矽磊智汇 | 相控阵天线的未来？受日本折纸艺术启发的新一代相控阵天线技术

马斯克主导的星链星座系统（Starlink）在2024年底就已突破400万用户，并且取得了巨大的商业成功。随着地面的频谱越来越拥挤，基站投入效率越来越低，越来越多的人将目光投向遥远的太空。毋庸置疑，卫星通信系统将成为未来全球网络以及5G和6G的重要组成部分之一。在很多4G和5G基站难以覆盖的区域，卫星通信体现了无可比拟的优势，比如下面几个场景：应急保障，高空通信，车载宽带，偏远区域上网等等。

各种卫星通信的应用场景 

实际上，自上世纪第一颗人造地球卫星发射以来，人们就一直在探索卫星和空间的应用。卫星通信和卫星广播是卫星应用的最好范例。在卫星的帮助下，我们可以把更多的应用和服务送到世界的各个角落。卫星网络可以提供全球覆盖，已成为地面网络的补充和全球网络不可或缺的重要组成部分。 

最早的卫星通信都是基于地球静止轨道（GEO，轨道高度在海拔36000公里），其好处很多，卫星始终在固定的方位和角度，从而方便射电天文学家建造大型抛物面天线  ，只需简单的调整，即可获得高带宽和高流量。但是因为距离太远，只能采用昂贵且笨重大天线来获得足够高的天线增益  ，且卫星发射成本昂贵。自20世纪90年代以来，微小卫星技术迅猛发展，性价比逐年攀升，通信与导航卫星在低地球轨道（Low Earth Orbits, LEO）上的应用潜力渐渐被人们挖掘。随着科学技术的发展，特别是卫星制造、移动通信、电子工程、卫星发射、互联网技术的发展，低地球轨道（LEO）卫星系统开始迅猛发展。大规模低轨星座卫星通信网络的发展和应用迎来了新契机。

   
早于星链很多年，“铱星  ”星座系统是全球第一个LEO卫星系统。1987年，美国摩托罗拉公司提出一种利用66颗低轨道星座实现全球个人卫星移动通信的系统，它与现有的通信网相结合，可以实现全球数字化个人通信。“铱星系统”区别于其他卫星移动通信系统  的特点之一是卫星具有星间通信链路，这种星间通信链路能够不依赖地面转接为地球上任意位置的终端提供连接，因而系统的性能极为先进、复杂，但这也导致其投资费用较高。昂贵的收费（平均一分钟20美金），低的令人吃惊的数据率（仅为2.4kbps），以及更昂贵的发射成本（相当于星链25倍），使得铱星星座于2000年黯然收场。    

铱星计划 

除了有殖民火星的远大梦想以外，马斯克的 SpaceX 还有一个更加实际的目标：运营一个由上千颗低轨卫星组成的宽带互联网星座。到目前为止，马斯克用 SpaceX 的猎鹰9号可回收火箭，已经将7651颗卫星送到轨道，为全球客户提供高速宽带互联网服务。这就是马斯克的 Starlink 星链星座计划。Starlink 计划为全球每一个用户提供 1Gbps 的带宽，卫星的传输频段在 Ku 和 Ka 之间，延时低至25毫秒到35毫秒之间，收费标准为每月99美元，同时用户需要花499美元购买相关上网设备，包括终端接收器、三脚架、Wi-Fi 路由器，也就是说需要598美元才能接入，约合人民币4000元。Starlink 在2023年11月宣布已实现盈亏平衡。根据相关机构测算，星链远期营收或超600亿美元，覆盖7000万用户。

   星链星座计划 

对比铱星，星链星座的低成本建设至关重要，这一点构成了星链的整个商业闭环，使其成为了目前为止最为成功的卫星通信运营典范，展现出低轨通信卫星巨大的应用前景。在低轨通信卫星以及地面接收终端中，细拆相控阵雷达的成本结构，其中相控阵天线系统（包含天线机械部分和TR模组等电子部分）成本占比约为一半。因此，能够大幅度降低相控阵天线的成本及重量对卫星通信的快速落地至关重要。相比于GEO大卫星，LEO卫星对星载天线的结构体积与重量等边界约束更为苛刻，而功能高度集成化的LEO卫星单体要求天线能够具备适应和重新配置多样化电磁特性（工作频率、带宽、极化、波束宽度等）的能力。因此，LEO卫星对相控阵天线提出了更严苛的设计标准，不仅要求其在小型卫星中实现轻质高效的装载，而且天线还需提供电磁可重构能力。    

