【無線射頻天線】-微型立方體衛(wèi)星的強(qiáng)大天線

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這項(xiàng)挑戰(zhàn)是這樣開頭的

2023年11月的一天早晨，我在噴氣推動(dòng)試驗(yàn)室（L，位于加州帕薩迪納）的同事卡瑪爾奧德瑞（KamalOudrhiri）突然闖入我的辦公室，提出了一個(gè)迷人的建議。一顆全新的人造衛(wèi)星正在朝火星進(jìn)發(fā)。該衛(wèi)星將搭載NASA的"洞察力'（InSight）火星著陸器，可在著陸器進(jìn)入火星區(qū)域、降落并著陸時(shí)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)向地球傳回?cái)?shù)據(jù)。奧德瑞解釋道："我們必需達(dá)到每秒8千比特的傳輸速率，但功率有限，唯一的盼望是采納大型天線，不過這顆衛(wèi)星的體積只有公文包那么大。'

這顆火星探測衛(wèi)星被稱為立方體衛(wèi)星（CubeSat），此前還沒有體積如此小的衛(wèi)星飛躍過近地軌道。其放射時(shí)，天線需要收起來，并且天線體積只有約830立方厘米。此后不久，天線綻開，體積達(dá)到衛(wèi)星大小的3倍。經(jīng)過1.6億公里的飛行后抵達(dá)火星，其間要經(jīng)受放射時(shí)的猛烈震蕩及外層空間的極端溫度。知道難度有多大了吧？

幸運(yùn)的是，我和諸位同事喜愛挑戰(zhàn)，很興奮能有機(jī)會(huì)把立方體衛(wèi)星技術(shù)推向極限。對(duì)從事地球影像與觀測的討論者及新興公司而言，這些微型航天器已成為最常用的飛船。與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比，這些衛(wèi)星造價(jià)較為低廉且體積小，僅重幾公斤，只需要幾個(gè)月的預(yù)備即可進(jìn)行放射，而不像標(biāo)準(zhǔn)航天器那樣需要花費(fèi)數(shù)年的時(shí)間進(jìn)行預(yù)備。隨著時(shí)間的推移，得益于摩爾定律在電子工業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)展，立方體衛(wèi)星可搭載的傳感器和程序處理功能變得日益強(qiáng)大、精密，重量更輕，且高效節(jié)能。

但在通信方面，立方體衛(wèi)星小巧的體積卻是一個(gè)不利因素。尤其是我們很難做到為這些衛(wèi)星配備足夠大的天線，來滿意高數(shù)據(jù)速率和高辨別率雷達(dá)。所以這些微型衛(wèi)星只能局限于地球軌道，無法推動(dòng)地球軌道之外的科學(xué)前沿探究。假如我們能找到某種方法，為立方體衛(wèi)星配備強(qiáng)大的高增益天線，也就能開創(chuàng)眾多嶄新的討論和探究機(jī)遇。圍繞地球軌道的立方體衛(wèi)星最終將能進(jìn)行基于雷達(dá)的科學(xué)討論，如測量氣流及降水量。利用高數(shù)據(jù)速率天線，立方體衛(wèi)星將可以擴(kuò)大探究疆域，去探究太陽系。

經(jīng)過幾年的不懈努力，L天線討論小組最終用兩種不同的方式解決了這一難題。在一個(gè)名為"立方體衛(wèi)星雷達(dá)'（RadarinaCubeSat，又稱RainCube）的項(xiàng)目中，我們設(shè)計(jì)了一種可綻開的天線，衛(wèi)星到達(dá)軌道后，這種天線會(huì)像一把傘一樣綻開。另一個(gè)名為"火星立方體-1'（又叫作MarCO）的項(xiàng)目方案于今年5月份放射，我們制造了一種能在立方體衛(wèi)星表面綻開的平板天線。我們的勝利促使NASA開頭考慮通過這些微型平臺(tái)來執(zhí)行那些曾一度被認(rèn)為只能通過大型傳統(tǒng)衛(wèi)星才能執(zhí)行的任務(wù)。我們的天線技術(shù)已獲得專利并授權(quán)給了數(shù)個(gè)商業(yè)太空公司。下面將詳述我們?nèi)绾瓮瓿闪诉@項(xiàng)在很多人看來難比登天的工程壯舉，以及在此過程中所獲得的熟悉。

立方體衛(wèi)星并不是唯一的微型衛(wèi)星，但這類衛(wèi)星的適應(yīng)性最強(qiáng)，也受到了廣泛關(guān)注。其基本構(gòu)件是邊長僅為10厘米的立方體，重量最多為1公斤出頭。這些"一個(gè)單元'（1U）的立方體能按需接合在一起；常見變體由3個(gè)、6個(gè)或12個(gè)立方體構(gòu)成。

斯坦福高校和加州理工州立高校的工程師們于1999年首次研發(fā)了立方體衛(wèi)星，作為一種關(guān)心同學(xué)親自動(dòng)手設(shè)計(jì)、制造、放射并操作衛(wèi)星的方式。自那以后，各種各樣的立方體衛(wèi)星子系統(tǒng)投入使用，并成為專業(yè)任務(wù)的通用工具。

