摘要：柔性張拉薄膜可展開天線是將柔性電子、柔性薄膜材料、柔性結構和柔性展開技術融合創新的一種具有廣泛應用前景的大型可展開空間天線，具有輕質、高展收比、高增益和波束靈活的特點，可有效滿足遙感、通信、深空探測衛星的特殊需求。闡述了柔性張拉薄膜可展開天線的特點與研究現狀;對空間薄膜天線研制的基礎理論及綜合測試方法進行了總結;結合具體工程問題，論述了大型可展開空間薄膜天線研制所需要解決的關鍵技術難題，并進一步分析了薄膜天線的技術發展趨勢。

　　關鍵詞：柔性張拉薄膜可展開空間天線;薄膜結構;可展開結構;研究現狀;發展趨勢

　　隨著空間科學技術的發展，各類航天器對通信能力的要求越來越高。空間天線作為衛星通信的必要設備，是航天器技術發展的重要核心部分之一。為了滿足高增益、波束靈活的通信需求以及運載火箭對天線收攏體積、重量的限制，發展了多種形式的可展開空間天線。可展開空間天線的結構形式可按照型面形式劃分為：固面可展開空間天線、網面可展開空間天線和新一代柔性材料型面可展開天線等三類[1]。典型的固面天線有Sunflower天線、MEA天線、DASIY天線、SSDA天線等。

　　網面可展開空間天線是目前大天線技術的主要實現方式之一，其特點是收展比大、輕質量，包括傘肋式、構架式、環形索網式和環柱式天線等。新一代柔性材料型面可展開天線包括殼膜可展開天線和薄膜可展開天線兩類。殼膜可展開天線常見的實現方式有自回彈和傘肋式等，薄膜天線實現途徑有充氣和平面展開等方式。柔性薄膜可展開天線主要有充氣拋物面式、充氣剛化、彈性肋驅動、形狀記憶聚合物(SMP)充氣、靜電成型可展開天線以及柔性薄膜張拉天線等形式[2]。

　　相控陣天線是近年來發展較快的一類天線，在衛星通信、微波遙感、對地觀測等方面具有廣闊的應用前景。天基SAR(合成孔徑雷達)領域中，要求提供更寬的頻帶、更多的波束、更精細的波束地面分辨率，因此需要大尺寸的平面有源相控陣天線。傳統可展開空間天線結構大多應用于反射器天線，與平面相控陣天線的結構實現方式不同，可展開空間反射器結構往往具有更多的型面成型結構與機構。在平面相控陣天線結構的實現方式上，柔性薄膜天線具有實現更大口徑、更大收展比的可能性，相控陣天線的型面采用柔性薄膜結構能大大減輕質量和減小收攏和展開體積。

　　柔性張拉薄膜可展開結構是柔性薄膜相控陣天線的一種結構實現方式。本文針對柔性張拉薄膜可展開空間天線進行了調研。首先，對柔性張拉薄膜可展開空間天線的特點進行了調研與分析;其次，對柔性張拉薄膜天線的研究現狀進行了綜述，并結合實際工程，總結了柔性張拉薄膜可展開空間天線的關鍵技術研究現狀;最后，對柔性張拉薄膜可展開空間天線的后續發展設想進行了闡述。

　　柔性張拉薄膜結構研究現狀

　　柔性張拉薄膜可展開天線是指將柔性電子、柔性薄膜材料、柔性結構和柔性展開技術融合創新的一種新型大型可展開空間天線。其特點有：輕質、高展收比、高增益和波束靈活等。柔性張拉薄膜可展開天線的組成有：柔性薄膜材料(聚酰亞胺等)、柔性電子模塊(薄膜上鍍銅銀金等、實現電路功能、柔性模塊——信號發射與接收模塊等)、柔性結構(薄膜可展開結構)等部分。通常，柔性張拉薄膜天線有反射陣式天線和直射陣式天線兩種形式。反射陣式柔性薄膜天線是一種無源天線，反射面由薄膜結構展開成型，饋源放置于反射面外側。DARPA的R3D2衛星上的薄膜天線，其展開前被收展于非常小的體積內[3]。

　　直射陣式柔性薄膜天線是一種有源天線，反射面由薄膜結構展開成型，T/R模塊集成于薄膜上或展開結構上以實現天線的功能。柔性薄膜可展開天線與傳統天線(固面、網面天線)相比，型面材料的密度更小、收展比更大，具有廣闊的發展空間。柔性薄膜可展開天線的發展可以追溯到20世紀90年代，JPL實驗室[46]對平面薄膜SAR天線進行了研制，研制了3m、8m級的平面薄膜AR天線，研究了機械結構和射頻結構的測試與設計等方面的內容(薄膜拼接、懸鏈線設計、展開結構與機構、薄膜間隔支撐結構、組裝工藝等)。2007年，JPL[7]提出了徑向可展開傘式平面薄膜SAR天線(RadiallyDeployedUmbrella)的概念。2011年，JPL[8]進行了膜面集成/R模塊的薄膜有源相控陣天線的研制。

