天线仿真与设计 | 新型充气太空天线将有望提高瞄准性能

本文原载于Ansys Advantage：《Inflatable Space Antennas Improve Their Aim》

球形天线原型（图片由FreeFall Aerospace提供）

对于整个航天行业来说，以最有效的方式在太空收发数据，最大限度降低重量、功耗、复杂性与成本，是一直以来面临的首要挑战之一。

FreeFall Aerospace位于亚利桑那州图森市，是从亚利桑那大学(University of Arizona)独立出来的技术公司。该公司开发了一种新型天线，有望以独特的方式解决这一挑战。FreeFall采用充气结构，可以装在小型卫星内，并部署在太空中。此结构提供了一个大型孔径，与传统天线系统相比，可以在极低质量与功耗的情况下传输或接收海量数据。FreeFall天线本质是一个半透明半金属化的气球，可捕获无线电信号，以实现高效通信。反射器采用球形而非抛物线形，可以实现极低风险的部署，因为球形是大多数充气物体的自然形状。由此得到的系统能够以现有解决方案几分之一的尺寸和成本提供高速率的数据通信。

充气太空天线提高其瞄准性能（图片由FreeFall Aerospace提供）

FreeFall工程师已广泛运用Ansys HFSS全波电子仿真来分析该系统的性能并进行精细设计，而无需进行成本高且耗时的硬件实验。

该公司通过Ansys初创公司计划获得HFSS，该计划使初创公司能以较大折扣的价格获得仿真软件。Ansys精英渠道合作伙伴Phoenix Analysis and Design Technologies (PADT)指引FreeFall团队加入Ansys初创公司计划，建立FreeFall与Ansys的合作伙伴关系。

FreeFall Aerospace联合创始人、总裁兼首席执行官Doug Stetson表示：“我无法想象，如果没有Ansys HFSS这样的工具，我们公司或任何类似的公司如何能够做到这一点。我想，在过去您可能需要反复构建和测试，但是要构建不同类型的天线，对其进行测试，并调整其物理设计以获得所需性能，这需要投入大量的时间。我们现在能够使用HFSS在虚拟环境下完成所有工作，从而节省了大量时间和资金。这对于我们这样的公司十分有益。”

球形天线的对称性是FreeFall技术的关键。

FreeFall射频设计工程师Terrance Pat在Walker指导下获得博士学位，他表示：“对称性本质上为球形提供了无限数量的方向，您可以瞄准波束。”无需实际转动航天器或天线即可有效控制无线电波束的能力是FreeFall方法的关键点之一。HFSS能够对相位和振幅等各种量进行快速网格划分和参数化调整，为天线仿真与设计提供高效的流程。

Pat指出：“Ansys使确定正确网格的流程在一定程度上实现了自动化。因此，这就和设计天线并定义合适的边界条件一样简单。10次中约有9次都可以使用自动确定的默认网格划分。”

Pat表示，在仿真天线时他使用替代计算方法来节省时间，例如积分方程(IE)法，该方法使用积分而不是FEM来求解大量方程，以及基于几何光学的弹跳射线(SBR)法。

Pat称：“当您有一个大型电气的反射器时，可以把反射器上的场冲击近似成基本平行的几何光线。这样您就可以使用光线跟踪从反射器获得散射场。在这些情况下使用SBR的优点是GPU占用小。您可以使用显卡来加速计算，这确实很有帮助。”

目前，充气反射球形天线处于原型阶段，多家感兴趣的潜在客户正在关注FreeFall公司的进展。Stetson发现，HFSS仿真结果是让这些潜在客户了解情况的关键。

Stetson表示：“我们不仅将HFSS用于设计中，也用于与客户的沟通中。为了满足他们的需求，他们对无线电波束输出的类型提出了特定规范。我们必须向他们证明，我们设计的系统将符合这些规范，因此HFSS的输出非常重要。我们可以用图形的方式，准确地向客户展示我们的设计能为他们提供怎样的性能。”

球形天线部署的三个阶段（图片由FreeFall Aerospace提供）

FreeFall Aerospace正与图森的Rincon Research以及亚利桑那大学的学生合作，开发CatSat项目（以“亚利桑那大学野猫队”命名）。CatSat是一个6U立方卫星，由美国宇航局立方卫星发射计划任务选定，计划于2022年中旬飞行。它旨在演示FreeFall的充气球形反射器技术并开展一系列科学实验，所有实验均由亚利桑那大学学生和教师主导。

Stetson称：“这将非常令人振奋。有幸参加全亚利桑那州的太空飞行任务，亲眼见证我们的技术成功运用，我们深感自豪。”