如鳥兒展翅，如飛機翱翔，未來的數(shù)據(jù)共享方式是如此的快捷、自由。環(huán)繞地球運行的衛(wèi)星有可能徹底地改變?nèi)祟愂占c共享信息的方式。相比于有線或無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，以衛(wèi)星系統(tǒng)為基礎(chǔ)的空間互聯(lián)網(wǎng)（Internet of Space，簡稱 IoS）技術(shù)能夠向全球各地，甚至是最偏遠(yuǎn)的地區(qū)提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。

什么是空間互聯(lián)網(wǎng)？

在當(dāng)今社會，人們可以隨時使用智能手機、電腦和可穿戴設(shè)備共享信息。這些信息通過有線和無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。雖然此類網(wǎng)絡(luò)是目前主要的通信方式，但其尚不能覆蓋地球的每一個角落。

為了在全球范圍內(nèi)提供高速寬帶網(wǎng)絡(luò)，覆蓋那些未接入網(wǎng)絡(luò)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，一種可能的方式是利用人造衛(wèi)星建設(shè)亞軌道高速率數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，即所謂的“空間互聯(lián)網(wǎng)”。

外太空中的衛(wèi)星示意圖。

這種基于衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)可以在地球和太空之間發(fā)送信息，并在全球范圍內(nèi)進(jìn)行分發(fā)。空間互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還能與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作并存，進(jìn)而提高目前的數(shù)據(jù)傳輸能力。可共享數(shù)據(jù)的設(shè)備（例如物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備）數(shù)量持續(xù)增長，共享數(shù)據(jù)量隨之不斷增加，給通信網(wǎng)絡(luò)帶來了壓力，所以高速數(shù)據(jù)傳輸能力是空間互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一個關(guān)鍵優(yōu)勢。

近年來，科技進(jìn)步推動了空間互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，例如衛(wèi)星的部署成本明顯降低，相控陣技術(shù)和微小衛(wèi)星也有了不小進(jìn)步。

 

 

戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4（TacSat-4）是一個改進(jìn)的衛(wèi)星示例，它可以將從太空收集的實時數(shù)據(jù)發(fā)送到地球（左）。動畫顯示了這顆衛(wèi)星上的天線如何以“傘狀”的方式打開（右）。左圖已進(jìn)入美國公共版權(quán)領(lǐng)域，摘自維基共享資源。右側(cè)動畫由 NASA 噴氣推進(jìn)實驗室-加州理工學(xué)院提供，摘自維基共享資源。

但是在空間互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成熟之前，我們還需要克服一些障礙。

應(yīng)用于空間互聯(lián)網(wǎng)的最優(yōu)天線設(shè)計

實現(xiàn)空間互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)化的關(guān)鍵一步是改進(jìn)天線的設(shè)計，如碟式和充氣式衛(wèi)星天線，一方面需要最大限度地降低其尺寸和重量，另一方面還需保證天線能持續(xù)向軌道發(fā)送信號。為了達(dá)到目標(biāo)，工程師們必須確保天線設(shè)計保持特定的輻射方向圖，以實現(xiàn)精確的長距離衛(wèi)星通信（SatCom）。

兩種可應(yīng)用于空間互聯(lián)網(wǎng)的天線：碟式衛(wèi)星通信天線（左）和充氣式衛(wèi)星通信天線（右）。碟式天線非常適用于此類應(yīng)用，然而可攜帶性欠佳。考慮到天線需要易于部署和移動，充氣式衛(wèi)星天線對于空間互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是更好的解決方案。左圖由 Julie Missbutterflies 提供。在 CC BY 2.0 許可下使用，摘自 Flickr Creative Commons。右圖由 The Official CTBTO Photostream 提供。在 CC BY 2.0許可下使用，摘自維基共享資源。

要想清楚空間互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要哪種類型的輻射方向圖，現(xiàn)在忘掉遙遠(yuǎn)的外太空，試著想象這樣一幅畫面：你正站在一間廚房中，有人遞給了你一個面團(tuán)，要求你盡可能地拉長它。你把面團(tuán)拉成了細(xì)長的“面條”，使面條在斷開之前延伸最遠(yuǎn)的距離。

類似地，為了將信號發(fā)送到太空中，我們需要生成輻射方向圖，它可以被畫成又細(xì)又尖的面條狀或針狀物體。理想的輻射方向圖能夠依靠最少量的電磁能與軌道上的衛(wèi)星實現(xiàn)高效通信。

動畫示例展示了碟式反射器受到了圓形喇叭天線的激勵，及其對衛(wèi)星通信應(yīng)用的響應(yīng)（使用 COMSOL Multiphysics® 軟件及其附加“RF模塊”創(chuàng)建）。生成的遠(yuǎn)場輻射方向圖看起來像一根針。

借助二維軸對稱建模分析天線設(shè)計

碟式或拋物反射面天線的尺寸大得驚人，所以模擬難度極大、計算成本高。另外，碟式天線、充氣式衛(wèi)星天線以及類似于戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4 的設(shè)備均為軸對稱形狀。為了提高這些天線的建模效率，您可以采用二維軸對稱建模，COMSOL Multiphysics 軟件的附加產(chǎn)品——“RF 模塊”提供了這一種技術(shù)。與全三維分析相比，使用二維軸對稱的速度非常快，并且能大幅縮小模型尺寸。

本文討論的教程采用了二維軸對稱來模擬半徑大于 20 個波長的拋物反射面天線。在此例中，你可以使用電磁波方程的二維軸對稱形式對天線進(jìn)行模擬。軸向的圓形喇叭饋源天線和拋物反射面天線都是旋轉(zhuǎn)體。

拋物線型反射器天線的三維模型。

借助二維軸對稱建模，您能夠輕松預(yù)測天線的電場模大小以及功率流的方向和相對值，也可以計算天線的三維遠(yuǎn)場輻射方向圖。如下圖所示，這些仿真結(jié)果表明，天線產(chǎn)生了非常尖銳的高增益輻射方向圖。對于空間互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來說，這正是最理想的尖銳“針”形。

電場模和功率流。

波瓣尖銳的遠(yuǎn)場輻射方向圖。

繪圖采用了 dB 尺度（表示功率強度的單位）來表征旁瓣。

此類仿真分析可以幫助工程師改進(jìn)天線設(shè)計，推動空間互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的開發(fā)，讓地球的每一個角落都與未來相連。