航天器天线设计技术：展开式螺旋天线

对于需要高增益的应用，如接收船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）信号，可采用展开式螺旋天线，一般选择单绕螺旋或四臂螺旋形式。

螺旋天线在发射阶段被压缩成较小的体积，入轨后通过自身弹性或展开机构展开到所需的长度，实现高增益。L频段的可展开螺旋天线示例如图8-15所示。

图8-15　L频段的可展开螺旋天线

（a）压紧收拢状态；（b）展开状态

以AISat卫星为例（图8-16），卫星主载荷是AIS信号接收设备。AIS可以在船舶之间交换导航、位置、识别信息，确保全球海上交通安全可控。采用高增益螺旋天线，螺旋线直径为0.57 m，需要7～8匝螺旋线，可以获得良好的方向性，便于提高分辨率，准确接收遇险船只的搜救信号。

图8-16　AISat卫星

对照天线长度（4 m）和卫星体积，在发射阶段，天线必须具有非常高的压缩比，天线收拢长度约10 cm，如图8-17（a）所示。卫星入轨后，天线依靠自身弹性完全展开，螺旋上的细绳索拉伸到所需长度，以确保正确的螺距，如图8-17（b）所示。

图8-17　AISat卫星螺旋天线

（a）收拢状态；（b）展开状态

天线金属丝的内芯采用碳纤维管和硬质泡沫的“三明治”结构，提供所需的弹性模量和刚度，直径为7～8 mm。如图8-18所示，外部包覆镀锡铜线编织的柔性外套，提供所需的导电性能，并且不影响展开过程。(www.xing528.com)

图8-18　AISat卫星螺旋天线编织外套

开展了螺旋天线零重力展开试验，试验装置如图8-19所示。

采用飞机飞行抛物线形成零重力环境，每次有22 s的零重力时间。释放机构解锁后，天线能够自动平稳地展开到长度为4 m、直径为0.57 m的设计状态，试验照片如图8-20所示。

图8-19　AISat卫星螺旋天线零重力展开

（a）压紧收拢状态；（b）释放展开状态

图8-20　AISat卫星螺旋天线零重力展开试验照片

零重力试验表明：

1）螺旋天线收拢压紧/释放展开的概念，像压紧弹簧一样伸展，是合理可行的。

2）合理设计芯线刚度，适当控制金属套阻力，螺旋天线能够平稳展开到设计长度，满足电磁性能的要求。

3）螺旋天线展开运动方向受释放装置的作用力分布影响，高质量的释放装置（稍微带一点阻尼）能够使展开过程成为平直运动。