从“鹊桥”大口径伞状天线 看中国星载天线成长史

1月3日，嫦娥四号探测器成功软着陆月球，月球背面迎来人类第一个软着陆探测器。在嫦娥四号成功着陆背面的背后有一个值得一提的“功臣”——“鹊桥”中继卫星。

深空探测任务中难度最大的就是如何确保远距离数据通信链路的可靠建立，实现航天器和地面的实时通信联络，这也是世界各国都在致力解决的深空探测关键核心技术。而月球背面的通信问题一直是困扰人类登陆月球背面不可逾越的“鸿沟”，通过发射中继卫星为航天器和地球搭建天地通信链路，是一种较为常见的做法。

“鹊桥”是我国首颗，也是世界首颗地球轨道外专用中继通信卫星。作为数据中转站，它能够实时的把在月面背面着陆的嫦娥四号探测器发出的科学数据第一时间传回地球。

人类深空探测任务史上最大口径通信天线

中继星“鹊桥”上架设了一副展开后口径达近5米的伞状天线，这是人类深空探测器历史上携带的最大口径通信天线，它为“鹊桥”和地球之间铺设了一架宏伟的高速桥梁，让遥远的星地距离变为大道通途，每时每刻将宝贵的科学数据从广邈的外太空实时送达地球。

为了实现和保障“鹊桥”中继功能的顺利实现，研制人员给它配备了多副天线。其中，大口径伞状天线是最关键的一副，它直接指向月球，将与今年要发射的嫦娥四号探测器对接，不仅要将地面的测控指令说给探测器听，还要听清楚探测器给中继星说了些啥。伞天线，顾名思义，像一把伞一样，在中继星与火箭分离一段时间后，这把“伞”就打开了，这把“伞”在太空中需要经历严酷的考验。嫦娥四号中继星在浩瀚的太空中还会经历一段没有光照的阴影区，阴影区的温度是-200℃左右，最冷的地方将达到-230℃，在如此严寒下，伞天线全身都“冻僵了”。为了让它从“冻僵”的状态中恢复过来，研究院的设计师们做了包括力学、热学等不计其数的试验，有效保障了伞天线能够克服严酷环境。

下面和小编一起来了解空间天线以及中国星载天线的成长史。

天线，是我们日常生活中很常见的一种通讯设备装置，在我们头顶上的那片神秘太空，也有天线的存在。这些天线主要装在卫星、飞船等航天器上，用于航天器与地面的双向信息传递。

卫星距离地面几万公里甚至几十万、几百万公里，与地面的各种交流都是通过电磁波实现的。而电磁波在穿越星际的过程中会有损耗，为了让卫星清楚的听到地面的指令，清晰将星上信息传回，研制人员给卫星装上了天线。可以说，天线是卫星的“顺风耳”或者“扩音器”。天线已成为任何一个航天器不可或缺的重要组成部分，航天器天线影响并制约着整个无线通信系统乃至整个航天器的性能和功能。

在我国研制发射的航天器中，80%以上的有效载荷系统的天线都是由中国空间技术研究院所属的空间电子信息技术研究院研制的。据该院天线专家吴春邦介绍，他们为我国研制了第一副空间可展开网状天线、第一副空间相控阵天线、第一副星载遥感相控阵天线、第一副星载智能天线、第一副星载数传相控阵天线、第一副星载导航相控阵天线。

从20世纪六十年代至今，我国的空间天线技术实现了三次技术跨越：

线天线时期（20世纪六十年代至八十年代）

▲东方红一号线天线

这一时期，我国进行了早期的通信卫星研制，当时的通信卫星通信容量较小，以广播服务为主，服务范围较广，卫星的经济效益还不明显，对天线的要求并不高，主要以喇叭天线、振子天线为主。我国第一颗人造卫星东方红一号用的鞭状杆天线就是线天线的一种。

面天线时期（20世纪九十年代至本世纪初）

▲中星6A卫星赋形反射面天线

进入上世纪九十年代，随着商用通信卫星的起步发展，卫星通信容量逐渐增大，为提高天线增益和区域覆盖能力，反射面天线得到了快速发展。通过对反射面进行赋形优化设计，实现了对不同地区的灵活覆盖；同时引入机构组件使天线具有转动功能，实现了覆盖区的灵活机动扫描。我国发射的大多数卫星中，都有面天线，例如北斗导航卫星、中星系列部分通信卫星、神舟飞船的中继终端等等。

大发展时期（近十年来）

进入本世纪后，随着我国综合国力的增强，国产卫星家族不断庞大，包括通信卫星、导航卫星、遥感卫星、载人飞船、深空探测器等各类航天器，对天线也提出了越来越高的要求。

为了在不增加卫星承载能力的前提下进一步提升卫星通信容量或探测能力，空间天线有了阵列技术、多波束技术和大型可展开反射器技术等众多新技术。

阵列技术是指把许多线天线按照一定规律排布在一起，极大地提高了天线在收发电磁波信号时的抗干扰能力，提高了卫星的在轨可靠性。

多波束技术通过一副或多副天线形成数十个甚至数百个波束覆盖某一特定区域，通过卫星在地面上形成了类似地面移动通信领域的蜂窝网络，极大的提高了卫星的通信容量。我国第一颗高通量卫星——实践十三号采用的就是多波束天线。

大型可展开反射器技术使天线随卫星发射前收拢成较小体积，卫星入轨后天线在地面指令控制下展开并形成一张巨大的天线网，为航天器天线的创意性和前瞻性设计提供了无限可能。采用了大型可展开反射器技术后，通信卫星可获得更高的通信容量，导航卫星可提高定位精度，遥感卫星可提高对地观测精度，深空探测器可飞往遥远的月球、火星甚至太阳系边缘。

▲嫦娥四号中继星“鹊桥”伞状天线

2018年5月21日发射的嫦娥四号中继卫星上架设了一副口径近5米的伞状天线，这副天线属于大型可展开天线，这是人类深空探测器历史上携带的最大口径通信天线。