縞分形天線(xiàn)

第39卷第7期哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報Vol, 39 NO. 72007年7月JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYJul.2007縞分形天線(xiàn)李勇,王友善,杜星文(哈爾濱工業(yè)大學(xué)復合材料與結構研究所,哈爾濱150080,E-mail:hexidian@l63.com)摘要:將太陽(yáng)帆、印刷工藝和分形理論相結合,提出“縞分形天線(xiàn)”的概念.與充氣拋物面天線(xiàn)相比,具有精度要求更低、壽命更長(cháng)、形式靈活多樣并可實(shí)現多頻段通信等優(yōu)點(diǎn).線(xiàn)帆合一,可以降低發(fā)射成本,簡(jiǎn)化探測器的結構,提高通信質(zhì)量和增加系統可靠性關(guān)鍵詞:編結構;太陽(yáng)帆;分形;天線(xiàn);拋物面圖分類(lèi)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(xiàn)、地球輻射儀、雷陽(yáng)能帆板3種主要技術(shù)可以實(shí)現星際旅行最受達、太陽(yáng)能集中器、望遠鏡、遮陽(yáng)板、太陽(yáng)帆、太陽(yáng)關(guān)注的推進(jìn)方法是太陽(yáng)帆.太陽(yáng)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(jìn)器和燃料,可以提高有效載荷能天線(xiàn)和太陽(yáng)帆是當前的兩大熱點(diǎn),因為天線(xiàn)要求力和降低旅行時(shí)間太陽(yáng)帆的速度隨著(zhù)時(shí)間的推具有很高的表面精度而太陽(yáng)帆要求面密度非常移,會(huì )越來(lái)越高,最終能夠飛出太陽(yáng)系,進(jìn)行星際小.形狀精度和面密度是縞結構的兩大關(guān)鍵技術(shù).旅行.在薄膜材料、新型高溫帆板基體和輕質(zhì)梁方近年來(lái),有將太陽(yáng)帆飛行器的動(dòng)力與通信相結面的進(jìn)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(jiǎn)化探測器的結構.陽(yáng)帆板成為一種高收益的太空運輸技術(shù)Wuest提出多功能薄膜的概念,將太陽(yáng)能電池、天1.1來(lái)自光壓的太陽(yáng)帆動(dòng)力線(xiàn)、傳感器、熱控裝置等集成到帆面上. Mcinnes太陽(yáng)帆的動(dòng)力來(lái)源為光壓和太陽(yáng)風(fēng).根據量提出,通過(guò)主動(dòng)控制帆面能在太陽(yáng)能集中器和天子力學(xué)理論,光子具有h/A的動(dòng)量(h是普朗克常線(xiàn)的形狀之間相互轉換2. Khayatian提出,利用帆數,A為波長(cháng)),從而形成光壓.太陽(yáng)光的壓強是面制作菲涅耳天線(xiàn)3,將太陽(yáng)帆與充氣天線(xiàn)合二為很微小的,絕對黑體受到的光壓只有4.55×106,是未來(lái)星際探測飛行器設計的一個(gè)趨勢Nm2.假設太陽(yáng)光以a的角度照射在面積為A的太陽(yáng)帆的帆面上5),并考慮帆與太陽(yáng)距離的影1太陽(yáng)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(jìn)、核動(dòng)力和太FI=(I +n)wAc" (ro/r)cosa. (1)式中:F為陽(yáng)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(jiǎn)介:李勇(1974-),男,博士;率;v為1AU的距離上的太陽(yáng)常數,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(xiàn)1081陽(yáng)的距離,1AU;r為太陽(yáng)帆到太陽(yáng)的距離,AU太陽(yáng)在電磁波輻射的同時(shí),還進(jìn)行粒子輻射分形天線(xiàn)(主要為電離氫和電離氦),形成太陽(yáng)風(fēng)——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,將分數維和具有自相似特點(diǎn)的自然現為1~30×10°個(gè)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(yáng)風(fēng)的速度在太陽(yáng)系范圍內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(yáng)風(fēng)以a的角度和速度v沖幾何的主要特點(diǎn)為自相似性和標度不變性,即將擊在面積為A的太陽(yáng)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.根據動(dòng)量守恒定律,其產(chǎn)生的推力為1995年提出分形天線(xiàn)的概念之后,分形天線(xiàn)以無(wú)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(xiàn)的首選在帆面法線(xiàn)方向,可改寫(xiě)為分形天線(xiàn)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(xiàn)單元和具有分形排列的天線(xiàn)陣列兩個(gè)方面分形天線(xiàn)單元主要有: Cantor塵、Koch曲線(xiàn)、m nMAvt(ro/r)cos a,Sierpinski墊、 Sierpinski毯、 Peano曲線(xiàn)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(xiàn)的多頻段或寬頻特點(diǎn)式中:n為原子數分布密度;F。為太陽(yáng)風(fēng)產(chǎn)生的天線(xiàn)的帶寬是由其幾何形狀決定的.