国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

高通量/甚高通量通信衛(wèi)星多波束天線饋源陣列先進(jìn)制造技術(shù)研究 ①

2021-03-01 09:46王旭東萬(wàn)繼響汪新剛范鐵軍
空間電子技術(shù) 2021年6期
關(guān)鍵詞:饋源饋電波束

王旭東,萬(wàn)繼響,張 堅(jiān),李 靜,汪新剛,范鐵軍

(中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院,西安 710000)

0 引言

高通量(high throughput satellite,HTS)/甚高通量(very high throughput satellite,VHTS)通信衛(wèi)星較常規(guī)通信衛(wèi)星在通信容量上得到數(shù)十倍乃至百倍的提升,使用戶隨時(shí)隨地享受衛(wèi)星高速信息服務(wù),并大幅降低單位通信容量的實(shí)現(xiàn)成本,因而成為國(guó)際通信衛(wèi)星發(fā)展的熱點(diǎn)技術(shù)。HTS/VHTS衛(wèi)星的核心載荷為Ka頻段及更高頻段如Q/V頻段的多波束天線[1],高頻段具有可用帶寬寬、天線增益高、波束窄(便于多波束頻率復(fù)用覆蓋)的優(yōu)點(diǎn),結(jié)合頻率復(fù)用及跨洲際的大范圍覆蓋能力,成為衛(wèi)星通信容量提升的最主要的原因,如我國(guó)2017年發(fā)射的首個(gè)HTS衛(wèi)星中星-16號(hào)搭載的Ka多波束天線,波束數(shù)量26個(gè),衛(wèi)星通信容量為20 Gbps,超過(guò)了我國(guó)此前所有在軌工作通信衛(wèi)星通信容量的總和,2020年發(fā)射的亞太-6D通信衛(wèi)星,采用了90個(gè)波束的Ku多波束天線,成為亞太地區(qū)首個(gè)通信衛(wèi)星容量達(dá)到50 Gbps的HTS衛(wèi)星,而國(guó)際上2020年由法國(guó)TAS公司研制的Konnect VHTS衛(wèi)星多波束天線技術(shù)已經(jīng)支持單星0.5 TGbps級(jí)別數(shù)據(jù)吞吐量,基于多波束天線技術(shù)的超大容量Viasat-3衛(wèi)星的容量可達(dá)1 TGbps,該衛(wèi)星預(yù)計(jì)在2022年發(fā)射[2-4]。

與通信容量相關(guān)的天線設(shè)計(jì)參數(shù)包括頻譜效率、波束帶寬及波束數(shù)量等,其中前兩者與多波束天線類型、工作頻率、覆蓋區(qū)增益、C/I等關(guān)系較大,而波束數(shù)量的增加主要通過(guò)增加饋源數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn),這就意味著更重及更大的饋源陣列,因而對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)承載、火箭運(yùn)載能力也提出了更高的要求。為此,小型化、集成化、輕量化的饋電及饋源陣列設(shè)計(jì)制造技術(shù),成為天線能力能否在HTS/VHTS通信衛(wèi)星得到最大限度發(fā)揮的關(guān)鍵因素之一。

近年來(lái)精密制造加工、3D增材打印技術(shù)的快速發(fā)展,為多波束天線饋電產(chǎn)品的制造加工提供了新的思路和解決方案,使原需剖分設(shè)計(jì)加工的復(fù)雜饋電產(chǎn)品一體化成型成為可能。一體化成型的饋電產(chǎn)品避免了連接法蘭和相關(guān)緊固件的應(yīng)用,可在很大程度上減少多波束天線饋源陣列的包絡(luò)尺寸和重量,同時(shí)連接面的減少可改善因接觸非線性引起的互調(diào)產(chǎn)物,有效提升饋電產(chǎn)品的無(wú)源互調(diào)性能,這些對(duì)于星載多波束天線都具有非常重要的意義。然而當(dāng)前先進(jìn)的制造技術(shù)同樣在制造加工方面有其限制條件和弊端,以往常規(guī)的饋電部件構(gòu)型也更適應(yīng)于傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝方法,為了適應(yīng)先進(jìn)制造技術(shù)的要求,饋電產(chǎn)品設(shè)計(jì)同樣需要研究新的結(jié)構(gòu)形式。文章對(duì)多波束天線饋電技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)梳理,針對(duì)新型制造加工技術(shù)的需求,提出了器件級(jí)乃至部件級(jí)可行的設(shè)計(jì)解決方案,為后續(xù)新型先進(jìn)制造技術(shù)進(jìn)入星載多波束天線饋電產(chǎn)品制造領(lǐng)域提供了設(shè)計(jì)思路和發(fā)展方向。

