新型星载AIS可展开天线结构设计

刘良玉 张健军 陈银平 匡全进 薛俊杰

新型星载AIS可展开天线结构设计

刘良玉 张健军 陈银平 匡全进 薛俊杰

（上海航天电子技术研究所，上海 201109）

针对AIS天线工作频率低，天线尺寸较大，无法满足微小卫星发射平台，设计了一种新型高收纳率轻型可展开AIS八木天线。通过引入自回弹-自锁定柔性材料、新型电阻丝熔断器、固定可展开抱箍、自锁定展开装置等，实现天线的收拢、固定、释放、展开、锁定一体化设计。本方案具有结构紧凑、质量轻、收纳率高、收拢体积小、成本低等优点，有效减小了发射包络和发射成本，在宇航领域尤其是小型化搭载平台具有广泛的应用前景。

AIS；八木；可展开天线；收纳率

1 引言

随着世界经济一体化的发展，海上商业运输船数量与日俱增，呈现出数量多、密度高、航线拥挤等特点。国际社会对海上船舶检测、识别及跟踪，实现全球海上船舶目标检测与安全救助的应用需求日益迫切。船舶自动识别系统（简称AIS）是一种新型的船舶避碰系统，用于船舶、船岸之间自动应答和识别。AIS主要由船台和岸站系统组成。岸载AIS是一种装备在海洋沿岸的AIS 信号监听装置，其主要功能是实时捕获沿岸海域船舶的AIS信号。AIS信号一般包含船舶静态数据、动态数据、航行、安全等信息[1，2]。

由于受到传播距离的限制，岸载AIS无法覆盖全球海洋船舶的状态信息。与传统岸载AIS相比，星载AIS系统是在传统陆基AIS 的基础上，通过使用低轨小卫星或小卫星星座接收船载AIS站台发出的信号，并将其转发到地面站分析、处理[3]。星载AIS系统可接收大范围乃至全球海域内船舶的AIS 信号，实现国家周边海域乃至全球海域的船舶信息跟踪和实时监控。2003年Wahl和Hoye首次提出星载AIS的概念后，星载AIS系统受到各国高度关注，并取得了快速发展[4]。

AIS天线是星载AIS的重要组成部分，主要功能是接收船舰发射的AIS信号，通过星载AIS接收机获取船-船、船-岸之间的交互信息[1～4]。AIS天线工作频率较低，而天线工作频率越低尺寸越大。由于搭载能力的限制，传统大尺寸天线无法实现在微小卫星平台上的有效搭载，极大限制了载荷在微小卫星平台的应用形式。主要任务是设计一种适用于微小卫星搭载平台的AIS天线。

目前从国外卫星AIS分系统的接收天线来看，天线的样式多种多样，主要采用四分之一波长振子天线、振子阵列天线、螺旋天线、八木天线等，不同形式的天线具有不同性能特点，详见表1。

表1 不同天线方案电性能表

为满足星上AIS分系统对地面舰船AIS信号时序冲突的解算要求，天线的波束宽度需尽可能窄、波束边缘增益需尽可能高，以减小系统侦收AIS信号时序冲突的概率。结合表1中所述几种常用天线，选择八木天线作为AIS天线。

2 方案介绍

图1 八木天线结构示意图

八木天线（Yagi-Uda Antenna）全称“八木宇田”天线，由日本东京大学的八木秀次（Hidesugu Yagi）和宇田新太郎（Shintaro Uda）共同研制。八木天线又称引向天线，采用平行布局。典型的八木天线整体呈“王”字型，由三对振子组成：辐射器（又称有源振子或主振子）、引向器和反射器，如图1所示。辐射器通过馈线和发射机功放输出或与接收机前端输入相连，被馈电后在空中产生电磁波，辐射器位于三对振子的中间；引向器位于辐射器的一侧，可增强接收过来或发射出去的电磁波，长度比辐射器稍短；反射器位于辐射器的另一侧，可削弱接收过来或发射出去的电磁波，长度比辐射器稍长。引向器允许存在多个，其数量多少与方向尖锐、增益高低成正比[3，4]。

对于工作在低频波段的天线尺寸较大，采用八木天线的结构形式后尺寸进一步增大，而星载天线对发射尺寸要求极为严苛，唯有进行可收拢展开设计才能满足星载天线的发射环境要求。