偶極子推力,N;M為每個(gè)原子的質(zhì)量,kg;為風(fēng)速,天線(xiàn)只有一個(gè)特征長(cháng)度,因此,它僅有唯一的諧振頻段和很窄的帶寬;而對數周期天線(xiàn)和螺旋天線(xiàn)根據式(1)可得光壓在地球軌道處1km2的具有多個(gè)特征長(cháng)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根據式(2),當太形狀天線(xiàn)具有多個(gè)諧振頻率,形成多頻段例如陽(yáng)黑子處于活躍期時(shí),可得太陽(yáng)風(fēng)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(cháng)約靜時(shí)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(gè)頻段如推力比太陽(yáng)風(fēng)高出2~3個(gè)數量級因此,太陽(yáng)帆果諧振頻率相隔較近,其頻帶就會(huì )聯(lián)成一個(gè)寬頻,的推力主要來(lái)自光壓,太陽(yáng)風(fēng)的作用可以忽略.如 Sierpinski毯1.2太陽(yáng)帆的設計要求2.2分形天線(xiàn)的高阻抗特點(diǎn)太陽(yáng)帆的主要性能參數為面密度,太陽(yáng)帆的分形曲線(xiàn)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(xiàn)的長(cháng)度趨于無(wú)窮.此特點(diǎn)能有效地提g/m2到星際探測器的1g/m2.尺度變化范圍從數高天線(xiàn)的輻射阻抗、降低天線(xiàn)的Q值.從而,隨著(zhù)十米的、具有適中要求的小型飛船到數百米、大型分形曲線(xiàn)疊代次數的增多,天線(xiàn)效率提高,功率增的飛出太陽(yáng)系的探測器大但是,隨著(zhù)電長(cháng)度的增加,特性阻抗升高,將導太陽(yáng)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(kāi)的輕質(zhì)支撐梁分形天線(xiàn)的其他優(yōu)點(diǎn)還包括:縮減天線(xiàn)尺寸;組成,帆的角落裝有小葉輪張緊裝置,旋轉時(shí),產(chǎn)減少天線(xiàn)單元的相互耦合;增加方向性系數,減小生不同的光壓強差來(lái)操縱太陽(yáng)帆;也可以通過(guò)質(zhì)副瓣;簡(jiǎn)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(dòng)來(lái)操縱太陽(yáng)帆.方形分形天線(xiàn)的主要缺點(diǎn)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(diǎn)印刷軌.直升機式太陽(yáng)帆能象直升機葉片一樣旋天線(xiàn)具有質(zhì)量輕,結構簡(jiǎn)單,成本低、易集成等優(yōu)轉,帆材料的薄片由向心加速度導開(kāi)和定位,通過(guò)點(diǎn)而獲得了廣泛應用改變葉片的傾角進(jìn)行操縱.直升機式比方形帆容易展開(kāi)隨機擾動(dòng)(由于轉動(dòng)慣性)的穩定性好.3充氣拋物面天線(xiàn)但是,由于轉動(dòng)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(yáng)帆具有數百平方米的帆面,將成為天線(xiàn)線(xiàn),其中,拋物面天線(xiàn)由于其高效率而成為研究熱的良好載體點(diǎn)圖1為哈爾濱工業(yè)大學(xué)正在開(kāi)發(fā)中的充氣拋濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報第39卷物面天線(xiàn)截止2005年5月,充氣天線(xiàn)方面的專(zhuān)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(xiàn)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(xiàn)傾角曲線(xiàn)的切線(xiàn)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光學(xué)幾何原理,拋物面天線(xiàn)將焦點(diǎn)處的式中:a為薄膜面內的正應力球面波轉化成口面處的同相平面波因此,拋物面點(diǎn)(x,y)處的正應力為的表面形狀精度的降低會(huì )嚴重降低天線(xiàn)的增益σ=(p/t)√4/+x增加旁瓣電平.根據Ruze公式,拋物面天線(xiàn)增益對于口徑1.5m、焦徑比為0.8和膜厚度為下降系數為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(cháng)A的比值如果保持同樣的效率,4縞分形天線(xiàn)波長(cháng)較長(cháng)的,均方根誤差可以允許大些,波長(cháng)短的,允許的均方根誤差小由公式知隨著(zhù)σ的增目前,分形理論主要用于手機天線(xiàn),一方面,大,反射面的效率迅速降低.一般要求a為波長(cháng)的這主要由于分形理論能夠顯著(zhù)縮小天線(xiàn)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(xiàn)的小型化設計要求,據介紹,Koch射面天線(xiàn),公差要求非常嚴格雙極天線(xiàn)的高度比傳統的直立雙極天線(xiàn)降低3.2充氣拋物面的受力分析30%1),Koch單極天線(xiàn)的高度比傳統的線(xiàn)性單拋物反射面的材料為聚酰亞胺等高聚物薄極天線(xiàn)降低40%2.若將這一優(yōu)點(diǎn)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(xiàn)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(xiàn)的缺點(diǎn)決定的印刷天線(xiàn)的基體易發(fā)生蠕變變形.對于薄膜材料,沒(méi)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,只能承受面內拉力取拋物面的寬為dy,厚為低,抗風(fēng)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(jìn)行受力分析(見(jiàn)圖2)線(xiàn).