1 多波束天線及其饋源陣列技術(shù)

應(yīng)用于HTS/VHTS通信衛(wèi)星反射面機(jī)制的無(wú)源多波束天線技術(shù)路線主要可分為兩種:?jiǎn)勿佋磫尾ㄊ?single feed per beam,SFB)多波束天線技術(shù)和多饋源單波束(multi-feed per beam,MFB)多波束天線技術(shù)。

1.1 SFB多波束天線技術(shù)

即每個(gè)收發(fā)波束由一個(gè)獨(dú)立的收發(fā)共用饋源照射反射面而形成,要求收發(fā)共用饋源在較小的徑向包絡(luò)內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)寬帶收發(fā)信號(hào)的分頻和分極化,便于陣列應(yīng)用。

為滿足HTS/VHTS衛(wèi)星通信應(yīng)用必須的高帶寬、多頻段、多極化的需求,一般饋電系統(tǒng)均采用了Ka/Q/V頻段多頻多極化設(shè)計(jì),類似的設(shè)計(jì)同樣也是MFB多波束天線合成多波束饋源部件的基礎(chǔ),有很高的通用性和適配性。

常規(guī)的雙頻雙極化饋電部件工作原理圖如圖1所示,不同極化的收發(fā)信號(hào)通過(guò)多端口耦合樞紐實(shí)現(xiàn)頻率、極化的分離,發(fā)射信號(hào)經(jīng)低通濾波器通過(guò)耦合樞紐的四臂合成饋入喇叭,接收信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合樞紐的直通口進(jìn)入接收端口,收發(fā)頻段圓極化通過(guò)隔板圓極化器來(lái)實(shí)現(xiàn)。該類型饋電系統(tǒng)具備多功能高集成度的特點(diǎn),結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

(a)雙頻雙極化饋源組件原理圖

其中多端口耦合樞紐為雙頻、雙極化饋電部件頻率分解耦合的關(guān)鍵部件,文獻(xiàn)[5-9]有詳細(xì)的論述。目前最常見(jiàn)的耦合設(shè)計(jì)主要為E面耦合、H面耦合,如圖2所示。

相較H面耦合,E面耦合在直角拐彎后徑向包絡(luò)尺寸更具小型化的優(yōu)勢(shì),因而2015年后,中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院HTS/VHTS通信衛(wèi)星多波束天線饋源產(chǎn)品均采用了E面耦合設(shè)計(jì)。

(a)E面耦合樞紐

1.2 MFB多波束天線技術(shù)

MFB方案中,每個(gè)波束可單收單發(fā)、也可收發(fā)共用。通過(guò)數(shù)個(gè)輻射單元按照特定的激勵(lì)系數(shù)進(jìn)行合成后照射反射面形成,相較SFB方案,MFB方案最大的優(yōu)點(diǎn)是可將反射器數(shù)量由3~4副減少為1~2副,可在相同的衛(wèi)星平臺(tái)布局更多的天線,從而增加了天線波束數(shù)量;MFB方案需要復(fù)雜的波束形成網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射單元的特定激勵(lì),饋源陣列存在部分輻射單元共用的情況,因而波束形成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)將更加復(fù)雜。

目前國(guó)際上已公開(kāi)發(fā)表應(yīng)用成果的為德國(guó)ADS公司的7饋源合成饋源陣列(Medusa型)[10-11]以及法國(guó)TAS公司的4饋源(Quads型)合成饋源陣列[12]。分別如圖3、圖4所示。

(a)7饋源合成多波束饋源陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型

圖4 4饋源合成多波束饋源陣列(Quads型配置)

