【产品大爆炸】小天线大能量 | 安装伞状天线，立方星也能遨游火星
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新的天线将把立方星带到火星甚至更远的外太空
通过将大型天线安装在小型卫星内，JPL工程师正在使空间科学试验变得越来越便宜
这篇文章刊载在2018年2月的印刷杂志上
文章原标题《A Mighty Antenna From a Tiny CubeSat Grows.》
关于作者
Nacer E. Chahat 是加利福尼亚州帕萨迪纳喷气推进实验室的高级工程师。
BG5WKP朱轶 编译
2014年11月的一个早晨，美国加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进实验室（JPL）的同事Kamal Oudrhiri揣着一个有趣的项目冲进了我的办公室，这个项目是参与第一颗飞向火星的立方体卫星的设计工作。这颗卫星将与美国国家航空航天局的“火星着陆器”一起飞行，并将在着陆器的关键入口、下降和着陆期间实时地将数据传回地球。 “必须达到每秒8千比特，而且我们的能力有限。唯一的希望是设计一个大天线，“Oudrhiri解释说。 “哦，卫星本身只有公文包的大小。”
绘制：John MacNeill
没有什么像火星卫星那样矮小，它们属于一个叫做“立方星”（CubeSats）的类别，比低地球轨道卫星走得更远。天线在卫星发射期间将被收起，仅占据约830立方厘米。此后入轨不久，它将展开到卫星本身的三倍大小。它必须经历1.6亿公里的飞行才能到达红色星球，包括发射的强烈振动和太空的辐射和极端温度。那有多难？
幸运的是，我和同事们都喜欢挑战，有机会将CubeSat技术推向极限是我们一直追求的。这些小型航天器已经成为研究人员和创业者进行地球成像和监测的首选。与传统卫星相比，它们相对便宜，体积小，重量只有几公斤，可以在几个月内准备好发射，而不需要准备一个标准的航天器。随着时间的推移，CubeSats可以携带的车载传感器和处理器已经成为摩尔定律在电子领域的先进技术的受益者，它们变得更加强大和精密，重量更轻，更节能。
RainCube的雨伞：小型RainCube卫星的雷达天线折叠成一个10×10×15厘米的滤毒罐。 展开后，其30根肋条延伸如伞，形成一个小的抛物面，足以在热真空室中进行测试。照片：JPL / NASA
但是CubeSat的小尺寸在通信方面可能是一个巨大的任务。特别是要配备足够大的天线以满足高数据速率或高分辨率雷达的要求，因此，这些小卫星一直限于地球轨道，无法将科学前沿推进到我们自己星球的周围。如果我们能够想出一个方法来装备一个强大的高增益天线的CubeSat，那么将开辟巨大的研究和探索新空间的机会。地球轨道立方体卫星终于可以开始做基于雷达的科学实验，如测量风和降水。而高数据率的天线使得CubeSats可以冒险出去探索太阳系。
在经过几年的努力之后，JPL的天线团队终于以两种不同的方式解决了这个问题。在一个被称为立方体雷达的项目中，我们设计了一个可展开的天线，一旦卫星到达轨道，它就会像伞一样打开。在另一个名为Mars Cube One（MarCO）的项目中，我们将在5月份发射一个从CubeSat表面展开的平面天线。我们的成功使得美国宇航局开始考虑这些微小的平台，这些平台曾经被认为只有一个大型的传统卫星才有可能实现。我们的天线技术也获得了多家商业空间公司的专利和授权。
立方星不是唯一的小卫星，但是它们是最适应性最强的，受到了最广泛关注。立方星基本就是一个10厘米的立方体，最多只有一公斤重。一个单位”的立方体可以根据需要连接在一起，常见的变化是从3、6或12立方体组合卫星。
斯坦福大学和加利福尼亚理工州立大学的工程师最初在1999年开发了CubeSats，作为向学生介绍设计、制造、发射和操作卫星的实践过程的一种方式。此后，CubeSat子系统的种类繁多，已经成为专门任务的多功能工具。
