问题描述

空间天线是航天器的千里眼及顺风耳，新一代卫星对星载天线提出了更大尺寸、更高性能天线的迫切需求。阵列天线具有波束灵活、抗干扰能力强等特点，是未来空间天线技术的重要发展方向，在空间微波遥感、雷达、通信以及空间电站无线能量传输等领域有着广泛的发展前景。

阵列天线的性能直接与天线有效口径相关，天基SAR等任务往往需要数十平米以上，甚至上千平米的阵列天线。但是由于火箭上行包络的限制，以传统刚性材料为主要结构的阵列天线，面临重量重、收拢包络尺寸大等一系列困难，极大的限制了星载大型和超大型阵列天线的在轨应用。而薄膜技术是解决上述问题的有效手段，薄膜天线具有面密度低、收拢体积小、展开方式灵活和成本低等优点，容易实现更高面质比的阵列天线，已成为国内外星载天线领域的研究热点及难点。星载薄膜阵列天线的开发，面临高性能材料、高效率传热和芯片化微波组件等一系列工程难题，已成为制约我国星载阵列天线发展的关键问题。

问题背景

薄膜阵列天线是星载微波遥感载荷的关键设备。目前，在轨应用的星载雷达天线主要包括网状可展开抛物面天线和刚性平板阵列天线两类，网状可展开抛物面天线具有重量轻和收纳比高的优点，但很难实现波束的灵活切换和扫描。刚性平板阵列天线可以实现波束扫描灵活，但受重量和收拢体积限制，很难做到上百平米以上。随着材料技术、展开技术和柔性芯片的发展，下一代天基薄膜阵列天线是相控阵天线发展的必然趋势，其核心是以柔性薄膜为主要结构的新型高面质比天线。采用高导热复合薄膜，其面密度比现有技术降低近一个数量级，达到2kg/m2以下，展开面积达到数千平米，同时采用柔性高效芯片化电子模块及多功能网络，极大增强载荷系统能力。

由于需要紧凑收拢并在轨展开，柔性薄膜阵列天线需要从天线总体设计出发，综合进行天线的机电热优化设计。为保证结构高可靠收拢展开，需引入多柔体动力学分析技术，对折叠展开方案进行优化设计。面向高收纳比需求，还需从新材料新技术方面突破高效柔性T/R组件等柔性电子技术等。

最新进展（截止问题发布年度）

基于薄膜天线重量轻、收拢体积小等优点，大口径柔性薄膜天线近年来成为研究热点，尤其是薄膜阵列天线受到关注与重点研究。

美国2003年提出了GESS计划，旨在形成由4颗LEO +3颗GEO平面阵列天线组成的星座组网，均工作在L频段。LEO有源阵列天线口径13.5m×3.5m，GEO有源阵列天线口径30m，采用柔性薄膜结构，面密度小于2kg/m2。

JPL实验室开发了柔性膜T/R模块及有源阵列天线，工作在L波段，由三层膜结构组成，上面一层为微带贴片及带耦合槽口的金属化地层，中间一层为微带馈线及T/R RF电路，下面一层为DC电源走线和控制线走线，T/R模块的开关、移相器、驱动级、功放、低噪放等全部为MMIC，通过微组装将它们合理布局连接到一起，避免耦合产生振荡。

同时美国也已研制了多种展开方式的柔性平面阵列天线样机，其中较典型的一种是所谓的电影幕布式的展开方式。收拢时像电影幕布一样卷绕起来，展开时像电影幕布一样伸展。这种天线结构主要由薄膜、可展开的框架结构、绳索支撑系统组成。可展开的框架结构在发射时折叠起来，入轨后展开成工作状态。

加拿大CAL公司提出了可展开双层膜技术以满足星载SAR对地观测所需的大口径天线方案，要求这种天线具有发射时收拢后有较小的体积、较轻的质量。天线结构由三层薄膜组成。上层是天线的微带贴片阵，中间层是“地”，下层是功分网络和微带传输线。微带线与辐射单元之间用称作“Zoned Bootlace”传输线馈电。加拿大空间局也开始研发了C频段薄膜SAR天线，并进行了实验研究。