1.2.1 Medusa饋源陣列

Medusa饋源陣列主要由喇叭、矩圓過(guò)渡、波束形成網(wǎng)絡(luò)等部件組成,基于收發(fā)分開(kāi)機(jī)制及復(fù)雜波束形成網(wǎng)絡(luò)的理念,將大量的無(wú)源功分移相器件集成到了波束形成網(wǎng)絡(luò)中。該類型合成多波束饋源陣列主要難度在于波束形成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)、幅相激勵(lì)系數(shù)優(yōu)化以及高復(fù)雜度、集成度的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需要大量時(shí)間優(yōu)化饋電腔體與分層式結(jié)構(gòu)聯(lián)接螺釘位置的優(yōu)化布局。設(shè)計(jì)難度上升的同時(shí)也大幅降低了饋源組件的復(fù)雜度,其開(kāi)放式的分層結(jié)構(gòu)用常規(guī)的高精度銑削、電火花加工即可滿足零件級(jí)的尺寸精度控制要求。

Medusa型饋源陣列由于相同極化波束共用輻射單元,波束間受扼米正交條件(hermitian orthogonality condition)約束,波束激勵(lì)相位無(wú)法最優(yōu),而且隨著波束數(shù)量的增多網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳季衷O(shè)計(jì)難度極其巨大,因而設(shè)計(jì)上波束數(shù)量不宜超過(guò)50,更適宜用于多任務(wù)混合HTS通信衛(wèi)星任務(wù)。

1.2.2 Quads型饋源陣列

Quads型MFB饋電部件前端仍為典型的雙頻雙極化的饋電設(shè)計(jì),為了進(jìn)一步減小單個(gè)饋電部件徑向包絡(luò)尺寸,發(fā)射端口由四臂耦合改為雙臂耦合,后端采用無(wú)源波束合成網(wǎng)絡(luò)(beam forming network,BFN),極化波束間通過(guò)圓極化器或3 dB電橋雙輸入端口將與自身極化正交的端口交予相鄰波束進(jìn)行連接和形成波束,即同極化波束合成網(wǎng)絡(luò)間是獨(dú)立的,因而不受扼米正交條件約束,具有較高的設(shè)計(jì)自由度。Romier等[13]對(duì)不同SFB、MFB配置的多波束天線方案進(jìn)行了比較研究,Quads型4饋源合成方案交疊效率、輻射效率最高,獲取相同波束數(shù)量時(shí)所需饋源在MFB架構(gòu)中最少,成為有潛力支持TGbps吞吐量VHTS應(yīng)用的多波束天線技術(shù)。

然而TGbps的實(shí)現(xiàn)同樣依賴饋電陣列的小型化和集成化設(shè)計(jì)以及先進(jìn)的制造工藝技術(shù)。減少饋電部件剖分所必須的法蘭及連接緊固件等輔助性結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模饋源陣列需要解決的問(wèn)題,否則超大波束數(shù)量帶來(lái)的較高的集中質(zhì)量和包絡(luò)尺寸對(duì)于輕量化要求嚴(yán)格的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)同樣是巨大的挑戰(zhàn)。圖5給出了TAS公司從Quads型饋源陣列2012年首次設(shè)計(jì)與截止到2018年的設(shè)計(jì)進(jìn)化變化對(duì)比圖,可以看出饋源的小型化設(shè)計(jì)、集成化加工均取得了技術(shù)突破,為后續(xù)VHTS衛(wèi)星的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),因而饋源陣列集成化的加工制造技術(shù)也成為未來(lái)VHTS衛(wèi)星應(yīng)用的熱點(diǎn)和核心技術(shù)的重要組成部分。

圖5 緊湊結(jié)構(gòu)Quads型4饋源合成多波束饋源陣列發(fā)展歷程

2 多波束天線饋源陣列設(shè)計(jì)與制造技術(shù)

