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通信|这是一种很厉害的天线

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【通信|这是一种很厉害的天线】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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