首先，這類衛(wèi)星能被快速安裝。在L,從開頭規(guī)劃到完成設(shè)計(jì)、組裝和測試，我們僅用時(shí)10至12個(gè)月，而對(duì)更大型的、模塊較少的航天器而言，這一過程卻需要3年甚至更長的時(shí)間。

當(dāng)然，重達(dá)數(shù)千公斤的傳統(tǒng)衛(wèi)星能承載比微型立方體衛(wèi)星更多的儀器。但對(duì)于有特定目的的任務(wù)，立方體衛(wèi)星是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠并頗具吸引力的選擇。而且，放射立方體衛(wèi)星群能提升航天器的時(shí)間辨別率，相較于大型航天器，對(duì)同一區(qū)域的遙感更加頻繁。在我們新型天線的關(guān)心下，利用RainCube和MarCo執(zhí)行各種任務(wù)不僅是可行的，而且特別明智。

顧名思義，創(chuàng)建RainCube的目的是觀測天氣。它的雷達(dá)能關(guān)心NASA討論降水量并改進(jìn)天氣預(yù)報(bào)的模式。科學(xué)家們方案放射一系列此類衛(wèi)星，以此獲得的時(shí)間辨別率比單獨(dú)一顆大型衛(wèi)星所能供應(yīng)的更高。

這類微型雷達(dá)裝置的體積僅相當(dāng)于一個(gè)麥片盒的大小（按立方體衛(wèi)星的說法是6U）。這個(gè)小盒須容納電源系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、掌握系統(tǒng)及其他全部器件。就猶如任意一個(gè)麥片盒，這個(gè)盒子也需要空間來盛放最重要的物品：雷達(dá)。RainCube的主要討論者伊娃佩拉爾(EvaPeral)通過一系列有獨(dú)創(chuàng)性的工程設(shè)計(jì)，按數(shù)量級(jí)縮小并簡化了雷達(dá)裝置。然而，當(dāng)其他器件裝入裝置后，仍僅為雷達(dá)及其天線留出了1/4的空間。

衛(wèi)星將通過拋物面天線發(fā)送和接收雷達(dá)信號(hào)。主拋物面天線將會(huì)把這些信號(hào)反射到一個(gè)名為子反射器的裝置中，該裝置將把這些信號(hào)傳送至"喇叭天線'，再從那里傳輸至雷達(dá)電路系統(tǒng)中。在450至500千米的海拔高度上，RainCube的雷達(dá)將探測其所穿越過的云層，因此只需一個(gè)0.5米寬的天線即能獲得10千米寬的雷達(dá)掩蓋區(qū)域。然而，在綻開之前，需要把天線折疊成一個(gè)體積為10厘米10厘米15厘米的小方盒。雷達(dá)以35.75千兆赫的頻率運(yùn)行，這意味著這個(gè)反射器綻開的精確度必需極高，外形偏差不超過200微米。

很明顯，我們要克服一些麻煩的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。在經(jīng)過激烈的頭腦風(fēng)暴后，由喬納森尚德（JonathanSauder）、馬克湯姆森（MarkThomson）、理查德霍奇思（RichardHodges）、葉海亞拉赫馬特-薩米（YahyaRahmat-Sami）以及我本人組成的RainCube天線討論小組，選定了一種天線，這種天線的工作原理就似乎把傘裝入盒子里一樣。在限定了可利用體積的條件下，這種方法是最簡潔的解決方案。

當(dāng)傘打開時(shí)，傘骨向外伸展，直至傘面被拉緊。RainCube的天線以同樣的方式進(jìn)行工作：在綻開時(shí)，一系列傘骨把天線拉成適合發(fā)送和接收信號(hào)的外形。傘骨的數(shù)量打算了這一外形的精密度和精確?????度。假如我們僅使用3根（肯定最小值）傘骨，就能形成一個(gè)三面的金字塔形；雖然理論上，大量的傘骨能夠形成精準(zhǔn)的天線拋物面，但是添加更多的傘骨也增大了綻開時(shí)出錯(cuò)的可能性。

我們最終確定Raincube傘骨的最佳數(shù)量是30根。這一數(shù)量能供應(yīng)足夠精確的拋物面，同時(shí)將綻開失敗的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。為了進(jìn)一步提高雷達(dá)天線系統(tǒng)的整體精確度，工程師們設(shè)計(jì)了副反射器來反映30根傘骨組成的天線的外形，包括與抱負(fù)狀態(tài)的微小偏差以及聚焦雷達(dá)的精確性。副反射器的調(diào)諧使雷達(dá)的效能提高了6%，進(jìn)而使雷達(dá)的信噪比改進(jìn)了12%。

需要重新考慮的不僅僅是天線的模型。在可綻開的結(jié)構(gòu)中，通常將喇叭天線嵌入衛(wèi)星主體，從而得到射頻信號(hào)。但是在RainCube使用的Ka頻段，電纜會(huì)損耗過多的信號(hào)。因此L的工程師們設(shè)計(jì)了一種由空心金屬管組成的波導(dǎo)管，信號(hào)可通過該金屬管傳播，該波導(dǎo)管是固定的，天線的其他部分則沿著它滑行并綻開。

