螺旋天线根据式(1)可得光压在地球轨道处1km2的具有多个特征长度,具有更宽的频带自相似几何帆面上产生的推力大约为9N根据式(2),当太形状天线具有多个谐振频率,形成多频段例如阳黑子处于活跃期时,可得太阳风在地球轨道处四次迭代的 Sierpinski垫,它有4种不同尺度的Ikm2的帆面上产生的最大推力大约为01N;宁单元:OA1B1、OA2B2、OA3B3、OAB,而谐振波长约静时期约为0.002N.由此可以看出,光压产生的为三角形单元高度的两倍,从而形成4个频段如推力比太阳风高出2~3个数量级因此,太阳帆果谐振频率相隔较近,其频带就会联成一个宽频,的推力主要来自光压,太阳风的作用可以忽略.如 Sierpinski毯1.2太阳帆的设计要求2.2分形天线的高阻抗特点太阳帆的主要性能参数为面密度,太阳帆的分形曲线多具有空间填充性,即在有限面积密度要求的变化范围从近期的试样探测器的20上,分形曲线的长度趋于无穷.此特点能有效地提g/m2到星际探测器的1g/m2.尺度变化范围从数高天线的辐射阻抗、降低天线的Q值.从而,随着十米的、具有适中要求的小型飞船到数百米、大型分形曲线叠代次数的增多,天线效率提高,功率增的飞出太阳系的探测器大但是,随着电长度的增加,特性阻抗升高,将导太阳帆的基本结构有方形和直升机式两种.致工作频带变窄方形帆由镀金属的塑料薄片和张开的轻质支撑梁分形天线的其他优点还包括:缩减天线尺寸;组成,帆的角落装有小叶轮张紧装置,旋转时,产减少天线单元的相互耦合;增加方向性系数,减小生不同的光压强差来操纵太阳帆;也可以通过质副瓣;简化电路设计,减低成本;适合任何频段心和光压强中心的相对移动来操纵太阳帆.方形分形天线的主要缺点是单元形状复杂,加工帆的操作反应速度快,适于探测器的逃逸和人精度要求高而印刷工艺可以克服这一缺点印刷轨.直升机式太阳帆能象直升机叶片一样旋天线具有质量轻,结构简单,成本低、易集成等优转,帆材料的薄片由向心加速度导开和定位,通过点而获得了广泛应用改变叶片的倾角进行操纵.直升机式比方形帆容易展开随机扰动(由于转动惯性)的稳定性好.3充气抛物面天线但是,由于转动惯性,操作反应速度慢目前,各航天大国都在竞相发展空间充气天太阳帆具有数百平方米的帆面,将成为天线线,其中,抛物面天线由于其高效率而成为研究热的良好载体点图1为哈尔滨工业大学正在开发中的充气抛滨工业大学学报第39卷物面天线截止2005年5月,充气天线方面的专其曲率利一共申请了41项,其中涉及抛物面的为18项K而平面天线仅为2项(还仅仅是涉及))在z方向的力平衡为pdycos Ads Fsin 8.式中:p为气压;θ为切线倾角曲线的切线斜率为tanθ=z=(1/2f)x带入式(3)得图1充气抛物面小1+z3.1抛物反射面的形状精度的高要求根据光学几何原理,抛物面天线将焦点处的式中:a为薄膜面内的正应力球面波转化成口面处的同相平面波因此,抛物面点(x,y)处的正应力为的表面形状精度的降低会严重降低天线的增益σ=(p/t)√4/+x增加旁瓣电平.根据Ruze公式,抛物面天线增益对于口径1.5m、焦径比为0.8和膜厚度为下降系数为010μm的抛物面,假设其充气压力为20Pa,可得7,(3)其最小拉应力为4.8MPa.而聚酰亚胺薄膜的弹式中:a为半光程差的均方根值性模量大约为4GPa,抗拉强度大约为150MPa由此可以看出,反射面的效率η决定于均方在此拉应力作用下,材料的蠕变速率不可忽视根误差a与波长A的比值如果保持同样的效率,4缟分形天线波长较长的,均方根误差可以允许大些,波长短的,允许的均方根误差小由公式知随着σ的增目前,分形理论主要用于手机天线,一方面,大,反射面的效率迅速降低.一般要求a为波长的这主要由于分形理论能够显著缩小天线的体积,1:30-1/60.因此,对适用于厘米波毫米波的反适用手机天线的小型化设计要求,据介绍,Koch射面天线,公差要求非常严格双极天线的高度比传统的直立双极天线降低3.2充气抛物面的受力分析30%1),Koch单极天线的高度比传统的线性单抛物反射面的材料为聚酰亚胺等高聚物薄极天线降低40%2.若将这一优点反其道而用膜.它们具有较高的玻璃化温度,可以承受恶劣的之,就可以大大提高大型天线的效率.另一方面,太空热环境.但是,由于高聚物都具有粘弹性,容这是由印刷天线的缺点决定的印刷天线的基体易发生蠕变变形.对于薄膜材料,没有横向抗弯刚多为厚度很薄的高聚物材料,其本身结构刚强度度,只能承受面内拉力取抛物面的宽为dy,厚为低,抗风暴等恶劣环境能力差,不适合制作大型天t的微曲面带OX。进行受力分析(见图2)线.而在太空失重环境中这一缺点并不存在这说明,可以进行大型太空分形天线的设计4.1缟分形天线的定义通过印刷工艺,将分形天线单元印制在太阳帆的帆面上,实现线帆合一此种结构称为缟分形(x0,y)天线4.2縞分形天线与抛物面充气天线性能对比虽然充气抛物面天线为当前研究的热点,但是它的两大关键技术——形状精度和寿命近期难(0,0)以攻克在深空探测中,缟分形天线与充气抛物面图2充气抛物面受力分析天线相比,具有精度要求更低、寿命更长、形式灵抛物面的方程为活多样并可实现多频段通信等优点44.2.1形状精度结构形第7期李勇,等:缟分形天线1083·①反射面为可固化面其面材料为预浸织物,或不同用途的分形天线提高通信质量抵御空间在太空中通过紫外固化或热固化将其定型但在固碎片的破坏和增加系统可靠性化过程中,由于树脂的流动和收缩使表面精度难以但是,线帆合一会影响到探测器的动力与通控制.