　　NASALangley研究中心[10]開發了SMP充氣膜天線，進行了充氣薄膜太空艙的研究，參與研制了應用CP1薄膜材料的太陽帆結構。SRS公司[11]研究了基于CP1薄膜的太陽帆結構邊界連接問題以及消除褶皺的手段，提出了一種無粘合劑的粘接方法。除此之外，RS公司還研究了不同增強體復合的P1薄膜材料，提升了太陽帆材料的耐高溫性能和在軌消皺的能力。

　　諸多大學的學者對薄膜天線的平面相控陣電性能1213]、懸鏈線邊界連接方法1417]、平面薄膜結構的振動特性1819]、褶皺分析方法20]等內容進行了廣泛的研究。 德國DLR[21設計了40㎡的可展開SAR天線和三代尺寸遞增的太陽帆，進行了薄膜及其可展開結構的輕量化設計，研制了碳纖維增強體復合材料(FRP)的伸展臂，測試了不同展開方式的穩定性和驅動效果。加大拿宇航局[2629]對平面薄膜天線結構形式、張緊方式、展開方式的設計、分析與驗證以及多種薄膜材料的力學特性評估進行了研究。

　　日本JAXAISAS和諸多大學對薄膜結構進行了廣泛的研究，主要研制了太陽帆結構，KROS和KEANOS太陽帆。具體而言，研究內容涉及薄膜結構動力學分析[31]、展開機構設計[32、膜面折展方法35、制造加工與邊界處理36等過程法等。在研制太陽帆的過程中，薄膜的褶皺分析[3與折展的基本原理30;45也被進行了廣泛的研究。

　　雖然太陽帆結構與薄膜天線在功能上有所區別，但是二者在薄膜張拉系統、收展方式的設計、分析與制造加工等方面的研究有共通之處。空間張拉薄膜關鍵技術本文調研的文獻顯示平面張拉薄膜天線的關鍵技術有：空間薄膜結構總體優化設計、褶皺分析與消皺方法、剛柔耦合動力學建模仿真、薄膜邊界連接方法和連接機構、薄膜材料制造與加工方法、薄膜結構在軌可靠性與穩定性等。

　　空間薄膜結構總體優化設計空間薄膜結構的構型是根據實際需求功能和薄膜材料的特點進行優化設計得到的。不同的設計要求將導致不同的結構構型。根據不同的展開方式，空間薄膜結構的構型有周邊桁架展開式[3]、充氣柱展開式[5]、中心立柱展開式[7]、伸展臂展開式[22]、二維展開機構展開式[28]、自旋展開式[31]、一維伸展式[4、一維伸展及折疊展開式[4、彈性肋展開式[4;4等九種。

　　在工程設計中，總體設計常采用優化設計的思路，通過多次迭代設計，來達到指標要求。根據薄膜材料的特點，主要考慮的優化設計因素有：動力學特性參數(振動模態等)、張拉平面度、大面積薄膜拼接方式、可靠展開方式、薄膜邊界連接方式、電性能要求、層間電路連接方式等內容[20]。薄膜天線成型易受薄膜天線振動與邊界張拉系統影響5052]，針對張拉系統構型的研究是消除天線振動、保證天線型面的有效設計手段之一。為減小薄膜振動引起的型面誤差，研究薄膜結構動力學特性(振動模態等)是必要的研究內容。

　　大型薄膜的生產受到加工設備的限制，大尺寸的薄膜結構難以一體化加工，所以大尺寸薄膜可以通過拼接的方式實現，薄膜結構的拼接方式影響著薄膜的平面度與展開方式設計30。褶皺分析與消皺方法載荷不均勻、裝配不準確、裝配運輸過程等因素可能導致不同程度的薄膜褶皺出現。褶皺對薄膜天線的主要影響有：較小皺紋的存在導致漫反射和小幅度性能降低;較大褶皺形成的局部皺紋將導致熱點的出現，可能超過最大失效溫度，并導致材料失效[11]。

　　薄膜結構的褶皺分析研究經歷了幾十年的發展，已經發展出多種褶皺仿真分析的手段[35;41;64]。目前采用的分析方法有基于張力場理論[65-72]和分叉理論[73-76]等。在此基礎上，為了分析薄膜結構的后屈曲等更為復雜的褶皺效應，諸多研究中引入了非線性因素等進行分析研究[77]。針對褶皺分析計算收斂性問題的研究也受到了廣泛的關注[78;79]。由于薄膜結構產生褶皺的表現是平面應力不均勻，所以工程上常采用的消除褶皺思路是通過改變邊界條件等設計方法[80-85]使薄膜結構應力均勻化。

