第39卷第7期哈爾濱工業(yè)大學學報Vol, 39 NO. 72007年7月JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYJul.2007縞分形天線李勇,王友善,杜星文(哈爾濱工業(yè)大學復合材料與結構研究所,哈爾濱150080,E-mail:hexidian@l63.com)摘要:將太陽帆、印刷工藝和分形理論相結合,提出“縞分形天線”的概念.與充氣拋物面天線相比,具有精度要求更低、壽命更長、形式靈活多樣并可實現(xiàn)多頻段通信等優(yōu)點.線帆合一,可以降低發(fā)射成本,簡化探測器的結構,提高通信質(zhì)量和增加系統(tǒng)可靠性關鍵詞:編結構;太陽帆;分形;天線;拋物面圖分類號:V423.6文獻標識碼:A文章編號: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縞結構可用于外層空間天線、地球輻射儀、雷陽能帆板3種主要技術可以實現(xiàn)星際旅行最受達、太陽能集中器、望遠鏡、遮陽板、太陽帆、太陽關注的推進方法是太陽帆.太陽帆探測器不需能電池陣列和宇宙飛行器支柱等.其中,空間充氣要隨身攜帶推進器和燃料,可以提高有效載荷能天線和太陽帆是當前的兩大熱點,因為天線要求力和降低旅行時間太陽帆的速度隨著時間的推具有很高的表面精度而太陽帆要求面密度非常移,會越來越高,最終能夠飛出太陽系,進行星際小.形狀精度和面密度是縞結構的兩大關鍵技術.旅行.在薄膜材料、新型高溫帆板基體和輕質(zhì)梁方近年來,有將太陽帆飛行器的動力與通信相結面的進展使帆板具有高性能、低成本的潛力使太合的討論,以降低發(fā)射成本、簡化探測器的結構.陽帆板成為一種高收益的太空運輸技術Wuest提出多功能薄膜的概念,將太陽能電池、天1.1來自光壓的太陽帆動力線、傳感器、熱控裝置等集成到帆面上. Mcinnes太陽帆的動力來源為光壓和太陽風.根據(jù)量提出,通過主動控制帆面能在太陽能集中器和天子力學理論,光子具有h/A的動量(h是普朗克常線的形狀之間相互轉(zhuǎn)換2. Khayatian提出,利用帆數(shù),A為波長),從而形成光壓.太陽光的壓強是面制作菲涅耳天線3,將太陽帆與充氣天線合二為很微小的,絕對黑體受到的光壓只有4.55×106,是未來星際探測飛行器設計的一個趨勢Nm2.假設太陽光以a的角度照射在面積為A的太陽帆的帆面上5),并考慮帆與太陽距離的影1太陽帆響6,則產(chǎn)生的推力為目前,預期有物質(zhì)-反物質(zhì)推進、核動力和太FI=(I +n)wAc" (ro/r)cosa. (1)式中:F為陽光產(chǎn)生的推力,N;n為帆面的反射效收稿日期:2005-08-25作者簡介:李勇(1974-),男,博士;率;v為1AU的距離上的太陽常數(shù),1353W/m2;杜星文(1937-),男,教授,博士生導師c為光在真空中的速度,3×10m/s;r為地球到太第7期李勇,等:縞分形天線1081陽的距離,1AU;r為太陽帆到太陽的距離,AU太陽在電磁波輻射的同時,還進行粒子輻射分形天線(主要為電離氫和電離氦),形成太陽風——速度20世紀70年代 Mandelbrot在 Hausdroff測度為(0.3-1)×10°m/s的氣流,其密度在1AU處的基礎上,將分數(shù)維和具有自相似特點的自然現(xiàn)為1~30×10°個氫原子/m3并近似地與距離的象集成在一起,創(chuàng)立了分形理論,其概念為:研究平方成反比太陽風的速度在太陽系范圍內(nèi)大致部分以某種形式與整體相似的幾何形狀,分形保持不變(.假設太陽風以a的角度和速度v沖幾何的主要特點為自相似性和標度不變性,即將擊在面積為A的太陽帆的帆面上,并被以速度m圖形的某一部分放大,可與整體相重合”.自反射回去.