折紙天線讓CubeSats具備大數據傳輸能力：折疊結構展開后體積可達收納狀態的25倍

CubeSats憑借在軌新技術驗證成本低廉的優勢，已在政府、工業界與高校科研領域落地應用、收獲不俗成果。但這類微型衛星普遍面臨通信瓶頸：受機載小型天線制約，無論是星間數據傳輸，還是向地面回傳數據，傳輸速率都難以提升。

為攻克這一難題，東京科學大學的研究團隊在輕量化太陽能帆板、天線等既往折紙式航天構型研究基礎上，研發出一款可折疊天線。該天線能夠收納在立方星內部，入軌展開后尺寸可達收攏狀態的25倍以上。這項新技術不僅可以大幅提升通信數據傳輸速率，還能將發射信號匯聚成窄波束，增強通信信號強度。

悉尼大學空間物理學教授Ivor Cains評價：“該研究的創新亮點在于，科研人員完成了一套可直接上天使用的完整天線系統樣機驗證，而非僅僅停留在方案設計階段。”

CubeSats上的饋源天線發射線極化無線電波，搭載星載傳感器與相機采集的數據。電磁波照射至這款新型反射陣列天線：天線基底為絕緣紡織基材，表面附著精密圖案排布的銅質單元薄膜。薄膜下方另有一層鍍銅柔性織物充當反射鏡面，將無線電波反向穿過陣列。各個銅單元的形制圖案存在細微差異，可各自對反射電波產生不同的相位偏移。全部銅單元協同作用，把零散的無線電波匯聚成定向射向地面的窄波束。

這套相位調控結構同樣能讓天線高效接收信號。

東京科學大學電氣電子工程系副教授Takashi Tomura介紹：“我們對每一塊銅貼片單元的外形與布設位置做了專項設計，使其不會跨折痕排布。此舉可避免天線展開后貼片出現褶皺，保障天線具備高增益性能。”

該陣列經過特殊設計，無線電波經反射后電場發生偏轉，實現圓極化。Tomura表示：“在保證貼片不跨越折疊線的前提下，通過打破貼片單元自身結構對稱性，完成極化轉換。”簡單來講，單元刻意做成非對稱構型，對無線電波不同區域產生差異化調控效果，形成旋轉電場。即便衛星在軌姿態不斷變化，依靠該電場也能維持穩定可靠的通信。

銅貼片單元與鍍銅柔性基底可彎折成U型。Tomura表示：“該結構能夠在收納狀態下緊湊折疊，展開后各層分離至預設最優間距，保障無線電波高效反射。天線全部構件均采用薄型材質，既可緊湊收攏，又能控制整機重量。”

這款天線僅重64克，收納在CubeSats內部時外形尺寸為10×10×6厘米；在軌完全展開后，有效反射面可達50×50厘米，展開面積約為收攏狀態的25倍。天線工作頻率5.8吉赫茲，增益可達18dBi。dBi是以分貝為單位的增益指標，用來衡量天線相較全向輻射天線的波束匯聚能力。Tomura介紹，常規CubeSats原裝天線增益通常僅4-5dBi。

依托上述技術優化，該天線最高通信速率可達20兆比特每秒；反觀傳統CubeSats，數據傳輸速率普遍只有千比特每秒量級。

Cairns表示：“這項天線技術能大幅提升低軌衛星的數據下傳總量。我們還可將CubeSats部署至更遠軌道，比如對指定區域開展長時間連續遙感成像，衛星過境觀測時長也能顯著增加。”

該天線由東京科學大學機械工程系教授Hiraku Sakamoto攜手聯合研發。為實現太空自主展開，Sakamoto選用閃式折紙構型：收攏時可卷成緊實的圓形束狀，在軌展開后變為平整的大口徑面。

為固定展開形態，研發人員設計四根碳纖維復合材料空心支撐臂，支撐臂可與雙層天線一體折疊，入軌釋放后“如同立體翻翻書一般自動彈開至預定形態”。研究團隊還在每根支撐臂內部嵌入成品不銹鋼鋼卷尺的簧片機芯，進一步強化天線自主展開驅動力。

這款天線搭載于東京科學大學自研的OrigamiSat2 CubeSats，該衛星已于4月23日發射升空，并在5月23日完成天線在軌展開試驗。研究團隊相關成果論文于4月1日刊發表在IEEE Transactions on Antennas and Propagation上。

目前科研團隊正研發一款尺寸更大的可折疊天線，面向對地觀測領域，適配大型衛星使用。Sakamoto暫未透露具體參數，僅表示團隊已和日本多家衛星制造企業洽談該項技術的落地應用事宜。