先进天线设计助力空间互联网的开发

Caty Fairclough 2017年 12月 12日

如鸟儿展翅,如飞机翱翔,未来的数据共享方式是如此的快捷、自由。环绕地球运行的卫星有可能彻底地改变人类收集与共享信息的方式。相比于有线或无线数据网络,以卫星系统为基础的空间互联网(Internet of Space,简称 IoS)技术能够向全球各地,甚至是最偏远的地区提供网络接入服务。

什么是空间互联网?

在当今社会,人们可以随时使用智能手机、电脑和可穿戴设备共享信息。这些信息通过有线和无线网络进行传输。虽然此类网络是目前主要的通信方式,但其尚不能覆盖地球的每一个角落。

为了在全球范围内提供高速宽带网络,覆盖那些未接入网络的偏远地区,一种可能的方式是利用人造卫星建设亚轨道高速率数据通信网络,即所谓的“空间互联网”。

Internet of Space 先进天线设计助力空间互联网的开发
外太空中的卫星示意图。

这种基于卫星的网络可以在地球和太空之间发送信息,并在全球范围内进行分发。空间互联网技术还能与现有的网络协作并存,进而提高目前的数据传输能力。可共享数据的设备(例如物联网设备)数量持续增长,共享数据量随之不断增加,给通信网络带来了压力,所以高速数据传输能力是空间互联网技术的一个关键优势。

近年来,科技进步推动了空间互联网技术的发展,例如卫星的部署成本明显降低,相控阵技术微小卫星也有了不小进步。

Tactical Satellite 4 先进天线设计助力空间互联网的开发

 

战术卫星-4(TacSat-4)是一个改进的卫星示例,它可以将从太空收集的实时数据发送到地球(左)。动画显示了这颗卫星上的天线如何以“伞状”的方式打开(右)。左图已进入美国公共版权领域,摘自维基共享资源。右侧动画由 NASA 喷气推进实验室-加州理工学院提供,摘自维基共享资源

但是在空间互联网技术成熟之前,我们还需要克服一些障碍。

应用于空间互联网的最优天线设计

实现空间互联网商业化的关键一步是改进天线的设计,如碟式和充气式卫星天线,一方面需要最大限度地降低其尺寸和重量,另一方面还需保证天线能持续向轨道发送信号。为了达到目标,工程师们必须确保天线设计保持特定的辐射方向图,以实现精确的长距离卫星通信(SatCom)。

dish antenna 先进天线设计助力空间互联网的开发
inflatable satellite communications antenna 先进天线设计助力空间互联网的开发

两种可应用于空间互联网的天线:碟式卫星通信天线(左)和充气式卫星通信天线(右)。碟式天线非常适用于此类应用,然而可携带性欠佳。考虑到天线需要易于部署和移动,充气式卫星天线对于空间互联网技术是更好的解决方案。左图由 Julie Missbutterflies 提供。在 CC BY 2.0 许可下使用,摘自 Flickr Creative Commons。右图由 The Official CTBTO Photostream 提供。在 CC BY 2.0 许可下使用,摘自维基共享资源

要想清楚空间互联网应用需要哪种类型的辐射方向图,现在忘掉遥远的外太空,试着想象这样一幅画面:你正站在一间厨房中,有人递给了你一个面团,要求你尽可能地拉长它。你把面团拉成了细长的“面条”,使面条在断开之前延伸最远的距离。

类似地,为了将信号发送到太空中,我们需要生成辐射方向图,它可以被画成又细又尖的面条状或针状物体。理想的辐射方向图能够依靠最少量的电磁能与轨道上的卫星实现高效通信。

 

动画示例展示了碟式反射器受到了圆形喇叭天线的激励,及其对卫星通信应用的响应(使用 COMSOL Multiphysics® 软件及其附加“RF模块”创建)。生成的远场辐射方向图看起来像一根针。

借助二维轴对称建模分析天线设计

碟式或抛物反射面天线的尺寸大得惊人,所以模拟难度极大、计算成本高。另外,碟式天线、充气式卫星天线以及类似于战术卫星-4 的设备均为轴对称形状。为了提高这些天线的建模效率,您可以采用二维轴对称建模,COMSOL Multiphysics 软件的附加产品——“RF 模块”提供了这一种技术。与全三维分析相比,使用二维轴对称的速度非常快,并且能大幅缩小模型尺寸。

本文讨论的教程采用了二维轴对称来模拟半径大于 20 个波长的抛物反射面天线。在此例中,你可以使用电磁波方程的二维轴对称形式对天线进行模拟。轴向的圆形喇叭馈源天线和抛物反射面天线都是旋转体。

model of a parabolic reflector antenna like those used for the internet of space 先进天线设计助力空间互联网的开发
抛物线型反射器天线的三维模型。

借助二维轴对称建模,您能够轻松预测天线的电场模大小以及功率流的方向和相对值,也可以计算天线的三维远场辐射方向图。如下图所示,这些仿真结果表明,天线产生了非常尖锐的高增益辐射方向图。对于空间互联网技术来说,这正是最理想的尖锐“针”形。

electric field results parabolic reflector antenna in COMSOL Multiphysics 先进天线设计助力空间互联网的开发
电场模和功率流。

Suitable IoS radiation pattern in dish antenna 先进天线设计助力空间互联网的开发
波瓣尖锐的远场辐射方向图。

plotting the dB scale of a parabolic dish antenna 先进天线设计助力空间互联网的开发
绘图采用了 dB 尺度(表示功率强度的单位)来表征旁瓣。

此类仿真分析可以帮助工程师改进天线设计,推动空间互联网技术的开发,让地球的每一个角落都与未来相连。


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