蓬勃发展的 GEO 高通量卫星和正在来临的SpaceX、LEOSat、OneWeb 和 鸿雁之类 LEO 卫星星座，正推动着一波卫星通信浪潮。美国航天咨询公司北方天空研究所(NSＲ) 高级分析师 Brad Grady说，公司预测 2017 到 2027 年，电扫平板天线设备累计销售量将达到 180 万块。

在这即将到来的浪潮中，国内从业者应当加紧超宽带宽角扫描天线、高速传输处理、软件无线电通用平台、自适应数字波束形成(包含调零波束、多波束和高精度测向测角等)和低成本集成等关键技术研发，解决相控阵天线成本和性能 2 个主要痛点，制造出真正小型的相控阵天线和终端设备，满足企业级和消费级的高数据率增长、随时随地宽带接入需求，推动相控阵天线在GEO/NGSO 高通量卫星、卫星移动通信等卫星通信应用中大展身手。

从图可以看出StarLink的星座的相控阵天线不断增多，通道容量不断增加，地面终端的相控阵面积不断变小。StarLink的相控阵天线卫星通信技术不断具有竞争力。

解决这个问题有以下不同的技术路径：

1.使用转台控制天线的方位角和俯仰角，按照卫星的星历，计算出任意时刻卫星出现在当地的角度信息，以时间轴为引导进行持续跟踪。

2.获取卫星的下行信标信号，进行初始获取后使用信标进行极值跟踪。

3.使用相控阵天线，不断改变主瓣指向，从而实现卫星跟踪。

一、相控阵天线

1.1 概述

相控阵天线是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的，在特殊情况下，也可以控制副瓣电平、最小值位置和整个方向图的形状。相控阵天线的馈电相位一般用电子计算机控制，相位变化速度快（毫秒量级），天线方向图最大值指向或其他参数的变化迅速。

相比于传统的利用机械旋转天线的方式来实现波束扫描，相控阵天线具有高增益、波束捷变、高可靠性等优点，可以使雷达系统增大雷达作用距离，对付低可探测目标以及高速、高机动目标。相控阵天线除了在军事领域发挥巨大作用的同时，在民用上也具有很大的发展潜力，在港口及空中交通管制，气象预测预报，通信广播，射电天文等方面现已表现出广阔的用武之地。有源相控阵天线的每一个天线单元通道中均含有有源电路，对收发合一的相控阵天线来说，则是收/发（T/R）组件，每一个T/R组件相当于一个高频头，既有发射功率放大器，又有低噪声放大器、波束控制电路等多种功能电路。与无源相控阵天线相比，有源相控阵天线具有系统功率效率高、副瓣电平低、灵活性好和可靠性高等优点。
1.2 相控阵天线简介

相控阵天线由多个天线单元组成，通过改变每一天线单元通道传输信号的相位与幅度，改变相控阵列天线的口径照射函数，可以实现天线波束的快速扫描与形状变化。


                   

图1.1  相控阵雷达工作原理图

图1.1所示为一个发射和接收共用的线性相控阵列天线。发射时，发射机输出信号经功率分配网络分为N路信号，再经相移器移相后送至每一个天线单元，向空中辐射，使天线波束指向预定方向；接收时，N个天线的回波信号，分别通过相移器移相，经功率相加网络，实现信号相加，然后送至接收机。发射和接收信号的转换依靠收发开关实现。由这一原理图可见，它的天线系统是一个多通道系统，包括多个天线单元通道，每一通道中均包含有相移器。如果在每一个天线单元通道中接入有源部件，例如，功率放大器，低噪声放大器，混频器与收/发转换开关等电路，或接入将发射机、接收机、相移器和衰减器等集成在一起的发射/接收组件，则称为有源相控阵天线。

       
1.3 相控阵天线的主要技术特点
1）天线波束快速扫描能力

用电子控制方式实现相控阵天线波束指向快速转换，使天线波束具有快速扫描能力是相控阵天线的一个主要技术特点。克服机械扫描天线波束指向转换的惯性及由此带来的雷达性能的限制，是最初研究相控阵天线的一个主要原因。这一特点来自阵列天线中各天线单元通道内信号传输相位的快速变化能力；对宽带相控阵雷达，为实现这一特点，各单元通道内还要求信号传输时间能快速变化。对采用相移器的相控阵天线，天线波束指向的快速变换能力或快速扫描能力，在硬件上，决定于开关器件及其控制信号的计算、传输与转换时间。天线波束指向快速转换特点是相控阵雷达应运而生、高速发展的基本原因。

