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收稿日期:2005-07-04;
收修改稿日期:2005-07-28卫星用的集成太阳能电源/天线-S OLANT 寇艳玲
(西北电子设备研究所，西安710065)
摘 要 作为有效实现空间结构轻量化的一种新途径，美国航空航天局和欧洲空间局
都在支持研究和开发将天线和太阳能电池集成在一起的太阳能电源/天线。文章介绍了两种不同类型的集成太阳能电源/天线的结构、性能和一些研究结果。中空玻璃全自动打胶机
主题词 集成电源/天线 卫星天线 太阳能电源
1 引 言
多数卫星通常采用独立分开的太阳能电池和天线，两种器件互相争夺着卫星上十分有限的可利用图1 JP L 开发的集成太阳阵/反射阵表面。如果将太阳能电池和星载天线兼容在一起，那么就可
节省或者高效率地利用卫星上这种宝贵的“不动产”表面。实
现方法就是将两种器件集成在一起，组成集成电源天线。作
为有效实现空间结构轻量化的一种新途径，美国航空航天局
和欧洲空间局等已开展了这方面的研究和实验。由美国航空
航天局支持，喷气推进实验室(JP L )研究了航天器用的一种集
成太阳能阵列的反射阵天线[1]，为21世纪在深空探测器上使
用集成太阳能天线奠定了技术基础。由欧洲空间局支持的一
项研究开发了将裂缝阵列和太阳能电池薄膜集成在一起的电 源/天线[2]
。文章概括地介绍了这两种集成电源/天线的结
构、性能和一些研究结果。2 与太阳能阵列集成的反射阵天线
JP L 研究和开发了航天器用的一种高增益集成化太阳
阵/天线。射频天线选用印刷型微带反射阵，以大量很细的十字型偶极子作为辐射单元。选择反射阵的好处是：反射阵
和太阳阵都是平面型的；反射阵可以置于太阳阵的上面；用一个喇叭照射反射阵，不需要功率分配网络；反射阵和太阳阵的支撑结构可组合在一起，大大减小了收藏体积。最终研制出一种X 波段集成太阳阵/天线，如图1所示。集成结构中天线与太阳阵的组成如下:
天线:
・ X 波段，圆极化，口径为0.5m;
・ 天线由4部分组成：机械支撑结构;X 波段馈电喇叭；含198块硅太阳能电池的太阳阵；含置92006年第4期 空间电子技术S PAC E ELEC TRON I C TECHNOLO GY
于太阳能电池上的408个十字型铜偶极子的聚酰亚胺薄膜(Kap t on );
・ 选择的单元间距适合于太阳能电池尺寸;
・ 用一个口径为0.5m 、厚度为6.5mm 的铝板(经过阳极氧化处理)支撑;
・ 馈电喇叭的HP BW 为39°，边缘锥削为-9dB;
・ 天线的焦径比F /D =0.75。
太阳能阵列(图2)
:
图2 太阳能电池的截面与顶视图
・ 用硅基粘合剂把太阳电池直接固定在经过阳极氧化后的铝板上;
・ 在每块电池上粘接了1.52mm 厚的白玻璃，其作用一方面用于在空间环境条件下保护太阳能电池，另一方面充作反射阵单元的衬底，在太阳能电池和偶极子之间提供必要的纵向间隔；而天线用的铜偶极子被蚀刻在0.05mm 厚的Kap t on 薄膜上，并用硅基粘合剂固定在白玻璃上;
・ 橙Kap t on 薄膜显著减少了入射到太阳能电池上的光强度，在市场上可以批量买到，将来新式集成阵列需采用透光率更高的聚酰亚胺材料。
分析和实验结果表明，在太阳能电池阵上取得了良好的效果。与仅使用防护玻璃时相比，独立用Kap t on 薄膜使电池的电源输出减少约40%，薄膜上加上偶极子后电源输出进一步减少约10%。当然由偶极子阵列造成的能量损失可通过将太阳能电池阵的面积扩大10%，或者将天线直径增加5%来补偿。在天线方面的结果不容乐观，虽然反射阵确实实现了远场相干波束，但测量的天线效率仅为10%，远远低于预期的40%，增益仅为23d B 。对此,JP L 研究组分析认为：若采用光学透明薄膜将大大提高电源输出功率，但是造成低的天线效率的可能原因，一方面因为太阳能电池上的不均匀银珊难以表征，所以未对反射器基板的电气特性尤其是接地板作周详设计；另一个原因在于反射阵单元本身，需要进一步寻理想的单元取代十字型偶极子单元。