2.1 结构组成

采用三单元八木天线，三单元分别对应反射器单元、辐射器单元、引向器单元，每层单元由呈圆周均布的四根振子组成，三层单元分别固定在中心支撑杆上。由于呈圆周均布的四根振子具有一定尺寸，而天线星上安装位置一般为侧板，为满足天线使用要求，需要借助根部支撑杆将三单元八木天线延伸出侧板一定距离，根据电性能仿真，最终确定八木天线工作尺寸为1020mm×684mm×1066mm，如图2所示。

图2 八木天线工作状态示意图

如图2所示，如不进行收拢设计，这种大尺寸的发射包络无法满足微小卫星的发射条件。因此目标是设计一种满足电性能及微小卫星发射包络要求的可展开八木天线（以下简称天线）。

根据天线的结构形式，将天线设计成三节可展开的形式，展开状态如图2所示，收拢状态如3所示。收拢后天线尺寸为656mm×95mm×160mm，收拢率高达98.7%，大大减小了发射包络。

图3 八木天线收拢状态示意图

天线主要组成为：辐射器、反射器、引向器、支撑杆、展开装置、抱箍、固定释放装置、固定座、卡座及其它结构件等。支撑杆为三单元八木天线的主结构，主结构通过根部支撑杆延伸到卫星外，防止遮挡、干扰其它星上产品以及自身电性能损失；天线振子选用自回弹-锁定柔性材料，既方便折叠收拢又可以自回弹展开；固定释放装置为捆扎固定、熔断释放一体装置，通过捆扎绳捆扎的形式将整个天线保持收拢形态，到达规定轨道后通电熔断捆扎绳将整个天线释放；展开装置为整个天线展开提供驱动力；抱箍及卡座等一方面为支撑杆提供一定的支撑，另一方面又为振子提供限位保持设计时的收拢构型。

2.2 展开规划

天线为三节两次展开，卫星到达指定位置后，一级固定释放装置通电捆扎绳熔断，天线释放，根部支撑杆在一级展开装置的驱动下展开并锁定，一级展开到位后天线状态如图4所示。

图4 天线一级展开到位状态示意图

一级展开到位锁定达到稳定状态后，二级固定释放装置通电捆扎绳熔断，两根支撑杆在二级展开装置的驱动下同时展开并锁定，同时所有振子失去限位在自身弹力作用下展开，此时整个天线完全展开到工作状态，如图2所示。

3 细节设计

3.1 自回弹-自锁定柔性振子

表2 振子参数表 mm

反射器、辐射器和引向器中所用振子均由卷尺材料制作而成[5～8]，卷尺原材料为优质碳素结构钢50，通过特定热处理以及设计卷尺的弧度、厚度、宽度和长度参数，兼顾材料柔性和刚度，既保证振子多次弯折后不断裂，又保证振子弯折后具有足够的自回弹力。由于振子为弧形设计，在材料参数设计合理、刚度足够的情况下，撤除外力（收拢应力）时振子将会稳定到初始形状，完成自锁定。本文中所用振子参数如表2所示。

3.2 固定释放装置

天线引入了两个固定释放装置，固定释放装置由抱箍、熔断器、预紧装置及捆扎绳等组成。两个固定释放装置工作原理一致，以一级固定释放装置为例详细介绍设计过程。

抱箍为可展开结构，由扭簧提供展开力矩，收拢状态在捆扎绳的束缚下抱箍保持闭合状态，此时扭簧处于预紧状态，捆扎绳熔断后，在扭簧的作用力下抱箍展开。抱箍展开角度采用机械限位，最大展开角度为30°，防止展开尺寸太大与周围产品发生干涉。抱箍使用的扭簧最大展开力矩为10kg∙mm，最大展开角度为180°。抱箍收拢和展开状态如图5所示。

图5 固定释放装置示意图

图6 熔断器示意图

熔断器的工作原理是电阻丝通电发热，温度达到捆扎绳的熔点后捆扎绳熔断[9，10]，释放对天线的束缚。熔断器选用新型电阻丝材料，通过S型串联缠绕以及基座的弧形设计增加捆扎绳与电阻丝的接触面积，保证捆扎绳与电阻丝充分接触；电阻丝与供电线通过焊接到焊片上实现导通。熔断器结构如图6所示。

捆扎绳选用高强度低熔点大力马线，熔断温度约为350℃。捆扎预应力通过串联预紧弹簧实现，如图7所示。电阻丝选用铁铬铝电阻丝[11]，直径0.5mm；捆扎绳选用直径1mm的大力马线，供电电压5V、电流2.5A，熔断时间约10s；预紧弹簧最大位移量3mm，最大负载20.9N。