RainCube的傘狀設(shè)計(jì)很奇妙，但空間環(huán)境是對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的一大挑戰(zhàn)。在放射過程中，天線要經(jīng)受放射過程中的猛烈振動(dòng)以及所在軌道的巨大溫度變化當(dāng)立方體衛(wèi)星進(jìn)出地球陰影時(shí)，通常內(nèi)部組件的溫差為-20C至85C。在太空中，即使是一個(gè)小組件的故障也能導(dǎo)致整個(gè)任務(wù)的失敗，NASA工程師們特別清晰這一點(diǎn)。

RainCube的天線與伽利略探測器上由18根傘骨組成的高增益天線具有明顯的相像之處，而伽利略探測器天線于1991年綻開失敗了。但我們的RainCube天線具有一大優(yōu)勢。不同于伽利略探測器上4.8米寬的天線，RainCube的天線很小，可以在真空室內(nèi)進(jìn)行測試，因此我們進(jìn)行了各種狀況下的試驗(yàn)。實(shí)際上，在第一次振動(dòng)試驗(yàn)后，其中一根傘骨未能綻開，討論小組通過跟蹤一條彈簧發(fā)覺了設(shè)計(jì)缺陷。我們重新設(shè)計(jì)該部件之后，天線順當(dāng)通過全部測試，現(xiàn)已預(yù)備好放射，最早可在今年5月份進(jìn)行。勝利放射將成為具有分水嶺意義的重大大事，為全部搭載科學(xué)試驗(yàn)的立方體衛(wèi)星進(jìn)入地球軌道開拓道路。

很難想象，像立方體衛(wèi)星一樣微小且簡單的裝置能在茫茫的星際空間游覽。盡管如此，我們?nèi)云谕绻陌笮〉膬蓚€(gè)立方體衛(wèi)星能在今年擔(dān)當(dāng)此任。孿生MarCO衛(wèi)星將于2023年5月搭載NASA的"洞察力'著陸器升空，成為首批進(jìn)入太空深部的此類衛(wèi)星。孿生立方體衛(wèi)星將于11月份到達(dá)火星，將關(guān)心著陸器與地球上的NASA外層空間網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，并與自2023年開頭在軌運(yùn)行的火星勘測軌道器（MRO）一起運(yùn)行。

MarCO立方體衛(wèi)星通過使用超高頻環(huán)形天線，可接收"洞察力'著陸器在登陸、降落和著陸時(shí)的數(shù)據(jù)。每個(gè)衛(wèi)星的軟件定義無線電將通過頻率更高的X波段穿越1.6億公里的星際空間把數(shù)據(jù)發(fā)送回地球，由深空網(wǎng)絡(luò)天線（每個(gè)天線寬70米）接收?？紤]到立方體衛(wèi)星無線電有限的射頻輸出功率，這類微型衛(wèi)星的天線需要33.5厘米60厘米的孔徑，才能建立以8千比特/秒傳輸?shù)臒o線電線路。

抱負(fù)的狀況是，MarCO立方體衛(wèi)星具備同RainCube一樣的拋物面天線，但卻沒有容納空間。討論小組只能使用航天器有效載荷空間的4%，且載荷重量必需掌握在1千克之內(nèi)。這還不夠，方案還要求我們僅使用立方體衛(wèi)星的一邊。MarCO緊急的進(jìn)度表從天線研制到在航天器上集成僅有9個(gè)月時(shí)間意味著我們沒有足夠的時(shí)間設(shè)計(jì)定制元件。所以在可行的狀況下，我們依靠現(xiàn)成的元件進(jìn)行簡化設(shè)計(jì)。

我們創(chuàng)建了名為反射陣列的平面天線，包含一個(gè)由3部分組成的掌握面板，從航天器的一側(cè)翻動(dòng)出來，并在彈簧鉸鏈的推動(dòng)下打開。隨著掌握面板自航天器的主體彈出，天線的喇叭也會(huì)伸出，圍圍著連接器轉(zhuǎn)動(dòng)。天線的平坦表面上分布著反射圖案，可以仿照拋物面天線的方式，朝著地球的方向集中信號(hào)。

MarCO放射時(shí)，很可能攜帶首批反射陣列進(jìn)入深空。假如該項(xiàng)任務(wù)勝利，我們將會(huì)看到更多的立方體衛(wèi)星發(fā)揮類似作用。例如，現(xiàn)在來自火星探測器和著陸器的數(shù)據(jù)只能通過MRO這類比較大的航天器轉(zhuǎn)發(fā)回地球。將來的立方體衛(wèi)星將能進(jìn)入火星軌道，以更低的成本幫助轉(zhuǎn)發(fā)這些數(shù)據(jù)。

RainCube和MarCO使用的天線除了用于特定任務(wù)外，還能發(fā)揮更多作用。實(shí)際上，我們的討論小組已依據(jù)同樣的原理研發(fā)了