根據(jù)動量守恒定律,其產(chǎn)生的推力為1995年提出分形天線的概念之后,分形天線以無D可比擬的優(yōu)越性得到了迅速發(fā)展,并成為下一代mU)=MIMO天線的首選在帆面法線方向,可改寫為分形天線設計的研究主要包括具有分形結構m(1+ n)vcos a =F.t.的天線單元和具有分形排列的天線陣列兩個方面分形天線單元主要有: Cantor塵、Koch曲線、m nMAvt(ro/r)cos a,Sierpinski墊、 Sierpinski毯、 Peano曲線等.其中,可得Sierpinski分形研究得最多F。=(1+n)nMA2(ro/r)cos2a.(2)2.1分形天線的多頻段或?qū)掝l特點式中:n為原子數(shù)分布密度;F。為太陽風產(chǎn)生的天線的帶寬是由其幾何形狀決定的.偶極子推力,N;M為每個原子的質(zhì)量,kg;為風速,天線只有一個特征長度,因此,它僅有唯一的諧振頻段和很窄的帶寬;而對數(shù)周期天線和螺旋天線根據(jù)式(1)可得光壓在地球軌道處1km2的具有多個特征長度,具有更寬的頻帶自相似幾何帆面上產(chǎn)生的推力大約為9N根據(jù)式(2),當太形狀天線具有多個諧振頻率,形成多頻段例如陽黑子處于活躍期時,可得太陽風在地球軌道處四次迭代的 Sierpinski墊,它有4種不同尺度的Ikm2的帆面上產(chǎn)生的最大推力大約為01N;寧單元:OA1B1、OA2B2、OA3B3、OAB,而諧振波長約靜時期約為0.002N.由此可以看出,光壓產(chǎn)生的為三角形單元高度的兩倍,從而形成4個頻段如推力比太陽風高出2~3個數(shù)量級因此,太陽帆果諧振頻率相隔較近,其頻帶就會聯(lián)成一個寬頻,的推力主要來自光壓,太陽風的作用可以忽略.如 Sierpinski毯1.2太陽帆的設計要求2.2分形天線的高阻抗特點太陽帆的主要性能參數(shù)為面密度,太陽帆的分形曲線多具有空間填充性,即在有限面積密度要求的變化范圍從近期的試樣探測器的20上,分形曲線的長度趨于無窮.此特點能有效地提g/m2到星際探測器的1g/m2.尺度變化范圍從數(shù)高天線的輻射阻抗、降低天線的Q值.從而,隨著十米的、具有適中要求的小型飛船到數(shù)百米、大型分形曲線疊代次數(shù)的增多,天線效率提高,功率增的飛出太陽系的探測器大但是,隨著電長度的增加,特性阻抗升高,將導太陽帆的基本結構有方形和直升機式兩種.致工作頻帶變窄方形帆由鍍金屬的塑料薄片和張開的輕質(zhì)支撐梁分形天線的其他優(yōu)點還包括:縮減天線尺寸;組成,帆的角落裝有小葉輪張緊裝置,旋轉(zhuǎn)時,產(chǎn)減少天線單元的相互耦合;增加方向性系數(shù),減小生不同的光壓強差來操縱太陽帆;也可以通過質(zhì)副瓣;簡化電路設計,減低成本;適合任何頻段心和光壓強中心的相對移動來操縱太陽帆.方形分形天線的主要缺點是單元形狀復雜,加工帆的操作反應速度快,適于探測器的逃逸和人精度要求高而印刷工藝可以克服這一缺點印刷軌.直升機式太陽帆能象直升機葉片一樣旋天線具有質(zhì)量輕,結構簡單,成本低、易集成等優(yōu)轉(zhuǎn),帆材料的薄片由向心加速度導開和定位,通過點而獲得了廣泛應用改變?nèi)~片的傾角進行操縱.直升機式比方形帆容易展開隨機擾動(由于轉(zhuǎn)動慣性)的穩(wěn)定性好.3充氣拋物面天線但是,由于轉(zhuǎn)動慣性,操作反應速度慢目前,各航天大國都在競相發(fā)展空間充氣天太陽帆具有數(shù)百平方米的帆面,將成為天線線,其中,拋物面天線由于其高效率而成為研究熱的良好載體點圖1為哈爾濱工業(yè)大學正在開發(fā)中的充氣拋濱工業(yè)大學學報第39卷物面天線截止2005年5月,充氣天線方面的專其曲率利一共申請了41項,其中涉及拋物面的為18項K而平面天線僅為2項(還僅僅是涉及))在z方向的力平衡為pdycos Ads Fsin 8.