Origami įkvėpta atspindžių matricos antena, kurią sukūrė Tokijo mokslo instituto tyrėjai, leidžia „CubeSat“ pasiekti didelį antenos stiprinimą, tuo pačiu laikantis mažų palydovų dydžio apribojimų. Sverdama vos 64 gramus, ji kompaktiškai sulankstoma 3U formato „CubeSat“ viduje paleidimui ir išsiplečia kosmose. Tokie dizainai galėtų palaikyti didesnės duomenų spartos ryšį, išplėsdami būsimų „CubeSat“ misijų, įskaitant tolimojo kosmoso ir Mėnulio tyrinėjimus, galimybes.
Pagaminta atspindžių matrica. (a) Vaizdas iš viršaus ir (b) vaizdas iš šono. Šaltinis: IEEE Transactions on Antennas and Propagation (2026). DOI: 10.1109/tap.2026.3656735
Didėjantis mažų palydovų naudojimas atveria naujas galimybes pažangioms kosmoso reikmėms. Tai apima „CubeSat“ – standartizuotų mažų, kubinių palydovų klasę. „CubeSat“ palydovai plačiai naudojami pigioms tyrimų misijoms ir kosminių technologijų, kurias kitaip būtų per brangu arba rizikinga naudoti didesniuose palydovuose, bandymams.
Šioms misijoms reikalingos patikimos ryšio sistemos. Tačiau dėl mažo „CubeSat“ dydžio sunku įdiegti įprastas didelio stiprinimo antenas, kurios paprastai yra per didelės ir sunkios. Siekdami įveikti šį apribojimą, inžinieriai kuria sulankstomas antenas, kurias galima kompaktiškai sudėti į palydovą paleidimo metu, o vėliau išskleisti, kai erdvėlaivis pasiekia orbitą.
Dabar Japonijos mokslo instituto „Science Tokyo“ mokslininkai sukūrė 5,8 GHz origami įkvėptą išskleidžiamą atspindžio matricos anteną, skirtą užtikrinti didelį antenos stiprinimą, tuo pačiu išliekant pakankamai kompaktiška mažiems palydovams. Antena skirta „OrigamiSat-2“ – 3U „CubeSat“, kurio matmenys – 10 cm × 10 cm × 34 cm, kurį kuria tas pats universitetas ir kurio paleidimas numatytas 2026 m. Sistema siekiama pagerinti mažų palydovų, naudojamų tokiose srityse kaip kosminės interneto paslaugos ir nelaimių stebėjimas, ryšio galimybes.
Tyrėjai sukūrė ir išbandė išskleidžiamą anteną 3U „CubeSat OrigamiSat-2“. Sverdama tik 64 gramus ir pasiekdama 265 % talpos rodiklį, ši antena leidžia „CubeSat“ perduoti duomenis dideliu greičiu, nepaisant jų kompaktiško dydžio. Nuotrauka: Tokijo mokslo institutas
Projektui vadovavo docentas Takashi Tomura kartu su magistrantais Kodai Suzuki ir Haruki Kurokawa iš Tokijo mokslo instituto Elektros ir elektronikos inžinerijos katedros bei profesoriumi Hiraku Sakamoto iš Tokijo mokslo instituto Mechanikos inžinerijos katedros. Tyrimas paskelbtas žurnale „IEEE Transactions on Antennas and Propagation“.
„Mūsų origami įkvėptą anteną galima kompaktiškai supakuoti ir patikimai išskleisti – tai labai svarbu norint patikrinti „CubeSat“ aparatinę įrangą prieš paleidimą“, – sako Tomura.
Anteną sudaro pagrindinis radiatorius, generuojantis radijo signalą, ir atspindžių masyvas, kuris nukreipia ir stiprina signalą. Atspindžių masyvas pagamintas iš lanksčios dviejų sluoksnių membranos, sudarytos iš laidžių ir dielektrinių techninių tekstilės gaminių. Šioje membranoje į vietą įsiūti lankstūs spausdintinių grandinių pagrindai, suformuoti į mažas U formos struktūras, kad susidarytų atspindžio matricos elementai, kurie kontroliuoja, kaip atsispindi radijo bangos.
Kad antena tilptų mažo palydovo viduje, kompozicinė membrana sulankstyta naudojant „flasher origami“ raštą. Visa sistema gali būti kompaktiškai laikoma vos 10 cm x 10 cm x 6 cm tūryje ir sveria tik 64 gramus, įskaitant išskleidimo mechanizmą.
Orbitoje antena išskleidžiama naudojant lengvas, formos atmintį turinčias strėles, kurios veikia panašiai kaip iššokantis mechanizmas ir išsiplečia maždaug iki 2,6 karto daugiau nei jų talpa, pasiekdamos 265 % talpos sandėlį.
Ryšio sistema naudoja spindulio pakreipimo pirminį radiatorių kartu su atspindžio matrica. Spindulio pakreipimo radiatorius padeda sumažinti signalo praradimą, kurį sukelia struktūrinis blokavimas, o atspindžio matricos elementai konvertuoja įeinančias tiesiškai poliarizuotas bangas į apskrito poliarizavimo bangas, tinkamas palydoviniam ryšiui.
Tyrėjai įvertino anteną atlikdami matavimus specialioje kameroje – patalpoje, kuri sugeria atspindžius, kad imituotų laisvos erdvės sąlygas. Šių bandymų metu antena pasiekė 18,0 dBic apskrito poliarizacijos stiprinimo koeficientą, o atspindžio matricos elementas sukūrė 280 laipsnių apskrito poliarizacijos atspindžio fazę.
„Mūsų rezultatai rodo, kad net ir itin maži palydovai gali nešti didelės diafragmos, didelio našumo antenas, o tai labai pagerina jų ryšio galimybes“, – sako Tomura.
Ateityje planuojant daugiau „CubeSat“ misijų, įskaitant misijas, kurioms reikalingas ryšys iki pat Mėnulio, tokios išskleidžiamos antenos konstrukcijos galėtų atlikti svarbų vaidmenį kosmoso tyrinėjimuose.
Kodai Suzuki et al, A 5.8-GHz-Band Origami Deployable Reflectarray Antenna for CubeSats, IEEE Transactions on Antennas and Propagation (2026). DOI: 10.1109/tap.2026.3656735
Journal information:IEEE Transactions on Antennas and Propagation