新型充氣太空天線將有望提高瞄準性能

連接天線

FreeFall Aerospace成立于2016年，由亞利桑那大學天文學教授兼FreeFall聯(lián)合創(chuàng)始人Chris Walker基于無線電望遠鏡創(chuàng)新技術而創(chuàng)建。當Walker在太赫茲無線電天文學領域的研究顯然可以在通信衛(wèi)星技術領域實現(xiàn)重大應用后，Walker與美國宇航局噴氣推進實驗室的具有30年資深科研經(jīng)驗的Stetson合作，共同推進這項技術實現(xiàn)商業(yè)化。

Stetson表示：“我們力爭成為連接科學領域的專家，這是整個航天行業(yè)的一個主要研究領域。所有這些應用都需要能夠在太空中和圍繞地球，實現(xiàn)點對點、人與人的大量數(shù)據(jù)傳輸。兩點之間傳輸?shù)拿恳稽c數(shù)據(jù)都要經(jīng)過天線，因此開發(fā)新型高效天線系統(tǒng)，對于商業(yè)和政府項目的成功至關重要。”

對于整個航天行業(yè)來說，以最有效的方式在太空收發(fā)數(shù)據(jù)，最大限度降低重量、功耗、復雜性與成本，是一直以來面臨的首要挑戰(zhàn)之一。

FreeFall Aerospace位于亞利桑那州圖森市，是從亞利桑那大學(University of Arizona)獨立出來的技術公司。該公司開發(fā)了一種新型天線，有望以獨特的方式解決這一挑戰(zhàn)。FreeFall采用充氣結構，可以裝在小型衛(wèi)星內(nèi)，并部署在太空中。

此結構提供了一個大型孔徑，與傳統(tǒng)天線系統(tǒng)相比，可以在極低質量與功耗的情況下傳輸或接收海量數(shù)據(jù)。FreeFall天線本質是一個半透明半金屬化的氣球，可捕獲無線電信號，以實現(xiàn)高效通信。反射器采用球形而非拋物線形，可以實現(xiàn)極低風險的部署，因為球形是大多數(shù)充氣物體的自然形狀。由此得到的系統(tǒng)能夠以現(xiàn)有解決方案幾分之一的尺寸和成本提供高速率的數(shù)據(jù)通信。

FreeFall工程師已廣泛運用Ansys HFSS全波電子仿真來分析該系統(tǒng)的性能并進行精細設計，而無需進行成本高且耗時的硬件實驗。

該公司通過Ansys初創(chuàng)公司計劃獲得HFSS，該計劃使初創(chuàng)公司能以較大折扣的價格獲得仿真軟件。Ansys精英渠道合作伙伴Phoenix Analysis and Design Technologies (PADT)指引FreeFall團隊加入Ansys初創(chuàng)公司計劃，建立FreeFall與Ansys的合作伙伴關系。

FreeFall Aerospace聯(lián)合創(chuàng)始人、總裁兼首席執(zhí)行官Doug Stetson表示：“我無法想象，如果沒有Ansys HFSS這樣的工具，我們公司或任何類似的公司如何能夠做到這一點。我想，在過去您可能需要反復構建和測試，但是要構建不同類型的天線，對其進行測試，并調整其物理設計以獲得所需性能，這需要投入大量的時間。我們現(xiàn)在能夠使用HFSS在虛擬環(huán)境下完成所有工作，從而節(jié)省了大量時間和資金。這對于我們這樣的公司十分有益?！?/p>

仿真球形天線

球形天線的對稱性是FreeFall技術的關鍵。

FreeFall射頻設計工程師Terrance Pat在Walker指導下獲得博士學位，他表示：“對稱性本質上為球形提供了無限數(shù)量的方向，您可以瞄準波束?！睙o需實際轉動航天器或天線即可有效控制無線電波束的能力是FreeFall方法的關鍵點之一。HFSS能夠對相位和振幅等各種量進行快速網(wǎng)格劃分和參數(shù)化調整，為天線仿真與設計提供高效的流程。

Pat指出：“Ansys使確定正確網(wǎng)格的流程在一定程度上實現(xiàn)了自動化。因此，這就和設計天線并定義合適的邊界條件一樣簡單。10次中約有9次都可以使用自動確定的默認網(wǎng)格劃分?！?/p>

Pat表示，在仿真天線時他使用替代計算方法來節(jié)省時間，例如積分方程(IE)法，該方法使用積分而不是FEM來求解大量方程，以及基于幾何光學的彈跳射線(SBR)法。

Pat稱：“當您有一個大型電氣的反射器時，可以把反射器上的場沖擊近似成基本平行的幾何光線。這樣您就可以使用光線跟蹤從反射器獲得散射場。在這些情況下使用SBR的優(yōu)點是GPU占用小。您可以使用顯卡來加速計算，這確實很有幫助?！?/p>

Ansys HFSS用于工程和銷售

目前，充氣反射球形天線處于原型階段，多家感興趣的潛在客戶正在關注FreeFall公司的進展。Stetson發(fā)現(xiàn)，HFSS仿真結果是讓這些潛在客戶了解情況的關鍵。

Stetson表示：“我們不僅將HFSS用于設計中，也用于與客戶的溝通中。為了滿足他們的需求，他們對無線電波束輸出的類型提出了特定規(guī)范。我們必須向他們證明，我們設計的系統(tǒng)將符合這些規(guī)范，因此HFSS的輸出非常重要。我們可以用圖形的方式，準確地向客戶展示我們的設計能為他們提供怎樣的性能。”

FreeFall Aerospace正與圖森的Rincon Research以及亞利桑那大學的學生合作，開發(fā)CatSat項目（以“亞利桑那大學野貓隊”命名）。CatSat是一個6U立方衛(wèi)星，由美國宇航局立方衛(wèi)星發(fā)射計劃任務選定，計劃于2022年中旬飛行。它旨在演示FreeFall的充氣球形反射器技術并開展一系列科學實驗，所有實驗均由亞利桑那大學學生和教師主導。

審核編輯：劉清