應(yīng)用于多波束天線的多頻段多極化饋電部件構(gòu)成較復(fù)雜,結(jié)合高頻段的應(yīng)用,加工精度要求較高(尺寸誤差±0.02 mm),設(shè)計(jì)時(shí)通常需要對(duì)饋電部件腔體進(jìn)行剖分,如圖6所示的雙圓極化雙工器等復(fù)雜組件,剖分后開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)將大大降低機(jī)械加工難度,常規(guī)的數(shù)控銑削和電加工便可滿足精度要求。然而剖分式設(shè)計(jì)需要增加連接法蘭及相應(yīng)的緊固件,饋電部件的包絡(luò)尺寸和重量都會(huì)有所增加,對(duì)于設(shè)計(jì)目標(biāo)百Gbps以上的HTS/VHTS通信衛(wèi)星,增加的結(jié)構(gòu)重量和包絡(luò)尺寸成為波束數(shù)量增加的極大障礙。

(a)K/Ka頻段雙圓極化雙工器整體設(shè)計(jì)剖分示意

為了解決上述問(wèn)題,國(guó)際上已經(jīng)致力于將一些先進(jìn)的制造方法應(yīng)用到星載天線饋電部件的制造過(guò)程。典型的技術(shù)包括:去緊固件連接技術(shù)(fastener-free feedchains)、3D打印技術(shù)、電鑄技術(shù)等,可以整體成型并最大程度減少剖分法蘭連接。其中電鑄技術(shù)雖然可以滿足高精度一體化成型的需要,但由于流動(dòng)較好的電鑄銅材料重量較重,因而更多用于太赫茲天線饋電部件的加工,本文不再論述。

2.1 去緊固件連接饋電部件

去緊固件連接饋電部件的概念由MDA(MacDonald Dettwilerand Associated Ltd.)公司[14]提出,同樣面向多波束天線中典型的多頻多極化饋電部件的加工制造過(guò)程,創(chuàng)新設(shè)計(jì)在于正交模耦合器的耦合端口采用了反向耦合架構(gòu)[15](reversed-turnstile configuration)設(shè)計(jì),直通口為低頻發(fā)射端口,較常規(guī)圖3所示的設(shè)計(jì)方法,饋電結(jié)構(gòu)上有以下特點(diǎn):

1)高頻接收的四臂耦合結(jié)構(gòu)設(shè)置在低頻直通端口四周,徑向尺寸明顯縮小,重量相應(yīng)降低。

2)如圖7所示,為實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻接收端口的隔離,低頻直通發(fā)射端口設(shè)置了雙模低通濾波器,結(jié)構(gòu)復(fù)雜度有所提升,但常規(guī)的電加工可實(shí)現(xiàn)整體加工。同時(shí)高頻接收四臂耦合端口自身即可實(shí)現(xiàn)低頻信號(hào)的隔離,無(wú)須增加額外的濾波器,加工復(fù)雜度大大降低,可以通過(guò)增加工藝開(kāi)口,與直通端口部位一次成型,機(jī)加完成后再使用蓋板焊接封閉工藝開(kāi)口。

3)發(fā)射信號(hào)不經(jīng)過(guò)較小間隙的耦合口,可承受更高的發(fā)射功率。

圖7 反向耦合樞紐原理圖

通過(guò)反向耦合設(shè)計(jì),在徑向包絡(luò)尺寸減小的同時(shí),耦合樞紐的成型難度大大降低,結(jié)合高精度定位的釬焊技術(shù),使得包含喇叭、耦合樞紐、3 dB電橋或隔板圓極化器的去緊固件一體式饋電結(jié)構(gòu)成為可能。MDA公司在OneWeb星座項(xiàng)目上將去緊固件式饋電部件成功應(yīng)用于圖8(a)所示的三頻Ka/Q/V的關(guān)口站饋電部件的研制中,重量降低50%;圖8(b)所示的Ka頻段關(guān)口站饋電部件重量小于 850 g,輻射效率優(yōu)于97%,交叉極化隔離度、旁瓣電平等指標(biāo)也達(dá)到預(yù)期。

(a)Ka/Q/V三頻關(guān)口站饋源組件(MDA)

2.2 3D打印技術(shù)

