如鳥兒展翅，如飛機翱翔，未來的數據共享方式是如此的快捷、自由。環繞地球運行的衛星有可能徹底地改變人類收集與共享信息的方式。相比于有線或無線數據網絡，以衛星系統為基礎的空間互聯網（Internet of Space，簡稱 IoS）技術能夠向全球各地，甚至是最偏遠的地區提供網絡接入服務。

什么是空間互聯網？

在當今社會，人們可以隨時使用智能手機、電腦和可穿戴設備共享信息。這些信息通過有線和無線網絡進行傳輸。雖然此類網絡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。

為了在全球范圍內提供高速寬帶網絡，覆蓋那些未接入網絡的偏遠地區，一種可能的方式是利用人造衛星建設亞軌道高速率數據通信網絡，即所謂的“空間互聯網”。

外太空中的衛星示意圖。

這種基于衛星的網絡可以在地球和太空之間發送信息，并在全球范圍內進行分發。空間互聯網技術還能與現有的網絡協作并存，進而提高目前的數據傳輸能力。可共享數據的設備（例如物聯網設備）數量持續增長，共享數據量隨之不斷增加，給通信網絡帶來了壓力，所以高速數據傳輸能力是空間互聯網技術的一個關鍵優勢。

近年來，科技進步推動了空間互聯網技術的發展，例如衛星的部署成本明顯降低，相控陣技術和微小衛星也有了不小進步。

 

 

戰術衛星-4（TacSat-4）是一個改進的衛星示例，它可以將從太空收集的實時數據發送到地球（左）。動畫顯示了這顆衛星上的天線如何以“傘狀”的方式打開（右）。左圖已進入美國公共版權領域，摘自維基共享資源。右側動畫由 NASA 噴氣推進實驗室-加州理工學院提供，摘自維基共享資源。

但是在空間互聯網技術成熟之前，我們還需要克服一些障礙。

應用于空間互聯網的最優天線設計

實現空間互聯網商業化的關鍵一步是改進天線的設計，如碟式和充氣式衛星天線，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向軌道發送信號。為了達到目標，工程師們必須確保天線設計保持特定的輻射方向圖，以實現精確的長距離衛星通信（SatCom）。

兩種可應用于空間互聯網的天線：碟式衛星通信天線（左）和充氣式衛星通信天線（右）。碟式天線非常適用于此類應用，然而可攜帶性欠佳。考慮到天線需要易于部署和移動，充氣式衛星天線對于空間互聯網技術是更好的解決方案。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。

要想清楚空間互聯網應用需要哪種類型的輻射方向圖，現在忘掉遙遠的外太空，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，要求你盡可能地拉長它。你把面團拉成了細長的“面條”，使面條在斷開之前延伸最遠的距離。

類似地，為了將信號發送到太空中，我們需要生成輻射方向圖，它可以被畫成又細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星實現高效通信。

動畫示例展示了碟式反射器受到了圓形喇叭天線的激勵，及其對衛星通信應用的響應（使用 COMSOL Multiphysics® 軟件及其附加“RF模塊”創建）。生成的遠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、充氣式衛星天線以及類似于戰術衛星-4 的設備均為軸對稱形狀。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 軟件的附加產品——“RF 模塊”提供了這一種技術。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場輻射方向圖。如下圖所示，這些仿真結果表明，天線產生了非常尖銳的高增益輻射方向圖。對于空間互聯網技術來說，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天線設計，推動空間互聯網技術的開發，讓地球的每一個角落都與未來相連。