而在太空失重環(huán)境中這一缺點(diǎn)并不存在這說(shuō)明,可以進(jìn)行大型太空分形天線(xiàn)的設計4.1縞分形天線(xiàn)的定義通過(guò)印刷工藝,將分形天線(xiàn)單元印制在太陽(yáng)帆的帆面上,實(shí)現線(xiàn)帆合一此種結構稱(chēng)為縞分形(x0,y)天線(xiàn)4.2縞分形天線(xiàn)與拋物面充氣天線(xiàn)性能對比雖然充氣拋物面天線(xiàn)為當前研究的熱點(diǎn),但是它的兩大關(guān)鍵技術(shù)——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(xiàn)與充氣拋物面圖2充氣拋物面受力分析天線(xiàn)相比,具有精度要求更低、壽命更長(cháng)、形式靈拋物面的方程為活多樣并可實(shí)現多頻段通信等優(yōu)點(diǎn)44.2.1形狀精度結構形第7期李勇,等:縞分形天線(xiàn)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(xiàn)提高通信質(zhì)量抵御空間在太空中通過(guò)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可靠性化過(guò)程中,由于樹(shù)脂的流動(dòng)和收縮使表面精度難以但是,線(xiàn)帆合一會(huì )影響到探測器的動(dòng)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)調從這方面考慮直升機式太陽(yáng)帆比方形②反射面為充氣結構根據公式(4),拋物面帆更適合做分形天線(xiàn)的載體.母線(xiàn)上各點(diǎn)的應力是不相同的,因此各點(diǎn)的應變5結論并不相同.這給制造過(guò)程中的精度控制帶來(lái)很大的困難其次,即使充氣壓力很小,膜內的拉應力本文提出了縞分形天線(xiàn)的概念,將太陽(yáng)帆與也很大,材料的蠕變速率不可忽視拋物面在工作天線(xiàn)集成將會(huì )成為深空探測器的動(dòng)力和通信工過(guò)程中的變形也會(huì )大大降低形狀精度具.縞分形天線(xiàn)比拋物面充氣天線(xiàn)更具優(yōu)越性,更而縞分形天線(xiàn),形狀可隨飛行器改變,結構靈易開(kāi)發(fā)縞分形天線(xiàn)的概念還可用于相控天線(xiàn)、合活多樣,面內精度要求不會(huì )高于太陽(yáng)帆同時(shí),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(xiàn)的效率影響不大4.2.2壽命與防護問(wèn)題參考文獻雖然通過(guò)精心的設計和制造,充氣拋物面天1] WUEST. A particle sensor for a multifunctional mem線(xiàn)的精度要求可能得到滿(mǎn)足,并且在整個(gè)探測過(guò)brane solar sail spacecraft [J]. Advances in Space Re-程中,通過(guò)主動(dòng)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(lái)的消極影響,但是充氣膜機構有[2] MCINNES. Delivering fast and capable missions to the個(gè)致命的弱點(diǎn),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(gè)微小的空洞將會(huì )使反射面內的氣(3] KHAYATIAN E, RAHMAT-SAMII Y. A novel antenna體全部泄漏,并且這一過(guò)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(huì )增加飛行器重量,并且不能進(jìn)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(huì )影響縞分形天線(xiàn)的使用membrane and inflatable structures technology for space壽命.雖然縞分形天線(xiàn)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(gè)天線(xiàn)單元,對天線(xiàn)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(xiàn)只適合厘米波以下的波段而縞京:科學(xué)出版社,1980:260-262分形天線(xiàn)可以實(shí)現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(xiàn)的技術(shù)突破的gy( Vol. 6)[M]. Beijing: Science Press, 1980: 205關(guān)鍵4.3線(xiàn)帆合一的優(yōu)點(diǎn)[8]周孝寬,李學(xué)軍.圖象的分形壓縮方法[J].宇航學(xué)線(xiàn)帆合一,不但能夠結合太陽(yáng)帆和分形天線(xiàn)報,1995,16:13-18各自的優(yōu)點(diǎn),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(gè)非常關(guān)鍵的因素[1O朱崇燦,黃景熙.天線(xiàn)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,1996:299-305它影響到發(fā)射成本、飛行距離和時(shí)間將太陽(yáng)帆和[1屠振,李明星.分形天線(xiàn)的IFS實(shí)現與特性J]現天線(xiàn)集成,能使探測器的質(zhì)量大大減輕尤其是太代電子技術(shù),2004,19:32-34陽(yáng)帆的推力只有9N/km2,其意義更加重大線(xiàn)帆[1] PUENTE C. Small but long Koch fractal monopole合一還會(huì )簡(jiǎn)化探測器的結構、降低制造成本.Electronics Letters, 1998, 34: 9-10.2)增加系統的可靠性,備用天線(xiàn)(編輯楊波)廣闊的太陽(yáng)帆帆面,可以安置數套同一用途