2）天线波束形状的捷变能力

相控阵天线波束形状的捷变能力是指相控阵天线波束形状的快速变化能力，描述天线波束形状的主要指标除了天线波瓣宽度（如半功率波瓣宽度）、天线副瓣电平、用于单脉冲测角的差波束零值深度等外，还有天线波束零点位置、零值深度、天线波束形状的非对称性、天线波束副瓣在主平面与非主平面的分布、天线后瓣电平等。

3）空间功率合成能力

相控阵天线的另一个重要技术特点是相控阵天线的空间功率合成能力。采用阵列天线之后，可在每一个天线单元或每一个子天线阵设置发射信号功率放大器。依靠相移器的相位变换，使发射天线波束定向发射，即将各单元通道或各子阵通道中的发射信号聚焦于某一空间方向。

4）多波束形成能力

相控阵天线的另一技术特点是易于形成多个天线波束。多波束形成可以在天线单元级别上实现，也可在子天线阵级别上实现，这一技术特点可以使相控阵雷达实现更多的功能。

由于相控阵天线是由多个空间上分散布置的天线单元构成，每个单元通道中信号传输时间、相位与幅度在计算机控制下均可快速变化。因此相控阵天线具有快速变化的空域滤波能力。这是一般机械扫描天线所不具备的。

多波束相控阵天线可以利用波束形成网络同时实现多个独立的高增益波束，是低轨卫星星座的核心载荷之一，它具有灵活度高、扫描角域宽、可靠性高等优点，不仅可以满足广域覆盖、宽带传输，而且还能实现随遇接入、多点通信等迫切需求。

相控阵天线是一种具有电子转向功能的天线阵列，不需要天线进行任何物理移动，即可改变辐射信号的方向和形状。这种电子转向要归功于阵列中每个天线的辐射信号之间的相位差。

相控阵天线的基本原理是两个或多个辐射信号出现依赖相位的叠加。当信号同相时，它们会结合在一起，形成一个幅度相加的信号。当信号反相时，它们会相互抵消。
共有三种类型的相控阵天线：线性阵列、平面阵列、 频率扫描阵列。

相控阵天线包括多个发射器，用于高频射频应用中的波束成形。相控阵天线中的发射器数量可以从几个到几千个不等。使用相控阵天线的目的是利用两个或多个辐射信号之间的建设性干扰来控制发射波束的方向。这在天线界称为“波束成形”。

相控阵天线通过调整发送到阵列中每个发射器的驱动信号的相位差来实现波束成形。因此，不需要天线进行任何物理移动，就可以控制辐射方向，使其指向一个目标。这意味着沿某一特定方向的波束成形是全向发射器之间的干扰效应。

当相控阵中每个发射器发射的信号完全同相时，它们会发生建设性干扰，产生强烈的辐射，但这只发生在特定的方向上。这个方向是通过设置发送到不同发射器的信号之间的相移来控制的。要控制相移，对于发送到阵列中一系列连续发射器的信号，需要在它们之间设置一个轻微的时间延迟。在主波束发射方向之外，波束强度下降。由于信号是周期性的，所以在波束方向图中也会存在旁瓣，但确实可以沿着一个特定的方向得到一个非常强的波束。





对比单极子天线和由单极子天线组成的相控阵天线。单极子天线在垂直于天线轴线的平面内向所有方向发射信号。当多个单极子天线构成相控阵时，波面会相互干扰，形成一个平坦的相位波面。

相控阵技术的优势

相控阵天线的波束成形在高频率（大约等于或高于 WiFi 频率）下是必要的，用于克服传输过程中的损失。有了大小合适的相控阵天线，高增益发射器的辐射可以指向一个广泛的立体角。

相控阵技术有助于增强集体信号或辐射方向图的特征。来自辐射器的单个信号和来自相控阵天线的集体信号的特征就像彼此分离的两极。形成阵列后，各种参数和数量都有所提升，具体可以总结为以下几点：