我国柔性薄膜阵列天线起步较晚，与国外存在较大差距。国内在这方面研究较多的主要有航天504所、中电14所、浙江大学等单位。航天504所成功研制了柔性轻型SAR天线原理样机研制，采用刚性框架、柔性薄膜、分布式馈电技术方案，增大了扫描范围和波束灵活性、降低了T/R组件输出功率、实现了轻量化。中电14所在柔性TR和微波电路进行了探索性研究。浙江大学在薄膜张拉、展开与收拢等方面开展了建模仿真研究。

多年以来，国内外各研究单位在星载薄膜阵列天线进行了大量的理论研究和地面试验，但尚未在轨工程应用，面临的关键难点和主要挑战包括：

1）柔性薄膜阵列天线机电热综合设计方法和高性能材料技术

由于整个柔性阵列天线尺寸巨大，研究过程涉及到多学科高度交叉与融合，在研究中将面对一系列新的挑战，需要在结构、电气及热设计中达到平衡。机电热综合设计的关键是高刚度、低膨胀复合材料和基于薄膜的高效传热技术。传统的薄膜材料一般为聚酰亚胺等轻质材料，热膨胀系数大，模量低，会带来在轨热变形太大、薄膜松弛起皱等问题，造成天线性能恶化或无法使用，因此需要提出纤维薄膜复合等新方法，开发高模量、低热膨胀系数等高性能轻质材料。同时，安装与薄膜上的收发TR组件和电源等模块是集中热源，其正常工作需要的工作温度环境要求薄膜的高效散热技术需结合纳米材料和微流通道等技术，革新目前传统的热控方法。

2）全柔性薄膜天线结构空间动态力学行为及控制方法

薄膜柔性阵列天线需要具备较高收纳比，在轨通过分布式动力源进行可靠展开。有别于以往刚性结构，柔性天线在轨展开时具有大变形、非线性等特点，引入当前动力学最新的多柔体动力学分析技术，建立准确的全柔性薄膜天线空间力学行为模型，并开展仿真分析，为天线展开收拢设计提供依据。同时，不同于以往柔性天线动力学建模分析技术，全柔性天线与卫星平台耦合严重，建模和仿真分析需要进行一体化考虑，且以全柔性天线为主体，结构存在大量的非线性问题，其动力学分析已难以采用传统的中心刚体加柔性附件的形式进行分析，需要建立新型全柔性航天器在轨动力学模型，评估柔性天线卫星特性，并支撑控制系统设计。

3）基于柔性结构的薄膜电子器件和射频控制供电一体化设计方法

柔性电子射频系统是指能弯曲、能拉伸，具备可延展柔性，可以与飞行器任意部位的良好贴附的柔性射频系统。柔性印制板可以实现电路的轻、薄、短、小化，适应天基雷达柔性TR组件的应用需求，与传统微电路的微带线结构和尺寸相比，微带线的导体厚度与介质厚度处于同一量级，但高分子基底极易变形且不耐高温，直接在高分子基底上进行天线阵辐射单元和馈电网络的制备面临许多挑战，包括如何实现由辐射单元、微带馈电网络构成的结构的可延展柔性化，如何保证可延展柔性体系下射频信号的可靠传输，如何进行制备，并保持工艺稳定性等。通过小型化及柔性化工作，研究适用于柔性雷达天线的新型/柔性电子元器件，解决柔性器件、柔性电路在大型薄膜天线上的应用问题。

重要意义

综上所述，现有阵列天线波束灵活性、尺寸、重量间不可兼顾，柔性薄膜阵列天线技术将跨过目前国外正在攻关的多功能结构技术方案，直接瞄准未来全柔性、高收纳比、高性能和轻质的新型薄膜阵列天线技术战略制高点，实现我国星载阵列天线的跨越式发展。

通过攻关天基大型柔性薄膜天线关键技术，完成工程化研究，直接支撑我国空间技术的快速发展，为保障国家核心利益安全，实现航天强国起到重要推动作用。同时，在民用和商业卫星领域的应用对于促进我国的经济和社会长足发展也具有重大的经济价值。