图7 预紧装置示意图

3.3 收拢过程

收拢过程与展开过程相反，收拢时先二级收拢再一级收拢。

3.3.1 二级收拢

通过引入自回弹-锁定柔性振子可以方便实现引向器、辐射器、反射器的收拢。收拢时将振子弯折贴附在对应支撑杆上，其中辐射器和反射器贴附在中间支撑杆上，引向器贴附在端部支撑杆上，如图8所示。由于振子具有自回弹特性，收拢时可借助工装预固定，待整个天线收拢捆扎完后拆除。

图8 八木天线振子收拢后示意图

支撑杆外形弧度设计成与振子弧度一致，收拢状态下振子能够保持自身结构形状不变，保证展开时振子回弹力不损失。展开装置最大展开角度为180°，在0°～180°范围内可自由展开到180°并锁定。收拢时先将两个二级展开装置同时解锁，将天线折叠到图4状态。抱箍内表面为内凹弧形设计，收拢后可以与支撑杆及振子外表面牢固贴合，此时将二级固定释放装置捆扎，完成二级收拢。

3.3.2 一级收拢

二级收拢完成后，解锁一级展开装置将天线折叠180°，折叠时利用卡座的内凹设计将二级固定释放装置及抱箍固定卡住，此时将一级固定释放装置捆扎，整个天线完成收拢。收拢后天线状态如图9所示。

图9 八木天线收拢状态实物图

4 仿真分析

模态分析是检验结构是否稳定的重要依据。采用的有限元分析软件是MSC Patran/Nastran。在不影响整体结构强度的前提下，考虑求解精度和计算量，建立有限元模型时简化了一些零件、特征及连接关系。删除若干小零件，如预紧装置、熔断器、紧固件、接插件、弹簧等，去除零件中不影响结构的倒角和安装孔等细小特征，只保留部分部件主结构，如展开装置、振子固定模块等，简化的零部件质量用质量点代替[12，13]。

将简化后的Pro/E模型导入Patran软件有限元划分，其中振子用壳单元模拟，其余零件用体单元模拟，模型中所有连接简化为刚性连接，如图10所示。

图10 天线有限元模型

图11 天线第一阶模态振型云图（54.4Hz）

图12 天线第二阶模态振型云图（63.7Hz）

图13 天线第三阶模态振型云图（130.4Hz）

固定天线与星体安装面，即固定座、卡座、抱箍底座安装面所有节点，进行模态分析。天线前三阶固有频率分别为54.4Hz、63.7Hz、130.4Hz，天线前三阶模态振型均为天线整体变形，如图11～图13所示。

由仿真结果可知，天线收拢时的固有基频为54.4Hz，远高于一般卫星基频20Hz，结构稳定。

5 结束语

以微小卫星为搭载平台，设计了一种新型高收纳率轻型可展开AIS八木天线。通过引入自回弹-自锁定柔性材料、新型电阻丝熔断器、固定可展开抱箍、自锁定展开装置等，实现可展开天线的一体化设计。

从方案选择、结构设计、收拢展开规划等具体介绍了AIS天线的实现过程。天线收拢后尺寸为656mm×95mm×160mm，收拢率高达98.7%，满足微小卫星发射包络要求；天线收拢状态下基频为54.4Hz，远高于一般卫星基频（20Hz），结构稳定。具有结构紧凑、质量轻、收纳率高、收拢体积小、成本低等优点，在宇航领域尤其是小型化搭载平台具有广泛的应用前景。

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The Novel Design of Space-based AIS Deployable Antenna

Liu Liangyu Zhang Jianjun Chen Yinping Kuang Quanjin Xue Junjie

(Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai 201109)

AIS antennas operate at very high frequency (VHF) often require large dimensions, which is incompatible with microsatellite launch platform. This paper introduces a lightweight and high space compression ratio structure of a deployable AIS Yagi antenna for microsatellite system. The design utilized self-rebounding and self-locking flexible materials, resistance fuse, deployable fixed hoop, self-locking unfolding device, etc. The design developed a novel approach for an integrated, lightweight, high space compression ratio, small launch size and low cost antenna, whose structure can fix, release, unfold and lock, which effectively reduced the launch envelope and launch cost. Furthermore, the design will present a wide aerospace application prospect, especially in microsatellite systems.

AIS；Yagi；deployable antenna；compression ratio

V476

A

刘良玉（1987），工程师，机械设计制造及其自动化专业；研究方向：天线结构设计。

2021-08-14