1. 功率：聚合信号的功率是单个信号功率的总和，因此，强度会增加。

2. 波束成形：波束的形状可以由单个信号的相位差来控制，与单个天线相比，相控阵天线的辐射方向图更窄。

3. 波束转向：无需机械转向，因此波束转向或波束定位十分灵活。波束转向是通过电子可变移相器实现的。






4. 多波束：在移相器的帮助下，相控阵天线可以合成数百个波束。
5. 可选数字/混频器方案：移相可以通过模拟或数字方式实现。模拟移相器依靠的是信号的下变频和时移。数字方式指的是对中频 (IF) 混频器或本地振荡器 (LO) 信号进行移相。
6. 重量：相控阵天线的重量比机械转向的单个天线要轻。
7. 成本：机械转向的天线可以用价格较低的相控阵天线取代，但分辨率保持不变。
8. 可靠性：相控阵天线的可靠性要比单个天线高得多。如果一个阵列天线受损，阵列中的其余天线将继续运行，但辐射方向图会有轻微的改变。


相控阵天线的类型
根据单个天线的排列方式和移相器的数量，相控阵天线可分为三种类型。具体如下：
线性阵列
阵列元件摆放呈一条直线，有一个单相移位器。即使天线的排列很简单，但波束转向也只限于一个平面。几个线性阵列垂直排列可以形成平面天线。

线性阵列天线
平面阵列
对于平面阵列中的每个天线，都配有一个移相器。各个天线呈矩阵排列，形成了平面排列。波束可以在两个平面上偏转。平面阵列天线的缺点是需要大量的移相器。



平面阵列天线：a)侧视图 b)俯视图
频率扫描阵列
如果波束转向控制是发射器频率的一个函数，那么利用这种技术的相控阵天线就可称为频率扫描阵列天线。频率扫描阵列天线中没有移相器，波束转向由发射器的频率控制。



a) 频率扫描阵列天线结构 b) 波束的传播方向


未来的底轨卫星通信需要运用各种关键技术，如多点接入、多波束、高增益和超密集网络。天线设计师准备利用相控阵天线来满足未来无线通信系统的要求。

国外对星载多波束相控阵天线的研究已经历了40 余年的时间。早在20世纪八九十年代，美国就已经将多波束相控阵天线应用到低轨卫星星座领域。根据低轨卫星星座的发展历程，低轨星载多波束相控阵天线可以划分为3个发展阶段，如图1所示。



图1星载多波束相控阵天线的发展历程

值得一提的是，提供电子转向的相控阵技术是射频无线通信系统中的一项资产。有了相控阵天线，就可以在不损失分辨率的情况下以电子方式增强发射或接收波束的方向、强度和形状。

国外对光控天线的研究已经历了20余年的时间,从20世纪80年代至今,美国军方一直重视光电子技术在微波领域的应用,并专项专款长期支持光控相控阵天线及相关微波光子器件的研究和开发。经过国际上各大公司、研究所、高校20余年的联合努力,光控相控阵天线取得丰硕的研究成果。目前第一代和第二代光控相控阵天线地面和机载应用研究已进入工程化,第三代光控相控阵天线正进行实验室研究,星载应用研究即将步入飞行试验阶段。除美国外,其他国家也在积极开展有关光控相控阵天线研究。

1.1第一代低轨星载多波束相控阵天线

1985年,ITT的Gardone在实验室搭建了产生3波束的光控相控阵系统,给出了光控阵的设计思想及实验系统图。1994 年,Westinghouse 的Akis Goutzoulis等演示并测试了16单元、发射频率为0.35~2.1GHz的6bit WDMTTD(波分复用实时延迟)系统,用这种结构紧凑的系统在TTD(True Time Delay)±45°的扫描范围内获得了0.6~1.5GHz稳定无偏斜的天线方向图。


