《IEEE Access》：Conformal Phased-Array Antenna Design for Enhanced LEO-to-GEO Inter-Satellite Communications
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针对低轨遥感卫星“数传窗口短、全球回传慢”的瓶颈，作者提出在1 U立方星角落布置Ka波段共形相控阵（CPAA），以300阵元、26.5 GHz实现电子波束跟踪。STK+PAST联合仿真表明，最优“四分之一圆+层距递增”布局把日均可视链路从10.9 h增至16.9 h，增益提升1.6 dB，旁瓣电平降低3.2 dB，为LEO星座实时回传提供了可扩展的低剖面解决方案。
当低轨遥感卫星掠过地面站，留给它“打电话报平安”的时间往往不到半小时；若任务区位于大洋中心，数据甚至要等十小时后才能下传。这种“快递变慢递”的尴尬，让灾害应急、军事侦察等时间敏感应用频频错失黄金决策窗口。传统办法——多建地面站、租极区站或上激光终端——要么烧钱，要么受气象、对准困扰。于是，科学家把目光投向24小时悬在头顶的地球同步轨道（GEO）卫星：如果能让成百上千颗立方星把数据先甩给GEO“二传手”，再由其转回主控中心，理论上可实现“全球零等待”回传。然而，立方星巴掌大的表面、紧张的能源和姿态抖动，让高增益、宽角覆盖、低旁瓣的天线成为“卡脖子”难题。
为回答“怎样用小尺寸天线把LEO-GEO链路日均通信时长最大化”，U?mit Güler团队开展了一项共形相控阵（CPAA）设计研究，论文发表于《IEEE Access》。作者以1 m立方星为模型，在Ka波段26.5 GHz（λ≈11.3 mm）部署300阵元，通过STK轨道视线分析与MATLAB Phased Array System Toolbox电磁仿真耦合，系统评估了阵元排布、层距递增参数对增益、旁瓣电平（SLL）和半功率波束宽度（HPBW）的影响。研究得出：将阵列紧凑布置于星体角落、采用“四分之一圆同心环+层间距离比（ILDR）0.02+元间距离比（IEDR）0.1”方案，可把日均可视窗口从45.6%提升到70.6%，最大指向增益提高1.6 dB，平均SLL降低0.79 dB，且主瓣更锐、无栅瓣，为下一代LEO星座提供了一种可扩展、模块化、低剖面的星间链路天线范式。
关键技术方法：
STK轨道仿真：计算LEO-GEO间距离、方位角/仰角时序，筛选每日可视时段。
MATLAB PAST电磁建模：在六面体表面布置非平面阵列，假设阵元无互耦，采用余弦方向图，窄带阵列因子合成远场。
参数扫描优化：固定总阵元300，以ILDR、IEDR为变量，遍历0–0.1步进0.01，统计最大/平均/最小指向性、SLL、HPBW，选取Pareto最优解。
研究结果：
II.A 坐标与阵列定义
建立以星体质心为原点的VVLH坐标系，X沿速度，Z指向地心，Y完成右手系；将六面编号为±X、±Y、±Z，按式(1)分段给出阵元坐标，使阵列共形贴附于表面。
II.B 仿真环境
STK提供真实轨道动力学视角，MATLAB完成电磁计算；两工具仰角定义相反，通过符号转换保持一致。
II.C LEO-GEO链路视线分析
GEO仰角在LEO周期内始终低于-25°；-Z面日可视3.28 h，+X/-X各3.65 h，+Y/-Y达6.5 h；六面全开可达16.9 h（70.6%）。但受载荷遮挡限制，实际优选三面组合。
II.D 最优天线布置策略
选-Z、+X、+Y三面交汇处为“角落区”，把300阵元均分于三面，远离中心以减小子阵间距导致的相位波纹。对比均匀矩形、V形、圆形、同心方环、同心圆环、四分之一圆等七种拓扑，发现：
V形与简单圆阵出现8–12 dB高旁瓣，能量分散；
同心方环或圆环在层距0.5λ时存在7–10 dB“花瓣”副瓣；
当层内距0.5λ、层间距按ILDR=0.02、IEDR=0.1递增时，四分之一圆布局主瓣尖锐、旁瓣被压至-17.97 dB，无栅瓣；
正方形同心环在相同参数下平均指向性25.51 dB，略低于四分之一圆，但最小旁瓣仅-16.79 dB，二者互有优劣。
III 结果
参数扫描显示：指向性随ILDR、IEDR先升后降，正方形方案对栅瓣更敏感；当约束平均SLL≥12 dB，四分之一圆最优参数ILDR=0.02、IEDR=0.1，平均指向性25.89 dB，比基准（ILDR=IEDR=0）提高1.22 dB，平均SLL降低0.79 dB；正方形方案ILDR=0.09、IEDR=0.1时平均指向性25.68 dB，平均SLL 8.84 dB，旁瓣抑制更佳但增益略低。两拓扑HPBW均随间距增大而减小，波束更锐。
结论与讨论：
角落共形布置充分利用立方星三维表面，把LEO-GEO日均链路时长提升45.6%，同时释放主面板给载荷与太阳翼。
通过ILDR、IEDR两个宏观参数即可在轨“软件定义”波束，兼顾高增益与低旁瓣，为星座批量生产提供统一硬件、差异化软件升级路径。
四分之一圆拓扑在指向性上领先，正方形拓扑在旁瓣抑制上更优，设计者可根据任务侧重灵活切换。
研究在理想无互耦、无遮挡条件下完成，下一步将引入CST/HFSS全波仿真，评估结构支架、太阳电池板遮挡及圆极化宽带设计，推动在轨演示。
该工作首次系统论证了“立方星+Ka波段+共形角落阵”技术路线，可把遥感数据从“小时级”延迟压缩到“分钟级”回传，为灾害应急、军事侦察、海洋监测等时间敏感场景提供了低成本、可复制的星间通信解决方案，也为我国正在规划建设的大规模低轨星座提供了一条轻量化、高性能的天线技术参考。