传统的星载折叠天线
 

科学家从日本折纸艺术中汲取灵感。就像可以用纸制作不同的形状一样，你可以在物理上重新配置电路以实现不同的操作。可重构天线会改变其形状以适应和重新配置其电磁性能（工作频率、带宽、极化、波束宽度等），折纸结构由于其可以实现二维平面与三维空间结构之间形态高效转换的特性，为可重构天线提供了一种实现紧凑装载到易于展开切换的有效手段。 

由于折纸具有较大折展比，被广泛应用于航天器研究中，发射时折叠在整流罩内，入轨后展开形成大型航天结构。NASA 曾向 Robert Lang 求助，请求帮忙设计可折叠的太阳能帆板。Robert Lang 是前 NASA 研究人员，沉迷于折纸的美妙，为了深入研究折纸，不惜辞去工作，在折纸理论和折纸设计上有所建树。  

航天器太阳能帆板的折纸形态 

现有二维折纸衍生可展结构主要通过折纸实现结构在空间两个正交维度上的收拢与展开，一般用于太阳电池阵、平面相控阵天线、太阳帆等产品。在空间二维可展开结构方面，1995年成功在轨验证的薄膜太阳电池阵2DSA是折纸衍生可展结构的先驱，其采用的阵面折叠方法是由日本科学家三浦公亮提出的miura折纸模式。2010年日本成功发射的ikaros深空探测太阳帆，其薄膜阵面采用圆周式折纸模式实现高效收纳，在轨通过飞行器自旋实现展开。此外，2019年日本成功发射的立方星origami-1搭载有基于spiral折纸模式的一体化薄膜太阳电池阵与天线。可以说，当前经典与新型的折纸模式为空间可展开结构提供了丰富的素材依据。    

东京工业大学的ORIGAMI可折叠天线项目 

在相控阵天线方面，早在2009年和2020年，日本太空发展署以及雷达小卫星企业Synspective分别展示了可折叠阵面天线的可行性，主要应用在星载卫星的相控阵天线上，但其体积较为庞大，操作复杂。更重要的一点是，当时的可折叠阵面天线还不具备波束控制的能力，这样使其并不适用于LEO卫星的的终端相控阵天线。由于LEO卫星的飞行速度较快，90多分钟即绕地一圈，因此要求终端必须具备波束控制和波束赋形的能力。    

星链终端的尺寸巨大 

终端的相控阵天线尺寸很大，使用不便，那么有没有可能将折纸艺术应用在相控阵终端呢？答案是肯定的。2024年大火的华为三折叠手机Mate XT 非凡大师，最直观的感受是折叠形态的仪式感。同样，如果折叠形态能够应用在卫星通信的终端相控阵天线上，那卫星通信落地的一大阻力将不复存在。

2024年，佐治亚理工学院的研究团队撰写了一篇题为“超越平面：增材制造、受折纸启发的形状改变和基于 RFIC 的近场相控阵”的论文，获得了国际微波研讨会最佳论文。该论文介绍了一种可折叠相控阵天线，可以通过它进行波束赋形。佐治亚理工学院研究论文中的相控阵天线的灵感来自纸质蛋盒，它只是一个倒置的方底金字塔网格，有一个开放的底座用于放置鸡蛋。这项研究描述了如何利用其中一个开放式金字塔作为更大的可重构阵列的基础，合成任何辐射方向图。该单位单元就像折纸设计一样，可以沿任一轴折叠或平放，从而允许物理地改变辐射方向。由于每个面上的相控阵天线都可以进一步引导波束，因此该天线可以通过物理折叠和电子波束控制的组合来生成几乎任何辐射方向图。蛋盒单元可以级联以构建更大的阵列，该阵列可以沿任一轴进行空间改变，这就是该设计如此吸引人的原因。 

 IMS2004最佳论文：受折纸启发的形状改变和基于 RFIC 的近场相控阵 

可折叠相控阵天线的发展将会越来越快。我们想象着一天，需要用到卫星通信时，一张巴掌大的卡片缓缓打开，变成一把由多个天线阵子组成的“伞”；不用的时候，伞自动恢复成一张卡片，那样的话，卫星通信的使用场景将不再局限在某些特殊环境，会得到更为广泛的应用。