CubeSats凭借在轨新技术验证成本低廉的优势，已在政府、工业界与高校科研领域落地应用、收获不俗成果。但这类微型卫星普遍面临通信瓶颈：受机载小型天线制约，无论是星间数据传输，还是向地面回传数据，传输速率都难以提升。
为攻克这一难题，东京科学大学的研究团队在轻量化太阳能帆板、天线等既往折纸式航天构型研究基础上，研发出一款可折叠天线。该天线能够收纳在立方星内部，入轨展开后尺寸可达收拢状态的25倍以上。
这项新技术不仅可以大幅提升通信数据传输速率，还能将发射信号汇聚成窄波束，增强通信信号强度。
悉尼大学空间物理学教授Ivor Cains评价：“该研究的创新亮点在于，科研人员完成了一套可直接上天使用的完整天线系统样机验证，而非仅仅停留在方案设计阶段。”
CubeSats上的馈源天线发射线极化无线电波，搭载星载传感器与相机采集的数据。电磁波照射至这款新型反射阵列天线：天线基底为绝缘纺织基材，表面附着精密图案排布的铜质单元薄膜。薄膜下方另有一层镀铜柔性织物充当反射镜面，将无线电波反向穿过阵列。各个铜单元的形制图案存在细微差异，可各自对反射电波产生不同的相位偏移。全部铜单元协同作用，把零散的无线电波汇聚成定向射向地面的窄波束。
这套相位调控结构同样能让天线高效接收信号。
东京科学大学电气电子工程系副教授Takashi Tomura介绍：“我们对每一块铜贴片单元的外形与布设位置做了专项设计，使其不会跨折痕排布。此举可避免天线展开后贴片出现褶皱，保障天线具备高增益性能。”
该阵列经过特殊设计，无线电波经反射后电场发生偏转，实现圆极化。Tomura表示：“在保证贴片不跨越折叠线的前提下，通过打破贴片单元自身结构对称性，完成极化转换。”简单来讲，单元刻意做成非对称构型，对无线电波不同区域产生差异化调控效果，形成旋转电场。即便卫星在轨姿态不断变化，依靠该电场也能维持稳定可靠的通信。
铜贴片单元与镀铜柔性基底可弯折成U型。Tomura表示：“该结构能够在收纳状态下紧凑折叠，展开后各层分离至预设最优间距，保障无线电波高效反射。天线全部构件均采用薄型材质，既可紧凑收拢，又能控制整机重量。”
这款天线仅重64克，收纳在CubeSats内部时外形尺寸为10×10×6厘米；在轨完全展开后，有效反射面可达50×50厘米，展开面积约为收拢状态的25倍。天线工作频率5.8吉赫兹，增益可达18dBi。dBi是以分贝为单位的增益指标，用来衡量天线相较全向辐射天线的波束汇聚能力。Tomura介绍，常规CubeSats原装天线增益通常仅4-5dBi。
依托上述技术优化，该天线最高通信速率可达20兆比特每秒；反观传统CubeSats，数据传输速率普遍只有千比特每秒量级。
Cairns表示：“这项天线技术能大幅提升低轨卫星的数据下传总量。我们还可将CubeSats部署至更远轨道，比如对指定区域开展长时间连续遥感成像，卫星过境观测时长也能显著增加。”
折纸式天线展开结构
该天线由东京科学大学机械工程系教授Hiraku Sakamoto携手联合研发。为实现太空自主展开，Sakamoto选用闪式折纸构型：收拢时可卷成紧实的圆形束状，在轨展开后变为平整的大口径面。
为固定展开形态，研发人员设计四根碳纤维复合材料空心支撑臂，支撑臂可与双层天线一体折叠，入轨释放后“如同立体翻翻书一般自动弹开至预定形态”。研究团队还在每根支撑臂内部嵌入成品不锈钢钢卷尺的簧片机芯，进一步强化天线自主展开驱动力。
这款天线搭载于东京科学大学自研的OrigamiSat2 CubeSats，该卫星已于4月23日发射升空，并在5月23日完成天线在轨展开试验。研究团队相关成果论文于4月1日刊发表在 IEEE Transactions on Antennas and Propagation 上。
目前科研团队正研发一款尺寸更大的可折叠天线，面向对地观测领域，适配大型卫星使用。Sakamoto暂未透露具体参数，仅表示团队已和日本多家卫星制造企业洽谈该项技术的落地应用事宜。
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发表于 昨天 18:52
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