金屬3D打印增材制造技術(shù)(additive manufacturing technology,AMT)對(duì)于零部件一體化成型有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì):復(fù)雜零部件可在不增加成本的前提下整體成型;整體打印結(jié)構(gòu)無(wú)需裝配過(guò)程,縮短了研制周期;一體化的整體緊湊結(jié)構(gòu)在包絡(luò)尺寸與重量上的較大優(yōu)勢(shì)等。因而3D打印技術(shù)與航天制造領(lǐng)域的低成本、低重量、短周期等要求高度契合,表現(xiàn)出重要的發(fā)展價(jià)值和應(yīng)用潛力。金屬3D打印增材制造技術(shù)主要包括:選區(qū)激光燒結(jié)(selective laser sintering,SLS)、直接金屬粉末激光燒結(jié)(direct metal laser sintering,DMLS)、選區(qū)激光熔化(selective laser melting,SLM)、激光近凈成型(laser engineered net shaping,LENS)、電子束選區(qū)熔化(electron beam selective melting,EBSM)等技術(shù),其中SLM技術(shù)由于采用了較高的激光能量密度和更小的光斑直徑,具有成型精度高的優(yōu)點(diǎn)[16],因而更多被用于星載天線增材制造研究中。

目前國(guó)外在微波/毫米波器件制造中均已開(kāi)展了3D打印技術(shù)的研究,比如部件級(jí)的波導(dǎo)、正交模耦合器和圓極化器等,但未來(lái)3D打印技術(shù)的發(fā)展仍需在大規(guī)模饋源陣列上取得突破,比如Airbus 公司2019年公布了基于3D技術(shù)的18組Ku頻段收發(fā)共用饋源陣列結(jié)構(gòu)[17],如圖9所示。每組饋電部件均由喇叭、方圓過(guò)渡、OMT和波導(dǎo)組成,打印材料為鋁合金(AlSi10Mg),尺寸包絡(luò)391 mm×392 mm×305 mm,零件尺寸精度0.05~0.08 mm,表面粗糙度Ra5~10 μm,重量2 270 g,相比于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造方法,質(zhì)量減輕約80~90%。

圖9 3D打印增材制造技術(shù)加工的Ku頻段接收發(fā)射饋源陣

通過(guò)上面的例子同時(shí)可以看出,目前3D打印主要還集中在饋電部件級(jí)產(chǎn)品的制造加工,包括ADS的饋源陣列打印產(chǎn)品,也屬于結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單雙頻正交極化饋源陣列,如要打印前面章節(jié)提到的相同結(jié)構(gòu)的雙頻雙極化的饋電部件,基于以下因素,仍然很難實(shí)現(xiàn):

1)3D打印增材制造的制造性質(zhì)要求打印的產(chǎn)品必須有支撐結(jié)構(gòu),如波導(dǎo)類型的矩形腔體的上表面為空腔結(jié)構(gòu)無(wú)法打印(必須傾斜或者底部增加支撐才具備打印條件),對(duì)以腔體為主要結(jié)構(gòu)的饋電部件來(lái)說(shuō),3D打印難度極大。

2)打印金屬粉末顆粒度較大,目前最常見(jiàn)的饋電部件金屬打印材料,如EOS公司A1Sil0Mg Speed 1.0平均粒徑為30 μm[18],打印完的內(nèi)腔粗糙度約在7 μm左右,難以滿足粗糙度Ra1.6,加工精度±0.02~0.03 mm的要求,一般需要饋電內(nèi)腔進(jìn)行二次精加工或者磨粒流拋光處理。

對(duì)于因素一,首先要對(duì)饋電部件進(jìn)行電氣原理的適應(yīng)性革新設(shè)計(jì),減少類似平行打印設(shè)備的空腔結(jié)構(gòu),必須使用矩形空腔結(jié)構(gòu)的部位可以考慮設(shè)計(jì)成自支撐結(jié)構(gòu)(self-supporting structure),滿足3D打印的工藝要求。

前文提到的雙頻段、雙極化的饋電部件(如圖3所示)主要由喇叭、正交模耦合器(包括耦合樞紐等分頻關(guān)鍵器件)、低通濾波器、極化合成器、隔板圓極化器等組成。針對(duì)不同的組成部件、器件,國(guó)外已經(jīng)進(jìn)行了較多的研究和探索,由于多波束天線的賦形喇叭3D打印[19]過(guò)程較易實(shí)現(xiàn),同時(shí)喇叭為開(kāi)放式結(jié)構(gòu),打印后的二次加工,如機(jī)加、玻璃流拋光(glass bead blast)[20]也同樣非常便利,因此喇叭結(jié)構(gòu)不作為文章論述重點(diǎn),文章主要從器件級(jí)的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行總結(jié)論述,給出適用于3D打印工藝實(shí)施的解決方案。

