木卫二无边无垠且阳光照射不到，听起来可能异常惨淡凄凉。然而，它却是最有希望找到地外生命的星球之一。要设计一台能够在如此恶劣的环境下生存的机器人着陆器，需要在某种程度上重新考量它的所有系统，包括可以说是最重要的通信系统。毕竟，即使着陆器的其余部分能完美地运行，但如果无线电或天线断裂，我们就永远失去这台着陆器了。

我是美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室（JPL）的一名高级天线工程师。最终，当JPL开始认真考虑木卫二着陆器任务时，我们意识到，天线是其中的一个限制因素。当地球和木星处于最大分离点时，天线需要维持一条横跨5.5亿多英里（9亿千米）直达地球的链路。天线必须具有足够的抗辐射能力，才能在木星电离粒子的冲击下生存下来，而且还不能太重或太大，否则会在起飞和着陆时危及着陆器。挑战摆在面前时，有一位同事说这是不可能的。不管怎样，我们还是制造出了这样一种天线，虽然它是为木卫二设计的，但这是一项革命性的设计，我们已经顺利地将其用于以太阳系其他目的地为目标的未来任务中了。

目前，唯一计划向木卫二发射的是快船号轨道飞行器，这是NASA的一项飞行任务，将研究木卫二的化学成分和地质情况，可能于2024年启动。快船号还将为以后可能开展的着陆器登陆木卫二的任务进行勘测。此时，任何这样的着陆器都是概念性的。不过，NASA仍然资助了一个木卫二着陆器概念，因为要想成功地在这个冰封世界完成任务，我们需要开发一些关键性的新技术。木卫二和我们以前尝试登陆过的任何地方都不一样。

 为了更好地理解这种天线的工作原理，我们可以更仔细地看一下上文所述的晶胞。圆极化常用于空间通信。很多人可能更熟悉线极化，它通常用于地面无线信号；我们可以想象一下这样一个信号以二维正弦波的形式在一段距离内传播，比如说，与地面垂直或水平。而圆极化以三维螺旋的形式传播。这种螺旋模式使圆极化在外太空通信中非常有用，因为螺旋的“横截面”较大，不需要发射器和接收器精确排列。正如我们想象的那样，在7.5亿公里的距离上一直保持超精确排列几乎是不可能的。圆极化还有一个额外的好处，那就是当它到达地球时，它对地球的天气不是很敏感。比如，雨会使线极化信号比圆极化信号衰减得更快。

 组装起来后，新天线设计实现了3点：效率高、可处理大量电力，且对温度波动不是很敏感。放弃传统的介电材料转而采用空气板线和纯铝设计使我们的效率更高。它也是一个相控阵列，这意味着它使用了一组较小的天线来产生可操控的紧密聚焦信号。这种阵列的本质是每个独立单元只需要处理总传输功率的一小部分。因此，虽然每个单元只能处理极少的电力，但每个子阵列可以处理超过6千瓦的功率。这仍然很低，比火星漫游车的兆瓦级传输功率要低得多，但对于前文所述的适度下行速率来说已经足够了。最后，由于天线是用金属制成的，所以它会随着温度的变化而均匀地膨胀和收缩。事实上，我们之所以选择铝，原因之一就是因为这种金属不会随着温度的变化而膨胀或收缩太多。

 最初向木卫二着陆器项目提出这个天线概念时，我的想法受到了质疑。太空探索通常是一项非常需要规避风险的活动，其理由很充分——飞行任务成本高昂，一个错误就能让任务夭折。因此，人们不太可能会考虑新技术，而是会采用久经考验的方法。不过这次情况不同，因为没有新天线设计，就永远不会有木卫二任务。因此，我和团队被批准去证明这种天线可以发挥作用。

天线的设计、制造和测试只花了6个月的时间。一般而言，新的空间技术的开发周期通常是以年为单位的。我们取得了出色的成果。虽然我们的天线比其他天线更小、更轻，但它在发送和接收频段上都达到了80%的效率阈值。它也不需要精巧的常平架来帮它指向地球。相反，天线的子阵列可充当相控阵，能够在不改变天线方向的情况下形成信号方向。

热循环和振动测试是任何航天器硬件都需要通过的标准测试，但正如上文所述，木卫二的挑战性环境需要一些额外的非标准测试。我们通常会在消声室里做一些天线测试。消声室的房间墙面上有一些楔形物辨，这些楔形物可吸收信号反射。通过消除局部反射的干扰，消声室能够帮助我们确定天线在超长距离的信号传播情况。可以说，消声室模拟的是一个广阔的开放空间，因此我们可以测量信号的传播情况，并推断它在更长距离内的传播情况。

这个特殊的消声室测试很有趣，因为它是在超低温下进行的。由于无法让整个房间都变得非常寒冷，因此我们把天线放进一个密封的泡沫箱里。泡沫对天线的无线电传输来说是透明的，所以从实际测试的角度来看，泡沫相当于不存在。不过，把泡沫箱与充满液氮的换热板相连，我们就可以将其内部温度降低到-170℃。令我们高兴的是，我们发现，即使在那样寒冷的温度下，这种天线也具有强大的远距离信号传输能力。

最后一项不同寻常的天线测试是用电子轰炸来模拟木星的强辐射。我们使用了JPL的高频高压电子加速器，让天线在短时间内承受它在整个生命周期中将经受的所有电离辐射剂量。换言之，天线在加速器中待两天所受到的辐射量相当于前往木卫二的6到7年之旅加上在木卫二表面待40天所受到的辐射量之和。和消声室测试一样，我们也在尽可能接近木卫二表面条件的低温环境下进行了这项测试。