最重要的是，这些立方星可以很快组装。在JPL，我们从设计交付到装配和测试设施用10到12个月就完成了，而不需要花费三年或更长的时间。
当然，一个重达数千公斤的传统卫星可以携带更多的仪器，而不是一个微小的CubeSat罐头。但对于具有特定目标的任务来说，CubeSats可能是一个便宜而有吸引力的选择。更重要的是，发射CubeSats立方星将提升飞船的时间分辨率，使他们能够比大型航天器更频繁地遥感同一地区。在我们的新天线的帮助下，RainCube和MarCO的任务不仅可行，而且非常明智。
天线工程师：开发RainCube天线的喷气推进实验室团队包括Jonathan Sauder（衬衫）和Nacer E. Chahat。照片：JPL / NASA
顾名思义，RainCube就是用来观看天气的。它的雷达将帮助美国航天局研究降水，改善天气预报模式。美国宇航局的科学家计划发射这样的卫星以获得比单个大卫星提供的更好的时间分辨率。
这种小巧的雷达飞行器只有谷物盒的大小（CubeSat说法中的“6U”）。电源系统，计算机，控制系统以及其他一切必须装入那个盒子里。就像任何一盒麦片一样，它需要有安放雷达设备的空间。通过一些巧妙的工程，RainCube的主要研究人员Eva Peral设法简化了雷达仪器并将其缩小了一个数量级。尽管如此，到了其他所有东西都被挤进去的时候，雷达和天线只留下了四分之一的空间。
卫星将通过抛物面天线发送和接收雷达信号。主盘将信号反射到一个称为副反射器的装置上，该副反射器将把它们引导到“feedhorn”，并从那里进入卫星的雷达电路。在450-500公里的高空，RainCube的雷达将探测飞过的云层，因此需要半米宽的天线才能达到10公里宽的雷达覆盖范围。然而，在发射之前，天线需要折叠成10×10×10cm的罐。雷达工作频率为35.75千赫，意味着反射镜必须精确配置，使其形状偏离完美不超过200微米。
显然，我们有一些艰难的设计挑战需要克服。经过一番激烈的头脑风暴之后，由Jonathan Sauder，Mark Thomson，Richard Hodges，Yahya Rahmat-Samii和我组成的RainCube天线团队确定了一个有点像雨伞的天线方案。考虑到可用的空间容量，这种方法是最简单的解决方案。
当一把雨伞打开时，伞骨向外延伸并拉伸织物直至绷紧。 RainCube的天线的工作方式也是一样的：在部署过程中，一系列的伞骨将天线拉成正确的形状来发送和接收信号。
这种形状的精度和精确度取决于伞骨的数量。如果我们只用三根伞骨，绝对的最小值，就会创造一个三面金字塔，而无数的伞骨理论上会创造一个完全准确的抛物面。但增加更多的伞骨也增加了部署过程中发生错误的可能性。
我们最终确定30根是RainCube的最佳伞骨数量。这足以提供足够精确的表面，同时保持部署失败的风险小得可以接受。为了进一步提高雷达天线系统的整体精度，工程师们设计了副反射器，以考虑30根伞骨天线的形状（包括与理想值的微小偏差），并正确聚焦雷达。副反射器的这种调谐将天线的效率提高了6％，这相当于雷达信噪比提高了12％。
这不仅是天线的形状必须重新思考。在可展开结构中，同轴电缆是从喇叭天线到卫星主体的射频信号的常见选择。但是在RainCube使用的Ka波段频率下，电缆会失去太多的信号。所以JPL的工程师们设计了一个由信号传播的中空金属管构成的波导馈电，当天线的其余部分沿着它滑动并展开时，信号将继续传播。
RainCube的雨伞设计很巧妙，但对于任何机电系统而言，空间是一个充满挑战的环境。天线在发射过程中将承受剧烈的振动，以及轨道上的巨大温度变化，对于内部组件，因为CubeSat移入和移出地球表面，通常为温度范围在-20°C至85°C之间。在那里，甚至一个小部件的故障都可以导致整个任务失败，这点，美国宇航局的工程师们都很清楚。