　　薄膜材料的大柔性對薄膜結構的動力學特性有顯著影響[8687。針對空間薄膜結構的動力學特性分析是分析展開過程與振動抑制的前提88。薄膜結構的展開過程中的剛柔耦合動力學特性對薄膜結構的穩定展開和展開平面度有顯著的影響91。由于空間薄膜結構的大柔性，為保證仿真分析的精度，針對薄膜結構非線性建模的研究受到了關注9899。空間薄膜結構的振動抑制等研究也成為熱點之一100103。目前的振動控制手段有：邊界張拉索網控制方法104106]、膜面壓電陶瓷主動控制方法等[110。

　　薄膜結構在軌展開需要保證一定的平面度來實現功能，所以薄膜結構在軌展開后的可靠性和穩定性是工程設計中需要著重考慮的因素之一。這樣的褶皺影響著薄膜結構的在軌性能。影響薄膜結構在軌工作可靠性與穩定性的部分因素有：薄膜表面褶皺對相控陣天線電磁性能、結構性能的影響[84;12;薄膜結構尺寸和不同張拉系統在受在軌載荷擾動情況下對薄膜平面度誤差的影響[1228;展開機構、薄膜裝配和機構重復展開對型面誤差的影響[59;29;材料的蠕變和松弛效應等。

　　發展趨勢設想新一代薄膜相控陣天線是實現平面相控陣輕量化和高收納比的新途徑，將柔性電子、柔性薄膜材料、柔性結構、柔性展開等技術進行融合創新，構建基于柔性電子的實時、連續感知目標的應用系統。總體上來看，柔性張拉薄膜天線的后續發展主要有柔性薄膜天線機電熱一體化設計技術、超大高收納比柔性結構優化和動力學仿真分析技術、柔性薄膜器件電路及集成技術、柔性薄膜天線集成測試與驗證技術等四部分研究內容。

　　1)柔性薄膜天線機電熱一體化設計技術大型柔性天線總體設計技術：大型柔性天線結構與衛星平臺耦合嚴重，需發展新型天線衛星系統一體化設計方法;薄膜的平面度保持和控制技術是保證相控陣輻射性能的關鍵。薄膜天線柔性波束設計技術：為發揮薄膜相控陣天線的波束靈活優勢，需要進行大規模陣列天線電氣總體方案技術研究;子陣化、模塊化、柔性化和可擴展的大型可展開天線架構技術研究;超大規模陣列天線的數字化建模技術研究;測算融合的高精度波束優化設計技術研究等。柔性天線熱設計技術：解決大數量的TR組件大熱量的傳輸和排散是需要解決的關鍵技術之一。

　　2)超大高收納比柔性結構優化和動力學仿真分析技術大型柔性天線結構優化：大型柔性天線結構具有低頻率、低剛度、高非線性和變拓撲結構的特點，需要對大型柔性結構、多目標多參數構態、衛星與天線耦合等問題進行不斷優化，建立大型柔性結構優化模型，綜合考慮天線在發射、在軌展開過程、空間環境下的結構優化問題。優化設計的結果將決定大型天線結構的性能(如質量、收納率、重復展開精度等)。

　　大型柔性薄膜天線動力學行為與機制：天線展開過程中的剛柔耦合展開動力學問題涉及到柔性薄膜結構的收納與展開問題、支撐桁架與薄膜結構耦合驅動展開動力學問題等研究。天線展開到位后，由高柔性、低阻尼引起的結構動力學問題涉及到天線的展開剛度、在擾動下的結構動力學響應(結構應力、薄膜型面變形)等研究內容。

　　3).柔性薄膜器件電路及集成技術柔性薄膜器件電路及集成、大規模制備技術與工藝集成技術：研究在薄膜上印刷和制備器件電路的技術及工藝，研究柔性薄膜器件及柔性電路的集成技術及大規模制造技術是保證薄膜天線發揮薄膜結構特性的重要研究內容。傳統電子模塊是將傳統小型化電子元器件直接連接于電路板，其特點是體積較大。在此基礎上發展出了集成電路模塊，其是基電子芯片通過覆銅電路和保護殼集成于電路板，特點是體積小，但不具有柔性。柔性電子模塊在此基礎上進一步將電子芯片通過覆銅電路和保護殼集成于柔性載體，其特點是厚度更薄，模塊具有柔性。基于薄膜的柔性T/R組件設計技術：T/R組件高度集成小型化，依托于多通道高密度集成芯片技術;可采用新型材料和新型封裝技術的T/R組件，能夠承受更大的形變量，來適應柔性天線特性;可形變的三維垂直互聯技術也是/R組件柔性化的實現方式之一。