2.2.1 多端口耦合樞紐

正交模耦合器對(duì)于高頻應(yīng)用是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的器件,其中的關(guān)鍵部位為耦合樞紐,如圖10所示。國(guó)內(nèi)常用的設(shè)計(jì)為同軸探針耦合和脊波導(dǎo)耦合兩種方式,一般在輸入口采用脊波導(dǎo)耦合樞紐,在合成口采用探針耦合樞紐,對(duì)于耦合樞紐軸線垂直的打印狀態(tài)來(lái)說(shuō),合成口的同軸耦合樞紐呈現(xiàn)無(wú)支撐狀態(tài),無(wú)法打印制造。

(a)同軸探針耦合樞紐

Bhutani等[21]對(duì)基于3D打印制造的耦合樞紐進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)了一種隔板式耦合樞紐,高頻信號(hào)可以通過(guò)耦合樞紐,對(duì)低頻進(jìn)行隔離,隔板設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上均在矩形腔體的四壁,尺寸較小,底部可形成較好的支撐結(jié)構(gòu),電氣結(jié)構(gòu)及3D打印試件示意圖如圖11所示。

(a)隔板式耦合樞紐

2.2.2 低通濾波器

國(guó)內(nèi)星載天線低通濾波器設(shè)計(jì)多采用膜片式結(jié)構(gòu),膜片結(jié)構(gòu)一般采用平行設(shè)計(jì),在3D打印結(jié)構(gòu)中難以實(shí)現(xiàn),因此也發(fā)展了帶有自支撐結(jié)構(gòu)的低通濾波器,膜片呈現(xiàn)>30°的斜角,為打印的逐層堆積設(shè)置了底部的支撐基礎(chǔ),更便于成型,如圖12所示。Peverini等[22]將該設(shè)計(jì)應(yīng)用到6階3D打印Ku低通濾波器的研究中,并制作了基于鋁合金(AlSi10Mg)、鈦合金(Ti6A14V)、鋼(Steel)、樹(shù)脂材料(ABS)的低通濾波器,尺寸精度達(dá)到了0.04~ 0.07 mm,回波損耗在12.5~15 GHz頻帶內(nèi) ≤-25 dB,隔離度在17.5~21.2 GHz內(nèi)≥49 dB,取得了比較好的電性能測(cè)試結(jié)果。

(a)常規(guī)低通濾波器

Pons-abenza等[23]基于增材制造技術(shù),提出了基于3D賦形腔體(3D shaped cavity)設(shè)計(jì)的濾波器,其結(jié)構(gòu)形式如圖13所示,該濾波器在10.55~ 11.05 GHz頻帶內(nèi)回波損耗優(yōu)于-18 dB,性能與典型的膜片濾波器相當(dāng),而3D賦形腔體的形式更適合增材制造技術(shù)。

圖13 3D賦形腔體式濾波器

對(duì)于更為常見(jiàn)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu),自支撐結(jié)構(gòu)的構(gòu)型同樣有借鑒意義,Abe等[24]對(duì)適用于3D打印的Ka頻段波導(dǎo)進(jìn)行了研究,對(duì)波導(dǎo)內(nèi)腔自支撐角度進(jìn)行了仿真計(jì)算,得出結(jié)論:在自支撐角度θ小于45°時(shí),TE10模較直角設(shè)計(jì)沒(méi)有明顯的區(qū)別。在此基礎(chǔ)上提出了一種適合3D打印的六邊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu),并將此設(shè)計(jì)理念應(yīng)用到波導(dǎo)耦合器設(shè)計(jì)中,如圖14所示。值得一提的是,圖8所示的ADS打印的18波束Ku頻段饋源陣列在波導(dǎo)設(shè)計(jì)上使用了五邊形的構(gòu)型,即對(duì)于較易成型的底面采用了平面構(gòu)型,與六邊形的一脈相承。

