本文原載于Ansys Advantage：《Inflatable Space Antennas Improve Their Aim》

球形天線原型（圖片由FreeFall Aerospace提供）

對于整個航天行業來說，以最有效的方式在太空收發數據，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。該公司開發了一種新型天線，有望以獨特的方式解決這一挑戰。FreeFall采用充氣結構，可以裝在小型衛星內，并部署在太空中。此結構提供了一個大型孔徑，與傳統天線系統相比，可以在極低質量與功耗的情況下傳輸或接收海量數據。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，以實現高效通信。反射器采用球形而非拋物線形，可以實現極低風險的部署，因為球形是大多數充氣物體的自然形狀。由此得到的系統能夠以現有解決方案幾分之一的尺寸和成本提供高速率的數據通信。

充氣太空天線提高其瞄準性能（圖片由FreeFall Aerospace提供）

FreeFall工程師已廣泛運用Ansys HFSS全波電子仿真來分析該系統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初創公司計劃獲得HFSS，該計劃使初創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初創公司計劃，建立FreeFall與Ansys的合作伙伴關系。

FreeFall Aerospace聯合創始人、總裁兼首席執行官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。我們現在能夠使用HFSS在虛擬環境下完成所有工作，從而節省了大量時間和資金。這對于我們這樣的公司十分有益?！?/p>

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量的方向，您可以瞄準波束?！?span style="">無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格劃分和參數化調整，為天線仿真與設計提供高效的流程。

Pat指出：“Ansys使確定正確網格的流程在一定程度上實現了自動化。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格劃分?！?/p>

Pat表示，在仿真天線時他使用替代計算方法來節省時間，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>

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發現，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范。我們必須向他們證明，我們設計的系統將符合這些規范，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?！?/p>

球形天線部署的三個階段（圖片由FreeFall Aerospace提供）

FreeFall Aerospace正與圖森的Rincon Research以及亞利桑那大學的學生合作，開發CatSat項目（以“亞利桑那大學野貓隊”命名）。CatSat是一個6U立方衛星，由美國宇航局立方衛星發射計劃任務選定，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。

Stetson稱：“這將非常令人振奮。有幸參加全亞利桑那州的太空飛行任務，親眼見證我們的技術成功運用，我們深感自豪?！?/p>