　　4).柔性薄膜天線集成測試與驗證技術展開收攏驗證：新型空間薄膜天線機構存在折疊、展開過程、展開鎖定等多個構態，其展開過程經歷了結構機構結構的構態變化，各構態對應不同的特性參數。為保證柔性薄膜天線的各個構態達到穩定工作狀態，可開展基于縮比、相似理論研制等價縮比原理樣機，展開與鎖定功能、重復展開精度、展開態與收攏態振動模態、展開到位沖擊響應等試驗驗證等方面的研究。電氣性能測試：可開展柔性雷達系統性能測試，通過測試暗室或是校飛等形式進行電氣性能測試。

　　機械電子論文：基于微帶饋電的介質桿天線設計

　　http://www.seolinyi.cn/lwfw/kjlw/29316.html

　　結論

　　柔性張拉薄膜天線是輕質量、高收展比空間可展開天線的發展方向之一。本文針對柔性張拉薄膜天線的研究現狀進行了綜述，重點對空間薄膜結構的關鍵技術研究現狀進行了分析，并從四個方面對空間張拉薄膜結構的發展趨勢進行了展望。得出結論如下：

　　(1)目前，空間柔性張拉薄膜天線有直射式和反射式兩種。其中，直射式具有結構形式相對更加簡潔、波束更加靈活等特點，因而成為研究熱點。但直射式空間柔性張拉薄膜天線對柔性復合材料結構與柔性電子電路技術等研究內容提出了挑戰，可靠的集成柔性電子電路的空間張拉薄膜結構的設計、分析與制造是實現輕質量、高收納比和靈活波束的核心。

　　(2)研制柔性張拉薄膜天線的關鍵技術研究集中在空間薄膜結構總體優化設計、褶皺分析與消皺方法、動力學建模分析、薄膜邊界連接設計、薄膜材料制造與加工方法、薄膜結構在軌可靠性與穩定性等六個方面。由于復合材料結構與柔性電子電路技術的應用，設計與分析的耦合性加強。所以，在空間柔性張拉薄膜天線的總體優化設計和邊界張拉結構設計過程中，需要著重考慮不同設計形式對天線平面度和天線整體動力學特性的影響。同時，建立完整的工藝流程和評估體系對于產品的成熟應用有重要意義。

　　(3)結合相關研究發展現狀，本文提出了空間張拉薄膜天線的四個后續發展設想方向。由于柔性薄膜結構與柔性電子電路技術的發展將對設計、分析與制造等研究帶來的挑戰，所以發展相關技術是助力新一代柔性張拉薄膜天線的研制與應用的關鍵。

　　參考文獻(References)

　　[1].馬小飛宋燕平.可展開結構[M].北京:國防工業出版社.2016MAXF,SONGYP.Deployablestrucutre[M].Beijing:NationalDefenseindustryPress.2016.(inChinese)

　　[2].CHODIMELLAS,MOOREJ,OTTOJ,etal.DesignEvaluationofaLargeApertureDeployableAntenna[C]//47thAIAA/ASME/ASCE/AHS/ASCStructures,StructuralDynamics,andMaterialsConferenceNewport,RhodeIsland:AIAA,2006:1063.

　　[3].HARVEYTJ,HARVEYTJ,WIENSMT,etal.DeployableStructureforUseinEstablishingaReflectarrayAntenna:US20170093046A1[P].Mar.30,2017

　　[4].FANG,LOUM,HUANGJ,etal.Developmentofa ThreeMeterKaBandReflectarrayAntenna[C]//43rdAIAA/ASME/ASCE/AHS/ASCStructures,StructuralDynamics,andMaterialsConferenceDenver,Colorado:AIAA,20021706.

　　[5].FANGH,LOUHUANGJ,etal.InflatableStructureforaThreeMeterReflectarrayAntenna[J].JournalofSpacecraftandRockets,2004,41(4):543550.

　　[6].FANGHF,YANGB,DINGH,etal.Dynamicanalysisoflargeinspacedeployablemembraneantennas[C]//TheThirteenthInternationalCongressonSoundandVibration.Vienna,Austria:NASA2006.

　　[7].FANGHF,LOUM,HUANGJ,etal.Developmentofa7MeterInflatableReflectarrayAntenna[C]//45thAIAA/ASME/ASCE/AHS/ASCStructures,StructuralDynamics&MaterialsConference.PalmSprings,California:AIAA.20041502.

　　[8].MOUSSESSIANA,DELCL,BACHV,etal.Largeaperture,scanning,LbandSARDB/OL]California:NASA,2011[20211031]

　　[9].MOUSSESSIANA,DELCL,HUANGJ,etal.Anactivemembranephasedarrayradar[C]//IEEEMTTSInternationalMicrowaveSymposiumDigestLongBeach,CA,USA:IEEE.2005.

　　作者：周曉濤，馬小飛，李歡笑