式中:p為氣壓;θ為切線傾角曲線的切線斜率為tanθ=z=(1/2f)x帶入式(3)得圖1充氣拋物面小1+z3.1拋物反射面的形狀精度的高要求根據(jù)光學幾何原理,拋物面天線將焦點處的式中:a為薄膜面內(nèi)的正應力球面波轉(zhuǎn)化成口面處的同相平面波因此,拋物面點(x,y)處的正應力為的表面形狀精度的降低會嚴重降低天線的增益σ=(p/t)√4/+x增加旁瓣電平.根據(jù)Ruze公式,拋物面天線增益對于口徑1.5m、焦徑比為0.8和膜厚度為下降系數(shù)為010μm的拋物面,假設其充氣壓力為20Pa,可得7,(3)其最小拉應力為4.8MPa.而聚酰亞胺薄膜的彈式中:a為半光程差的均方根值性模量大約為4GPa,抗拉強度大約為150MPa由此可以看出,反射面的效率η決定于均方在此拉應力作用下,材料的蠕變速率不可忽視根誤差a與波長A的比值如果保持同樣的效率,4縞分形天線波長較長的,均方根誤差可以允許大些,波長短的,允許的均方根誤差小由公式知隨著σ的增目前,分形理論主要用于手機天線,一方面,大,反射面的效率迅速降低.一般要求a為波長的這主要由于分形理論能夠顯著縮小天線的體積,1:30-1/60.因此,對適用于厘米波毫米波的反適用手機天線的小型化設計要求,據(jù)介紹,Koch射面天線,公差要求非常嚴格雙極天線的高度比傳統(tǒng)的直立雙極天線降低3.2充氣拋物面的受力分析30%1),Koch單極天線的高度比傳統(tǒng)的線性單拋物反射面的材料為聚酰亞胺等高聚物薄極天線降低40%2.若將這一優(yōu)點反其道而用膜.它們具有較高的玻璃化溫度,可以承受惡劣的之,就可以大大提高大型天線的效率.另一方面,太空熱環(huán)境.但是,由于高聚物都具有粘彈性,容這是由印刷天線的缺點決定的印刷天線的基體易發(fā)生蠕變變形.對于薄膜材料,沒有橫向抗彎剛多為厚度很薄的高聚物材料,其本身結構剛強度度,只能承受面內(nèi)拉力取拋物面的寬為dy,厚為低,抗風暴等惡劣環(huán)境能力差,不適合制作大型天t的微曲面帶OX。進行受力分析(見圖2)線.而在太空失重環(huán)境中這一缺點并不存在這說明,可以進行大型太空分形天線的設計4.1縞分形天線的定義通過印刷工藝,將分形天線單元印制在太陽帆的帆面上,實現(xiàn)線帆合一此種結構稱為縞分形(x0,y)天線4.2縞分形天線與拋物面充氣天線性能對比雖然充氣拋物面天線為當前研究的熱點,但是它的兩大關鍵技術——形狀精度和壽命近期難(0,0)以攻克在深空探測中,縞分形天線與充氣拋物面圖2充氣拋物面受力分析天線相比,具有精度要求更低、壽命更長、形式靈拋物面的方程為活多樣并可實現(xiàn)多頻段通信等優(yōu)點44.2.1形狀精度結構形第7期李勇,等:縞分形天線1083·①反射面為可固化面其面材料為預浸織物,或不同用途的分形天線提高通信質(zhì)量抵御空間在太空中通過紫外固化或熱固化將其定型但在固碎片的破壞和增加系統(tǒng)可靠性化過程中,由于樹脂的流動和收縮使表面精度難以但是,線帆合一會影響到探測器的動力與通控制.并且由于面密度較高,不適合深空探測信的協(xié)調(diào)從這方面考慮直升機式太陽帆比方形②反射面為充氣結構根據(jù)公式(4),拋物面帆更適合做分形天線的載體.母線上各點的應力是不相同的,因此各點的應變5結論并不相同.這給制造過程中的精度控制帶來很大的困難其次,即使充氣壓力很小,膜內(nèi)的拉應力本文提出了縞分形天線的概念,將太陽帆與也很大,材料的蠕變速率不可忽視拋物面在工作天線集成將會成為深空探測器的動力和通信工過程中的變形也會大大降低形狀精度具.縞分形天線比拋物面充氣天線更具優(yōu)越性,更而縞分形天線,形狀可隨飛行器改變,結構靈易開發(fā)縞分形天線的概念還可用于相控天線、合活多樣,面內(nèi)精度要求不會高于太陽帆同時,高成孔徑雷達、地面便攜通信裝置等方面聚物薄膜的蠕變對天線的效率影響不大4.2.2壽命與防護問題參考文獻雖然通過精心的設計和制造,充氣拋物面天1] WUEST. A particle sensor for a multifunctional mem線的精度要求可能得到滿足,并且在整個探測過brane solar sail spacecraft [J]. Advances in Space Re-程中,通過主動控制可以在一定程度上克服蠕變search,2004,34:219-223.