3 欧洲空间局支持研制的S OLANT
3.1 S OLANT 概述
钛合金热处理欧洲空间局的研究组把集成太阳能电池阵/天线简称为S OLANT (即Solar Antenna 的缩写)。最初,Tanaka 1M 等人提出了一种用于微型卫星的组合器件，将微带贴片天线组合成高增益阵列，把太阳
能电池置于贴片的上面或周围[3]。为了使天线和太阳能电池之间的相互影响最小，电池尺寸不能大
于贴片尺寸，也不能太靠近贴片，仅仅是将商用太阳能电池邻接在贴片天线上，太阳能电池未能够充01空间电子技术 2006年第4期硬质合金加工
分配置在可利用的表面上，最多只能称为太阳能电池和天线的组合器件。Vaccar o 1S 等人提出了一种较为先进的设计方法[4]，在电磁设计中采用创新型的薄膜太阳能电池来实现紧凑优化的结构，实现
了一种较高级的半集成S OLANT 。但这种结构中的贴片天线边缘仍然存在不允许配置太阳能电池的“热”区域，且整个S OLANT 器件必须至少有4个独立金属层：天线用的贴片和接地基板，太阳能电池
用的前后连接板。后来经过更进一步的研究，又提出了集成度更高的全集成S OLANT [5]，太阳能电池
和天线至少共用一个金属层，这两种功能器件被紧密地结合在一起。在此之后又取得技术上的重要
突破[2]：用裂缝天线代替贴片天线，其接地板可用作太阳能电池“负”集光器阴极；采用先进的可形成任意形状的太阳能电池，把太阳能电池直接沉积在天线的接地板上。全集成S OLANT 实现了天线与太阳能电池更高水平的集成。下面介绍全集成S OLANT 的结构和特点。
3.2 非晶硅(a -S i ∶H)薄膜太阳能电池技术
研究组在验证全集成S OLANT 的原理时，选用了瑞士I M T/Neuchatel 大学开发的非晶硅(a -Si ∶H )太阳能电池。这些电池是薄、轻且具有柔性的薄膜，可被裁剪成任意形状的贴片或阵列，甚至可以共形贴到曲面上。其另一大特点是不包含刚性半导体晶片。它们可以生成在塑料或者玻璃以及不锈钢或铝等金属上。
图3左图示出在塑料薄膜(聚酰亚胺)上的非晶硅太阳能电池侧视图。
图
3 非晶硅太阳能电池截面图和地面用柔性太阳能电池模件
3.3 线极化全集成S OLANT [5]
图4 线极化缝隙S OLANT (a )及天线分解图(b )
如前所述，用裂缝天线代替贴片天线来实现全集成S OLANT 是一大进步。裂缝天线可提供更大的金属表面(接地板)来覆盖或直接生成太阳能电池，形成一种大面积覆盖着太阳能电池的简单的层状结构。图4所示的线极化全集成S OLANT 单元的DC 和RF 功能被紧密结合在一起，共享同一金属层，没有这一共用层，天线和电池都不能工作。
天线接地板是一块金属板，上面有用激光切割成的裂缝，采用特殊的“I ”形裂缝以实现更好的匹112006年第4期 寇艳玲：卫星用的集成太阳能电源/天线-S OLANT
配(S 11)。太阳能电池直接沉积在接地板上，然后接地板粘接在介电常数为4.4的0.8mm 厚的环氧树脂基板上，接地板同时用作太阳能电池直流电的集光器。图4(a )是这种线极化全集成S OLANT 基本方块图，图4(b )是天线分解图。
图5 圆极化裂缝S OLANT
为了简化电池的化学沉积，采用了不锈钢接地
板。由于铜原子会扩散到硅层中，对硅层的涂覆有
负面影响，所以不能用作太阳能电池的基板，采用不
锈钢就不会出现这样的问题。另外，合理加工的不
锈钢接地板具有非常光滑的表面，对太阳能电池的
沉积很重要。从天线角度看，不锈钢的传导率比铜
的要低。实验测量表明选择不锈钢接地板较铜接地
板，天线的增益约降低0.65～0.85d B 。