第一代光控相控阵天线主要研究光控相控阵的设计思想、技术可行性以及样机测试情况,验证光控波束形成原理,确定光控相控阵天线的关键技术和设计方法。

    1987年，美国摩托罗拉公司提出并部署了第一代真正依靠低轨卫星星座提供联系的全球个人通信系统，并将之命名为“铱星(Iridium)”[1-2]。铱星星座由分布在6个极轨道平面上的66颗卫星组成，轨道高度为780公里，轨道倾角为86.4°。如图2(a)所示，每颗卫星的主任务天线由3个收发共用的L频段有源多波束相控阵天线组成，它们以一定角度面向地球，提供从卫星到地面用户的L频段链路。每副相控阵天线采用固定波束覆盖方法，其16点波束覆盖图如图2(b)所示。

    如图2(c)和图2(d)所示，每副相控阵天线阵列由106个轻量贴片辐射器组成，每个辐射器由一个T/R模块驱动，这些模块又由优化的波束形成网络共同激发。贴片阵列安装在铝质蜂窝平板上，功率调节器和T/R模块也粘合在该平板结构上，以获得良好的热和机械连接。模拟波束形成网络由8个16×16 Butler矩阵组成，这些矩阵依次由10个8×8正交Butler矩阵馈送，可用于形成16个优化的接收/发射赋形波束，其中T/R模块用于在接收状态中保持高G/T并在发射状态下生成高效的EIRP。因此每颗卫星总共可以产生48个波束。





图2铱星星座




随着高通量卫星、低轨卫星星座的蓬勃发展，受益于规模经济的相控阵天线因其特有的优势，在卫星通信中得到了越来越广泛的应用。针对当前卫星通信系统对相控阵天线性能、形式的具体需求，详细介绍了国内外相控阵天线在中低轨道、同步轨道卫星以及用户终端的应用情况，结合超宽带宽角扫描、高速传输处理、软件无线电通用平台、自适应数字波束形成和低成本集成等关键技术，对卫星通信中相控阵天线的发展趋势进行了展望。









卫星通信具有覆盖范围广、传输距离远、通信容量大、传输质量好、组网灵活迅速和保密性高等众多优点，已成为当今极具竞争力的通信手段。随着高通量卫星通信的逐步应用，卫星的传输容量显著提高，单位带宽的成本大幅降低 ，给人们的生活、生产带来了极大的便利。相控阵天线是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状，控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，已达到波束扫描的目的，也可以通过加权优化控制副瓣电平、最小值位置等参数。在卫星通信系统空间段和用户终端相控阵天线都有应用，在空间段主要是利用相控阵天线的同时多点波束、敏捷波束和空域滤波能力，在用户终端则是看中其低轮廓、灵活波束形成处理、空域自适应调零滤波以及潜在的低成本等特点。

相控阵天线在卫星通信中的应用主要有直接辐射相控阵(Direct Ｒadiating Arrays，DＲA)和阵列馈源反射面天线 ( Array Fed Ｒeflectors，AFＲ) 2 种 形式 。DＲA 收发信号直接辐射，通过射频波束形成网络(BFN)或数字波束形成满足同时多点波束、敏捷波束、波束重构和宽角扫描等需求，费用和功耗较高。AFＲ 采用赋形反射面天线结合相控阵馈源阵列的方式，利用偏焦馈电形成多个不同指向的波束，同时满足高增益、低功耗、低成本、多点波束和波束扫描的需求，利用馈源焦平面阵列可以改善反射面的漏射率，提高天线辐射效率 EIＲP，另外阵列激励技术还可用于补偿反射面加工误差或老化造成的扭曲变形。

对于 LEO 通信卫星，由于轨道低，星地传输距离短，自由空间损耗小，同时要求天线具备较大扫描角(通常对地覆盖角度不小于±60°)，因此，该轨道上的卫星用户链路一般都采用直接辐射相控阵配置。除了宽扫描角外，该相控阵天线还具有低轮廓、低功耗、波束数量较少(通常小于 50 个波束)和重量轻等特点，其波束形成网络从早期的射频 BFN 逐步发展为数字波束形成，可实现灵活的多波束、波束调整重构，以及波束凝视、等通量覆盖。数字波束形成的挑战主要是利用高效的算法、以最小的计算资源得到所需的波束权值。目前，通常采用查表法读取预先存储的权值系数，未来可通过在轨重构技术实现权值更新或通过实时计算自适应更新权值系数。

