卫星通信利用射频电磁波实现地面与轨道卫星之间的信息传输。以地球静止轨道卫星为例，其轨道高度约为3.6 万公里。电磁信号经过数万公里的空间传播后，到达地面时已经十分微弱。

如何准确接收这些远距离传播后的微弱射频信号，并从中提取有效信息，是卫星通信和空间探测中的重要问题。

随着里德堡原子微波传感技术的发展，该技术也开始从实验室中的标准微波测量，逐步拓展到真实通信信号的探测。

2023 年，美国DEVCOM Army Research Laboratory（美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室，ARL）的研究人员利用里德堡原子传感器，对SiriusXM卫星广播的真实射频信号进行了测量，将里德堡原子微波传感进一步拓展到真实卫星信号探测。

如何让里德堡原子工作在卫星通信频段

SiriusXM卫星广播工作在2.320–2.345 GHz，属于特高频频段。传统接收系统通常先利用天线收集卫星射频信号，再经过滤波、放大和解调，最终恢复其中携带的信息。

对于里德堡原子，射频信号最终可以作用到原子量子态上，再通过光学响应将射频信号读取出来。但2.3 GHz并不是传统里德堡电磁诱导透明方案容易实现高灵敏共振探测的频段。

如果采用常规方案，在铷原子中探测低于约2.5 GHz 的信号，通常需要使用很高的主量子数，甚至达到n>90。但随着主量子数升高，激光激发效率、碰撞展宽以及能级稳定性等问题都会更加突出。

为了解决这个问题，ARL研究人员采用了双光场—双微波场（2O2M）里德堡光谱方案。

首先利用两束激光将原子激发到里德堡态，再加入一束微波缀饰场，将原子进一步耦合到更高角动量的里德堡态。这样便可以利用 F→G 高角动量态之间较低频率的微波跃迁，实现对2.3 GHz附近的信号进行高灵敏探测。

ARL研究团队首先在实验室条件下进行性能验证。利用可控射频信号，在2.281 GHz共振条件下测得约70(5) μV·m⁻¹·Hz⁻¹ᐟ² 的噪声等效电场灵敏度，相比传统远失谐探测方案提高约 57 倍；在SiriusXM频段中心附近的2.339 GHz，灵敏度达到约150(10) μV·m⁻¹·Hz⁻¹ᐟ²。

该方案将里德堡原子的高灵敏共振探测拓展到实际卫星通信使用的2.3GHz频段，为进一步探测真实卫星射频信号奠定了基础。

图1：2O2M方案实现卫星频段信号探测，图片来源Appl. Phys. Lett. 123, 084001 (2023)。

真实卫星信号如何进入原子接收链路

完成实验室性能验证后，研究人员进一步把SiriusXM的真实卫星广播信号接入原子测量系统。

信号经过约3.6万公里传播到达地面后已经十分微弱。因此，实验并不是让原子气室直接面对天空接收卫星信号，而是先利用传统射频前端完成信号的收集和增强。

卫星信号首先由10dBi天线接收，经过带通滤波和两级射频放大，总增益达到54dB，再通过约100m的LMR-400同轴电缆送入实验室，最后由波导将信号馈入里德堡原子区域。经过前端增益和波导耦合后，原子处的电场约为天线最初接收到电场的166倍。

卫星广播→ 地面天线 → 滤波与射频放大 → 波导耦合 → 里德堡原子 → 光学读出

这套系统本质上仍是传统卫星接收链路：天线和射频前端负责把微弱卫星信号收进来并放大，里德堡原子则主要作为后端的“原子混频器”，利用超外差方式将卫星信号变为低频拍频信号，再通过光学方式读出。

研究人员最终在 SiriusXM 的九个广播频段中探测到六个，其中三个来自卫星直接广播，三个来自地面中继站。原子传感器得到的输出频谱与进入原子系统前的射频频谱能够相互对应，说明真实 SiriusXM 广播信号已经可以通过原子超外差方式进行频谱探测和光学读取。

 图2：Sirius XM频谱测量，图片来源Appl. Phys. Lett. 123, 084001 (2023)。

总结

从实验室中的标准微波信号，到真实卫星广播信号，里德堡原子微波传感正在逐步走向更加实际的通信场景。

利用2O2M方案，里德堡原子的高灵敏共振探测拓展到2.3 GHz卫星通信频段；并进一步将SiriusXM的真实卫星射频信号引入原子测量链路，实现卫星广播频谱的原子探测和光学读出。

表明里德堡原子可以用于真实卫星通信信号的处理与读取。

不过，目前远距离弱信号的收集和增强仍然依赖传统天线、滤波器和射频放大器，整体系统并没有脱离传统射频接收架构，里德堡原子主要承担后端混频和光学读出的作用。

这项工作只是将原子混频器嵌入传统卫星接收链路，而不是构建一个真正由里德堡原子主导的卫星接收机。

未来，如果里德堡原子能够直接感知更微弱的卫星信号，并进一步完成解调和信息读取，就有望真正进入卫星通信系统。随着探测距离进一步增加，原子传感方式还可能进一步拓展到空间频谱监测和深空通信等场景。