RainCube的天线与伽利略探测器上的18伞骨的高增益天线有明显的相似之处，但是再1991年并没有部署。我们在这里有一个优势。与伽利略的4.8米宽的天线不同，RainCube的小巧，可以在真空室内进行测试，所以我们能够在各种条件下进行模拟试验。事实上，在第一次振动测试之后，其中一根肋骨没有展开，团队在单一的弹簧中发现了一个设计缺陷。在我们重新设计这部分后，天线通过了所有的测试。现在已经准备好发射了，这可能会在今年五月份开始。这次任务的使命将是一个分水岭事件，为整个科学实验星座携带科学实验进入地球轨道开辟了道路。
来自火星的信息：双胞胎MarCO CubeSats [底部]将于今年五月向火星发射，他们将把数据从InSight着陆器发回到1.6亿公里外的地球。 卫星使用称为反射阵列的平面天线，其表面被模仿成抛物面天线，将信号集中到地球。 Marco天线团队[左上]包括Richard Hodges，Joseph Vacchione，Phillip Walkemeyer，Savannah Velasco，Vinh Bach和Emmanuel Decrossas。照片：JPL / NASA
很难想象像CubeSat那样微小和复杂的东西能幸存于行星际空间的空隙中。不过，我们预计今年将有两台公文包大小的CubeSats诞生。双胞胎火星立方体（MarCO）立方星将首先进入太空，并在5月份发射时与美国国家航空航天局的InSight着陆器一起飞行。这些CubeSats在十一月到达红色星球火星，将帮助登陆器和NASA在地球上的深空网络进行实时通信。他们将与自2006年以来一直围绕这个星球运行的火星侦察轨道器（MRO）一起工作。
MarCO立方体卫星被设计用来从InSight的入口，下降和着陆中使用可展开的UHF环形天线接收数据。然后，每颗卫星的软件定义无线电将以更高的X波段频率重新传输数据，将行星际空间的1.6亿公里行程的信号返回地球。其中一个70米深的太空网络天线将接收数据。鉴于CubeSat无线电的射频输出功率有限，微型卫星的天线需要33.5×60厘米的孔径以建立每秒8千比特的可靠无线电链路。
理想情况下，MarCO CubeSats会有像RainCube那样的抛物面天线，但是这里没有足够空间。这个小组只有飞船有效载荷量的4％，而我们的解决方案不得不少于一公斤。就好像这还不够令人生畏，我们只能使用CubeSat的一面。 MarCO紧凑的时间表 - 从天线开发到飞船整合的九个月 - 意味着我们没有时间去设计定制零件。所以我们需要一个简单的设计，尽可能依靠现成的零件。
我们制造了一个称为反射阵列的平面天线，它由三部分组成，从航天器侧面翻出，并在弹簧铰链的作用下打开。当面板从飞船的主体上翻转时，天线喇叭口也会弹出，在现成的连接器周围旋转。我们在天线的平面上加上了一个反射图案，以便模仿抛物面天线并将信号集中在地球的方向上。
当MarCO发射时，他们可能将第一反射阵列带入太空深处。如果任务成功，我们可以看到更多的这样的CubeSats履行类似的角色。例如，现在，来自火星探测器和着陆器的数据通过更大的航天器（例如MRO）传回地球。未来的CubeSats可以绕着火星进入轨道，并以更低的成本帮助中继数据。
RainCube和MarCO将使用的天线可能比他们特定任务中所要求的要多得多。事实上，我们的团队已经在基于相同原理的大型可部署天线上工作。接下来是一米反射阵列（OMERA）天线，这是一个1米长的方形反射阵列。我们相信这样的天线可以用于深空通信以及更高分辨率的类似RainCube的轨道器。
对于CubeSats和其他小型卫星来说，这是一个令人兴奋的时代，还有更多的未来。 “探索任务1”是美国宇航局替代航天飞机的第一个计划航班，将承担13个CubeSat立方星任务。有的会去月球，有的会去太空其他地方，但是所有这些小宇宙飞船都有一个共同点：它们都拥有能够支持大科学的小天线。
source:https://spectrum.ieee.org/aerospace/satellites/new-antennas-will-take-cubesats-to-mars-and-beyond
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