(a)6邊形波導(dǎo)截面圖

基于六邊形構(gòu)型設(shè)計(jì)的耦合器也完成了3D打印試制,較常規(guī)機(jī)加方法重量和成本分別降低了40%和66%,雖然打印精度的問(wèn)題導(dǎo)致差損增加了0.15 dB,但仍然證明了六邊形的設(shè)計(jì)以及3D打印的制造方法行之有效。

波束形成網(wǎng)絡(luò)同樣屬于波導(dǎo)腔體結(jié)構(gòu),以最為復(fù)雜的Medusa網(wǎng)絡(luò)中的一層結(jié)構(gòu)為例,如圖15所示,流線型的波導(dǎo)腔體(無(wú)直角彎折)本身已經(jīng)形成了良好的支撐,無(wú)支撐的耦合樞紐同樣可以考慮采用6邊形的自支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,因而可以進(jìn)行相應(yīng)結(jié)構(gòu)的電氣仿真分析評(píng)估3D打印的可行性。

圖15 Medusa合成饋源分層結(jié)構(gòu)

通過(guò)上述分析,直接打印完整的饋電部件甚至整組的多波束饋源陣列技術(shù)途徑上是存在可能性的,但目前金屬3D打印技術(shù)還存在著表面粗糙度差,尺寸精度較低的缺點(diǎn)。具體實(shí)施上,也可以考慮先部件打印,再通過(guò)二次加工完成整體裝配的方案??紤]到ABS材料打印較金屬打印可實(shí)現(xiàn)更好的表面粗糙度(最好可達(dá)到Ra1.6)和尺寸精度(±0.05 mm),同時(shí)重量更輕,ABS材料3D打印結(jié)合內(nèi)腔表面鍍銅的工藝方案國(guó)外也做了很多的研究,目前的難點(diǎn)在于復(fù)雜表面鍍銅的工藝實(shí)現(xiàn)以及饋電部件在軌高低溫條件下覆銅層的附著力,因此仍需進(jìn)一步的研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 結(jié)論

對(duì)HTS/VHTS通信衛(wèi)星SFB、MFB多波束天線技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和梳理,并針對(duì)當(dāng)前的先進(jìn)制造技術(shù)的特點(diǎn)和制約條件,給出了典型SFB、MFB多波束天線饋電組件及饋源陣列器件級(jí)、組件級(jí)的設(shè)計(jì)、加工解決思路和途徑,為后續(xù)先進(jìn)加工技術(shù)在星載多波束天線饋電部件加工制造中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。同時(shí),新型的制造技術(shù),如3D打印技術(shù)等,仍然需要進(jìn)一步的發(fā)展,解決加工精度等瓶頸問(wèn)題,為我國(guó)下一代VHTS通信衛(wèi)星大規(guī)模陣列整體成型技術(shù)提供更有力的支持。

猜你喜歡
饋源饋電波束
多點(diǎn)漸變饋電雙極化微帶輻射單元的研究
星載大型高精度饋源陣抗熱變形優(yōu)化設(shè)計(jì)
小尺寸超高頻RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)
電磁軌道炮饋電方式分析及耦合仿真研究
一種雙頻嵌套衛(wèi)星通信天線設(shè)計(jì)?
基于共形超表面的波束聚焦研究
強(qiáng)干擾背景下水中微弱信號(hào)的垂直陣波束形成研究
60 GHz無(wú)線通信系統(tǒng)中臨近波束搜索算法研究
超波束技術(shù)在岸基光纖陣中的應(yīng)用
“動(dòng)中通”衛(wèi)星天線的饋源優(yōu)化設(shè)計(jì)
塔河县| 比如县| 高安市| 凌云县| 镇平县| 吉林省| 达日县| 翁源县| 岫岩| 平舆县| 贵定县| 白山市| 铜梁县| 晋州市| 南通市| 山东省| 郑州市| 陆川县| 郁南县| 石渠县| 章丘市| 广灵县| 额敏县| 宜宾市| 长兴县| 石景山区| 屏边| 文山县| 黄石市| 昌平区| 沙坪坝区| 惠安县| 深泽县| 南雄市| 称多县| 武平县| 盐亭县| 洛南县| 凯里市| 筠连县| 长垣县|