中低轨道卫星的相控阵天线通信应用可以追溯到铱星和全球星系统，1987 年摩托罗拉提出和负责制造的铱星系统由 66 颗低轨卫星组成，星载主任务天线(Main Mission Antenna)采用 3 个有源相控阵板，如图 1(a)所示，以一定的角度面向地球，提供卫星到地面用户的 L 频段链路，每个有源相控阵由106 个阵元和 T/Ｒ，以及波束形成网络组成，每个 T/Ｒ 组件有一个 5 bit 移相器和一个 6 bit 衰减器，功率放大器采用 PHEMT FET，波束形成策略是基于两维交叉 Butler 矩阵和功分器形成 16 个点波束，如图 1(b)所示，整星共计 48 个点波束指向地球 。






图 1  铱星 MMA 天线及波束覆盖示意





全球星 1 代(GB1)则采用 91 个发射阵元(S 频段下行链路)和 61 个接收阵元(L 频段上行链路)的六边形阵列布局，采用功分器和合成器方式的射频波束成形网络来形成 16 个点波束。为提高在轨寿命(从 GB1 的 7．5 年到 2 代的 15 年)和降低费用，2010 年开始建设的全球星 2 代(GB2)发射天线采用半有源相控阵天线，即采用 2 副无源多面穹圆顶形天线(TX10，TX6)形成 16 个波束 ，并由多端口功放提供信号放大，由 TX10 喇叭实现中心的波束1，TX10 剩余的 9 个阵面形成外围的 9 个波束，TX6的 6 个阵面(每阵面 8 阵元)形成中间圆的 6 个波束，而且多端口功放可以实现波束间的功率调节。L 频段接收则继承 GB1 采用有源相控阵天线，把阵元数减少到 52，优化成本，波束赋形通过调节无源移相器和衰减器实现，如图 2 所示。






图 2  GB2 相控阵天线




国内上海微小卫星工程中心于 2009 年完成16 个发射波束的有源阵列天线原理样机研制与测试，该 S 频段有源阵列天线由 61 个天线阵元等三角形栅格排列组成 一个正六边形平面阵，如图 3(a)所示，采用数字波束形成网络形成 16“等通量”覆盖波束，如图 3(b)和图 3(c)所示，经测试中心波束峰值增益为 10．5 dB，第 2 层波束峰值增益为13 dB，第 3 层波束峰值增益达到 16．8 dB 以上，中心波束指向误差为 0．4°。其数字波束形成采用查表法节约乘法器资源，利用正六边形关于 120°的旋转对称性，根据波束空间阵列分解结果设计复用结构，以各波束为中心完成波束成形乘法运算，然后以阵元为中心进行对应的累加运算，完成波束成形操作，极大地利用各子阵间共用成形系数，节省 2/3 的硬件资源。













图 3 小卫星相控阵天线布局和波束等通量覆盖

同步轨道卫星上的相控阵天线通信应用主要分为 2 个方面:大容量/超大容量通信卫星应用中多采用 X/Ku/Ka 频段直接辐射相控阵天线，例如 Space-way3，ViaSat，WINDS，AEHF，WGS 等卫星，需要解决宽带、高通信速率、敏捷波束调整、自适应调零抗干扰和高可靠等难点;卫星移动通信应用中多采用大型 L/S 频段阵列馈源反射面天线形成多点波束，例如 AcES，Thuraya，Inmarsat－4，ICO-GEO，Terrestar－2，Skyterra－2，天通 －1 等卫星。






图 4  返向链路 GBBF 系统架构示意

替代 Milstar 卫星的 AEHF 星座覆盖南北纬 65°间的广大地区，用于包括核战争在内的各种规模战争中，为关键战略和战术部队提供防截获、抗干扰、高保密和高生存能力的全球卫星通信 。鉴于功率和费用方面考虑，AEHF 的可控波束同时采用万向传动天线和相控阵天线，相控阵用于跳动速率远远快于可能采用万向传动天线的移动波束。2010年 8 月发射了第一颗先进极高频卫星，如图 5 所示，卫星有 2 个发射相控阵，采用 271 个单元，单元间距2．4 波长，工作在 Ka 频段，采用跳波束相控阵天线独有的“超敏捷”服务，可以为指挥部和 160 个实时移动的孤立用户之间提供即时通信覆盖，接收相控阵一个，采用了先进的自适应抗干扰技术。



