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这是一种很厉害的天线
  新华网 ( 2021-06-18 07:10:26 ) 来源: 《环球》杂志
 

  随着相控阵产品更加轻量化、成本进一步降低,其将在卫星、无人机、地面通信乃至无人驾驶等各个军事、民用领域迸发出巨大价值。

徐鸣

  不久前,天问一号探测器成功着陆火星。据媒体公开报道,助力着陆的一款神器是我国自主研发的相控阵产品。

  相控阵一般指相控阵天线技术。据说,最早发现“天线”的,是一位名叫威尔的学者,他为了验证电波是否可以穿过桌面,把发射机放在桌底下,再将接收机吊在桌子上方的天花板上,结果吊着接收机的导线,竟让接收效果好了许多。后来,很多科学家围绕天线作出改进优化,让天线逐渐应用于生活。

  1957年,世界第一颗人造卫星上天,标志着人类进入了航天时代。航天技术的发展让天线变得更能干、更强悍,使它可以精密跟踪、适应复杂的太空环境等。在过去数十年,像“锅”一样来回转动的天线已经取得非常成熟的技术进步,广泛应用于卫星通信、卫星遥感以及其他探测雷达等领域。

  近年来,卫星技术的快速发展和地面毫米波的应用,都对天线的重量、体积、便携性、一体化设计等提出了更高的要求,特别是航天航空、中低轨卫星互联网领域均需要智能、轻量化的天线。电子计算机、微电子技术和现代材料的发展,让符合当下行业和经济发展的相控阵天线应运而生。

  相控阵的完整表达是:相位-控制-天线阵列。通俗来说,过去的机械天线,类似收信号的“锅”,要和低轨卫星进行持续连接非常困难,因为卫星在轨道上不停地快速运动,要跟踪快速运转的卫星,并迅速从跟踪一颗卫星切换到另一颗,很难在不造成通信中断的情况下使用单个天线连续跟踪卫星。而相控阵天线,则无需机械转动,只通过遥控信号相位,就可以调整信号的方向来对准卫星,并可以实现一副天线支持多颗星同时工作,非常有利于中低轨卫星通信,其优点包括天线厚度薄、信号指向灵活迅速等。

  研发出高质量、低成本的相控阵天线并不容易。首先,相控阵的研发技术门槛高,天线及微波射频技术需要长期的积累沉淀;其次,相控阵产品研制投入大,器件及供应链成熟度低;此外,相控阵产品的工程实现涉及多个产业,实现难度大。

  相控阵有什么用呢?根据具体应用场景,相控阵天线可分为雷达相控阵与通信相控阵等,文章开头提到的火星探测器中的相控阵应用,就属于雷达相控阵,而应用于通信卫星的相控阵天线等,属于通信相控阵。星载相控阵拥有可以快速准确改变波束方向的能力,是与地面进行通信的最佳天线,也是提高通信卫星性能、推动其便捷应用的重要方式。

  以美国SpaceX公司的“星链”为例。在过去两年时间里,该计划发射超过1600颗卫星,并开始为北美用户提供服务,相控阵技术就是“加速度”之一。

  当前,得益于集成芯片技术的进步,相控阵天线可以做到极高的集成,进而实现天线轻量化。对于星链用户而言,应用相控阵的终端使用起来十分便捷,终端是直径大概只有0.48米的圆碟,而使用星链上网的成本也降到了家庭用户可以承受的程度。

  从全球来看,美国与欧洲(主要是德国)在相控阵技术方面处于领先地位。虽然中国起步相对较晚,但发展十分迅速。

  随着相控阵产品更加轻量化、成本进一步降低,其将在卫星、无人机、地面通信乃至无人驾驶等各个军事、民用领域迸发出巨大价值。未来,相控阵天线有望完美融入人们生活。比如汽车的车顶就可能嵌入相控阵天线,随时与卫星进行通信;甚至在更远的未来,身上穿着的衣服可能就是计算机屏幕,而这样的衣服也很有可能嵌入了相控阵天线,进行信号的收发和探测。

来源:2021年6月16日出版的《环球》杂志 第12期

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