和微泄漏帶來的消極影響,但是充氣膜機構有[2] MCINNES. Delivering fast and capable missions to the個致命的弱點,就是不能抵抗空間碎片或微流星outer solar system [J]. Advances in Space Research體的沖擊一個微小的空洞將會使反射面內(nèi)的氣(3] KHAYATIAN E, RAHMAT-SAMII Y. A novel antenna體全部泄漏,并且這一過程不可預測和控制,這不concept for future solar sails: Application of Fresnel an-符合探測器的高可靠性要求如果給反射面安置tenna [J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine一防護罩,會增加飛行器重量,并且不能進行全面2004,46:50-62保護[4] CHRISTOPHER H M. Jenkins, Gossamer spacecraft帆面的蠕變變形不會影響縞分形天線的使用membrane and inflatable structures technology for space壽命.雖然縞分形天線同樣不能抵抗微流星體和application[M]. Virginia: AlAA, 2000: 554-565空間碎片的沖擊,但是細小的空洞至多損壞某幾[5] FIESELER P D. A method for solar sailing in a low個天線單元,對天線效率的影響微乎其微earth orbit [J]. Acta Astronautica, 1998, 43: 5314.2.3通信頻段541[6]馬克西莫夫,宇宙飛行器研制的理論基礎[M].北拋物面天線只適合厘米波以下的波段而縞京:科學出版社,1980:260-262分形天線可以實現(xiàn)任何波段和多頻段的通信,這[7)MCGRAW-HILL Encyclopedia of Science Technolo-使它成為下一代-MIMO天線的技術突破的gy( Vol. 6)[M]. Beijing: Science Press, 1980: 205關鍵4.3線帆合一的優(yōu)點[8]周孝寬,李學軍.圖象的分形壓縮方法[J].宇航學線帆合一,不但能夠結合太陽帆和分形天線報,1995,16:13-18各自的優(yōu)點,還可以減輕縞飛行器的質(zhì)量,增加系9 XU Liang, Michael Yan Wah ChiB. Multiband charac-統(tǒng)可靠性,這對深空探測具有重要意義teristics of two fractal antennas J]. Microwave and1)減輕縞飛行器的質(zhì)量Optical Technology Letters, 1999, 23 242-245在深空探測中,質(zhì)量是一個非常關鍵的因素[1O朱崇燦,黃景熙.天線[M].武漢:武漢大學出版社,1996:299-305它影響到發(fā)射成本、飛行距離和時間將太陽帆和[1屠振,李明星.分形天線的IFS實現(xiàn)與特性J]現(xiàn)天線集成,能使探測器的質(zhì)量大大減輕尤其是太代電子技術,2004,19:32-34陽帆的推力只有9N/km2,其意義更加重大線帆[1] PUENTE C. Small but long Koch fractal monopole合一還會簡化探測器的結構、降低制造成本.Electronics Letters, 1998, 34: 9-10.2)增加系統(tǒng)的可靠性,備用天線(編輯楊波)廣闊的太陽帆帆面,可以安置數(shù)套同一用途