航天器天线工程设计技术：可重构天线的应用与优势

实现极化可变，其需求是提高抗干扰能力，基本方法是用开关网络切换，实现圆极化/线极化的变换；反之，也可以实现线（垂直）线（水平）的变换。

对于以上天线可重构方法，实际上在通信卫星Intelsat V以后的卫星均有涉及，只不过没有具体提及该术语，天线的C频段区域波束均有100个左右的馈源阵实现不规则大陆区域的“等增益”，加上转发器的增益可调节（一般为6 dB），可以实现该区域的EIRP的调整变化，以实现区域增强的用户需求。

20世纪90年代伦敦大学的Queen Mary学院的Clarricoats等人在ESA的支持下，对反射面的方向图可重构天线进行了十年的研究，并搭载在欧洲通信卫星Eutelsat-2的后继卫星上使用。近十几年ESA的欧洲技术中心（ESTEC）、欧洲的Thales公司、美国的洛马（LM）公司空间部、日本的NHK科技实验室均投入不少力量对卫星的可重构天线进行深入研究。

Clarricoats等研究的可重构天线，其基本原理是用大量的激励器改变反射面的形状，实现动态的赋形反射面，从而达到方向图的可重构。它的样机为直径0.85 m的偏置抛物面网状天线，选用镀金的钼丝网面，采用52个激励点，每个激励点一个脉冲的步长变化为0.025 mm，天线工作在10 GHz，其结构如图12-1所示，方向图重构效果如图12-2所示。

2011年，西班牙Cataluny大学的Rodrigo与美国Utah大学的Damgaci等人提出在辐射阵列单元附近增加寄生单元的可重构天线方案，每个寄生单元由非常小的网格加电子开关组成，通过改变电子开关的电压，改变寄生单元的参数，从而实现方向图的变化。天线结构如图12-3所示。该方案的样机测试可以改变10%的工作频带及±30°的方向图变化，其样机的频率与方向图典型重构图如图12-4所示。

图12-1　英国伦敦大学可重构反射面天线

（a）结构示意；（b）天线样机

图12-2　反射面重构前后的H面方向图（实线为测量）

（a）重构前；（b）重构后

图12-3　Cataluny大学寄生单元可重构天线

图12-4　典型的频率与方向图重构图

（a）中心频率9 GHz；（b）中心频率10 GHz

北京空间飞行器总体设计部研发了一种可重构天线，超宽带紧耦合阵列，通过对馈电网络的开关控制，实现天线的工作频率、方向图的变化。其实物如图12-5所示，方向图可在1～5 GHz内实现±45°内的重构，阻抗（驻波比）在此带内可达2以内。

图12-5　超宽带紧耦合阵列天线的实物(www.xing528.com)

（a）辐射孔径；（b）馈电网络

欧洲的Thales公司的格里高利反射面重构天线如图12-6所示，工作在Ku频段，方向图重构效果如图12-7所示。

图12-6　欧洲的Thales公司的重构天线

图12-7　欧洲的Thales公司天线重构前后的方向图

（a）重构前；（b）重构后

日本的可重构天线方案为用相控馈源阵实现波束的变化，达到区域增强的目的，其样机产品为直径1.8 m的格里高利抛物反射面（图12-8），工作在21 GHz，用32个馈源对日本国土赋形。

该天线采用了功率加权与相位加权两种变化来实现正常的区域通信与小区域增强（3 dB）的功能，其实测方向图如图12-9所示。从图中可看出，正常波束全日本边缘增益36 dB，本岛增益40 dB；重构后，全日本边缘增益仍然为36 dB，重点区域增益43 dB，该天线较好地实现了设计目标。

图12-8　日本可重构通信卫星天线

图12-9　日本通信卫星可重构天线实测方向图

（a）正常波束；（b）小区域增强波束

图12-10　加载二极管的可重构超表面分析模型

可重构超表面的研究始于20世纪90年代，Parker等在无源超表面中加载了PIN二极管（图12-10），以切换超表面在特定频段内对入射电磁波的透射与反射。近年来一些学者针对可重构超表面的反射幅度/相位可调特性，将可重构超表面与天线相结合，实现了天线的波束扫描和波束宽度控制。可重构超表面作为电磁学研究领域内一个新兴的课题，国内的研究起步较晚，但近年来发展较快。例如，徐金平研究了具有对电磁波入射角度和极化方式不敏感的PIN二极管加载的可重构超表面及其在雷达吸波材料中的应用。江建军对应用于雷达吸波材料的可重构超表面的工作机理及设计方法进行了研究，实现了利用PIN二极管偏置电压来动态调节吸波性能的吸波结构。张谅研究了基于变容二极管加载可重构超表面的全向电扫描天线。戚开南等研究了利用遗传算法对PIN二极管加载的可重构超表面的优化设计。

卫星可重构天线的发展主要靠市场需求推动，其所用的技术理论基础比较成熟，而所用器件较新，如MEMS、微型电动机、高度集成的接收模块等，但近几年也取得了巨大的进步，因此卫星可重构天线发展属于需求牵引、集成创新，且主要面对的市场为通信与广播卫星。特别是作为地面移动通信的补充，卫星通信在沙漠、戈壁、海洋、南北极等人烟稀少的地区具有较大优势，但从成本考虑，这些区域不可能设计成全时覆盖，因此可重构天线是首选方案，该种天线是扩大卫星市场的又一利器。