連接天線

FreeFall Aerospace成立于2016年，由亞利桑那大學(xué)天文學(xué)教授兼FreeFall聯(lián)合創(chuàng)始人Chris Walker基于無線電望遠(yuǎn)鏡創(chuàng)新技術(shù)而創(chuàng)建。當(dāng)Walker在太赫茲無線電天文學(xué)領(lǐng)域的研究顯然可以在通信衛(wèi)星技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大應(yīng)用后，Walker與美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的具有30年資深科研經(jīng)驗(yàn)的Stetson合作，共同推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

Stetson表示：“我們力爭成為連接科學(xué)領(lǐng)域的專家，這是整個(gè)航天行業(yè)的一個(gè)主要研究領(lǐng)域。所有這些應(yīng)用都需要能夠在太空中和圍繞地球，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、人與人的大量數(shù)據(jù)傳輸。兩點(diǎn)之間傳輸?shù)拿恳稽c(diǎn)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(xiàng)目的成功至關(guān)重要。”

對于整個(gè)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(fù)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(xué)(University of Arizona)獨(dú)立出來的技術(shù)公司。該公司開發(fā)了一種新型天線，有望以獨(dú)特的方式解決這一挑戰(zhàn)。FreeFall采用充氣結(jié)構(gòu)，可以裝在小型衛(wèi)星內(nèi)，并部署在太空中。

此結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)大型孔徑，與傳統(tǒng)天線系統(tǒng)相比，可以在極低質(zhì)量與功耗的情況下傳輸或接收海量數(shù)據(jù)。FreeFall天線本質(zhì)是一個(gè)半透明半金屬化的氣球，可捕獲無線電信號，以實(shí)現(xiàn)高效通信。反射器采用球形而非拋物線形，可以實(shí)現(xiàn)極低風(fēng)險(xiǎn)的部署，因?yàn)榍蛐问谴蠖鄶?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(yùn)用Ansys HFSS全波電子仿真來分析該系統(tǒng)的性能并進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)，而無需進(jìn)行成本高且耗時(shí)的硬件實(shí)驗(yàn)。

該公司通過Ansys初創(chuàng)公司計(jì)劃獲得HFSS，該計(jì)劃使初創(chuàng)公司能以較大折扣的價(jià)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(tuán)隊(duì)加入Ansys初創(chuàng)公司計(jì)劃，建立FreeFall與Ansys的合作伙伴關(guān)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(diǎn)。我想，在過去您可能需要反復(fù)構(gòu)建和測試，但是要構(gòu)建不同類型的天線，對其進(jìn)行測試，并調(diào)整其物理設(shè)計(jì)以獲得所需性能，這需要投入大量的時(shí)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(shí)間和資金。這對于我們這樣的公司十分有益。”

仿真球形天線

球形天線的對稱性是FreeFall技術(shù)的關(guān)鍵。

FreeFall射頻設(shè)計(jì)工程師Terrance Pat在Walker指導(dǎo)下獲得博士學(xué)位，他表示：“對稱性本質(zhì)上為球形提供了無限數(shù)量的方向，您可以瞄準(zhǔn)波束。”無需實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)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(guān)鍵點(diǎn)之一。HFSS能夠?qū)ο辔缓驼穹雀鞣N量進(jìn)行快速網(wǎng)格劃分和參數(shù)化調(diào)整，為天線仿真與設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。因此，這就和設(shè)計(jì)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(dòng)確定的默認(rèn)網(wǎng)格劃分。”

Pat表示，在仿真天線時(shí)他使用替代計(jì)算方法來節(jié)省時(shí)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(xué)的彈跳射線(SBR)法。

Pat稱：“當(dāng)您有一個(gè)大型電氣的反射器時(shí)，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(diǎn)是GPU占用小。您可以使用顯卡來加速計(jì)算，這確實(shí)很有幫助。”

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(guān)注FreeFall公司的進(jìn)展。Stetson發(fā)現(xiàn)，HFSS仿真結(jié)果是讓這些潛在客戶了解情況的關(guān)鍵。

Stetson表示：“我們不僅將HFSS用于設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(zhǔn)確地向客戶展示我們的設(shè)計(jì)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(xué)的學(xué)生合作，開發(fā)CatSat項(xiàng)目（以“亞利桑那大學(xué)野貓隊(duì)”命名）。CatSat是一個(gè)6U立方衛(wèi)星，由美國宇航局立方衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃任務(wù)選定，計(jì)劃于2022年中旬飛行。它旨在演示FreeFall的充氣球形反射器技術(shù)并開展一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)，所有實(shí)驗(yàn)均由亞利桑那大學(xué)學(xué)生和教師主導(dǎo)。

審核編輯：劉清