并且由于面密度较高,不适合深空探测信的协调从这方面考虑直升机式太阳帆比方形②反射面为充气结构根据公式(4),抛物面帆更适合做分形天线的载体.母线上各点的应力是不相同的,因此各点的应变5结论并不相同.这给制造过程中的精度控制带来很大的困难其次,即使充气压力很小,膜内的拉应力本文提出了缟分形天线的概念,将太阳帆与也很大,材料的蠕变速率不可忽视抛物面在工作天线集成将会成为深空探测器的动力和通信工过程中的变形也会大大降低形状精度具.缟分形天线比抛物面充气天线更具优越性,更而缟分形天线,形状可随飞行器改变,结构灵易开发缟分形天线的概念还可用于相控天线、合活多样,面内精度要求不会高于太阳帆同时,高成孔径雷达、地面便携通信装置等方面聚物薄膜的蠕变对天线的效率影响不大4.2.2寿命与防护问题参考文献虽然通过精心的设计和制造,充气抛物面天1] WUEST. A particle sensor for a multifunctional mem线的精度要求可能得到满足,并且在整个探测过brane solar sail spacecraft [J]. Advances in Space Re-程中,通过主动控制可以在一定程度上克服蠕变search,2004,34:219-223.和微泄漏带来的消极影响,但是充气膜机构有[2] MCINNES. Delivering fast and capable missions to the个致命的弱点,就是不能抵抗空间碎片或微流星outer solar system [J]. Advances in Space Research体的冲击一个微小的空洞将会使反射面内的气(3] KHAYATIAN E, RAHMAT-SAMII Y. A novel antenna体全部泄漏,并且这一过程不可预测和控制,这不concept for future solar sails: Application of Fresnel an-符合探测器的高可靠性要求如果给反射面安置tenna [J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine一防护罩,会增加飞行器重量,并且不能进行全面2004,46:50-62保护[4] CHRISTOPHER H M. Jenkins, Gossamer spacecraft帆面的蠕变变形不会影响缟分形天线的使用membrane and inflatable structures technology for space寿命.虽然缟分形天线同样不能抵抗微流星体和application[M]. Virginia: AlAA, 2000: 554-565空间碎片的冲击,但是细小的空洞至多损坏某几[5] FIESELER P D. A method for solar sailing in a low个天线单元,对天线效率的影响微乎其微earth orbit [J]. Acta Astronautica, 1998, 43: 5314.2.3通信频段541[6]马克西莫夫,宇宙飞行器研制的理论基础[M].北抛物面天线只适合厘米波以下的波段而缟京:科学出版社,1980:260-262分形天线可以实现任何波段和多频段的通信,这[7)MCGRAW-HILL Encyclopedia of Science Technolo-使它成为下一代-MIMO天线的技术突破的gy( Vol. 6)[M]. Beijing: Science Press, 1980: 205关键4.3线帆合一的优点[8]周孝宽,李学军.图象的分形压缩方法[J].宇航学线帆合一,不但能够结合太阳帆和分形天线报,1995,16:13-18各自的优点,还可以减轻缟飞行器的质量,增加系9 XU Liang, Michael Yan Wah ChiB. Multiband charac-统可靠性,这对深空探测具有重要意义teristics of two fractal antennas J]. Microwave and1)减轻缟飞行器的质量Optical Technology Letters, 1999, 23 242-245在深空探测中,质量是一个非常关键的因素[1O朱崇灿,黄景熙.天线[M].武汉:武汉大学出版社,1996:299-305它影响到发射成本、飞行距离和时间将太阳帆和[1屠振,李明星.分形天线的IFS实现与特性J]现天线集成,能使探测器的质量大大减轻尤其是太代电子技术,2004,19:32-34阳帆的推力只有9N/km2,其意义更加重大线帆[1] PUENTE C. Small but long Koch fractal monopole合一还会简化探测器的结构、降低制造成本.Electronics Letters, 1998, 34: 9-10.2)增加系统的可靠性,备用天线(编辑杨波)广阔的太阳帆帆面,可以安置数套同一用途