3.4 圆极化裂缝S OLANT
采用更复杂的裂缝来实现圆极化，把太阳能电
池制造成中间带有十字交叉裂缝的形状，见图5和
图6(a )。用相对于十字裂缝45°的传输线激励来获
高增益天线
得圆极化。调节十字裂缝中每个分支的长度可产生
在一些中间频率上,
激励的模具有等幅度和90°的相移。图5所示的这种圆极化单元带宽窄，但只需非常简单的馈电电路。
馈线上的开口短线用于调节圆极化单元频率以达
图6 带十字裂缝的太阳能电池模件(a )和圆极化S OLANT 的裂缝和馈线尺寸(b )
图7 欧洲空间局支持研制的S OLANT 2I V ，采用4×2SSF I P 平面天线阵
到最佳匹配。图6(b )给出了十字裂缝和馈
线的精确尺寸。天线被制作在一块U ltrala m
2000基板(介电常数为2.485，厚度为0.
76mm )上，距馈线10mm 处同时配置了一个
桥梁同步顶升后反射器。通过对比实验表明，圆极化裂缝
S OLANT 的S 11模和轴比性能及天线增益与没
有太阳能电池的同种圆极化裂缝天线相比,
几乎没有多大差异。
3.5 S OLANT 单元的应用
[6] 采用上述S OLANT 单元开发了图7和21空间电子技术 2006年第4期
图8所示的S OLANT 实物模型。
图7中S OLANT 2Ⅳ中的天线采用4×2SSF I P (带状裂缝泡膜反向贴片)平面天线。由太阳能电池组件向一个集成放大器供电。9组太阳能电池串联在一起，提供0.1W 的5V 工作电压。
图8中的S OLANT 2Ⅵ应用上述圆极化S OLANT 单元制成6×1天线阵，总尺寸为42c m ×95c m ×
1.2c m ，相控阵具有15°的波束倾斜，采用了集成MM I C 放大器,6组太阳能电池输出为821mW (122mA,7V )。表1比较了6×1裂缝阵在不同频率上带和不带太阳能电池时的增益值，加上太阳电池后的天线增益变化低于1d B
。
图8 欧洲空间局支持研制的S OLANAT 2V I，采用6×1天线阵
表1 6×1裂缝阵天线带和不带太阳能电池的增益值比较频率/GHz
3.83.893.91带太阳能电池时的增益/d B
11.69.710.6不带太阳能电池时的增益/d B 11.09.89.3
4 结束语
目前，国外机构正在对集成太阳能电源/天线作进一步的研究和实验。创新型太阳能电池的出现和微波器件集成度的提高为两种功能器件的完全集成提供了可能。已获得的研究与实验结果证明了将太阳能电池和天线集成在一起的可行性。由于可以有效减小航天器的尺寸，减小其质量和降低造价，无论在大型航天器还是众多的小卫星中,S OLANT 都具有诱人的应用前景。例如，可将集成S O 2LANT 包覆在自旋卫星表面的大型圆柱体上，每块集成器半工半休地对着太阳或者地球，天线的副阵列不在同一时间内馈电，但电气馈电网络允许相对于卫星自旋进行连续的波束旋转。
另外，还可将S OLANT 推广用于地面通信系统中。例如，作为屋顶瓦片同时用作电源和卫星电视接收，用于独立的移动电话、报警系统、海面浮标、集装箱跟踪等。
高建军高级工程师在百忙中审阅了全文，并给予许多重要修改和有益的指导，在此表示衷心的感谢!
参考文献
1 Za wadzkiM ,Huang J.An RF antenna integrated with a s olar array for s pacecraft app licati on .I EEE I nternati onal Confer 2
ence on Phased A rray Syste m s and Technol ogy ,M ay 2000(下转第61页)312006年第4期 寇艳玲：卫星用的集成太阳能电源/天线-S OLANT
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