图 5  AEHF 卫星天线布局

商用高通量卫星通信方面，截至 2016 年全球约40 家卫星运营商中，已经有 26 个卫星运营商投资超过60 颗高通量卫星或部分载荷，并呈加速发展趋势。高通量卫星系统容量从第一代的 10 Gbit/s左右发展到 100 Gbit/s 左右，未来 HTS 卫星系统容量将达到 Tbit/s 量级，例如规划中的 ViaSat－3 卫星，单星达到 1 Tbit/s 的系统容量，可灵活地将容量动态分配到需要的地方，预计 2019 发射第一颗卫星。2007 年 8 月发射的 Spaceway3 采用 Ka 频段无源相控阵天线 ，可帮助进行功率和波束动态调整，阵列规模为 1 500，可生成 24 个下行波束(在784 波束位置上跳变)，上行采用双偏卡塞格伦发射面，形成 112 个波束，如图 6 所示，Spaceway3 卫星具有很强的应用适应能力，针对小型终端用户进行功率和速据率优化。






图 6   Spaceway－3 卫星波束及通信架构

2008 年 2 月发射的日本 WINDS 卫星，星上安装了用于大容量、高速通信的 Ka 频段有源相控阵天线，如图 7 所示，实现 2 个独立可控移动点波束，每个波束可跳变 8 个区域，实现时分多址(TDMA)的通信模式。发射天线、接收天线各包含 128 个天线单元，天线的辐射单元为角锥喇叭天线形式，其排列考虑到了对地扫描的需求，确保天线波束栅瓣在地球之外，采用三角形网络，单元间距 2．7 波长。为了得到最大增益，采取等幅馈电。






图 7  Winds 星载相控阵




卫星移动通信系统可与地面移动通信系统互补，实现个人通信全球化。用户链路采用较低的UHF 频段、L 和 S 频段，具有传播损耗小、雨衰影响小、穿透和绕射能力强等特点，同时，利用阵列馈源反射面天线大反射面的窄波束和相控阵的灵活性，形成 100 ～ 500 个点波束覆盖，结合频率和极化复用，可以实现卫星移动通信系统的大容量和用户终端小型化设计。2010 年 11 月发射的 Skyterra－1 卫星，如图 8 所示。






图 8  Skyterra－1 L 频段大型可展开天线




采用 22 m L 频段大型可展开网状天线，配合相控阵馈源阵列以及 GBBF 技术可实现多达 500 个波束，其采用的 GBBF 技术简化星上有效载荷设计，将复杂的星上处理工作交由地面信关站处理，并能根据用户需求调整波束数量和形状，灵活分配星上容量和带宽，相比星上数字波束形成，可有效降低风险。2013 年发射的 Terrestar－2，同样采用 18 m 金属网反射面天线，配合 GBBF 技术，实现 500 个可变波束，系统能够广泛支持宽带移动接入业务。




另外，还有美国跟踪与数据中继卫星系列，星上采用一个 S 频段多址相控阵天线，如图 9 所示，30个螺旋阵列天线，接收时形成 20 个波束，发射时用12 阵元形成 1 个波束;美国第二代“跟踪与数据中继卫星”的 S 频段多波束相控阵天线阵元为微带贴片子阵，收发阵分开，星上模拟多波束形成，天线接收链路单元数为 32 个，波束为 6 个，使得返向数传速率提高到 3 Mbit/s，天线发射采用 15 个阵元，前向波束为 2 个，传输速率为 300 kbit/s。






图 9  跟踪与数据中继卫星





2 相控阵天线在卫星用户终端的应用




相控阵天线在卫星用户终端的潜在应用主要考虑移动卫星通信中的发射多波束切换管理、避免干扰其他卫星、多星信号灵活接收以及 GEO 与 LEO/MEO 系统的相互操作。对于 LEO，MEO 卫星通信，卫星在轨道上不停地快速运动，地面天线要保持跟踪天空中“飞行”的卫星，并能很快地从跟踪一颗卫星切换到另一颗，如果使用传统机械式天线，除非是双天线，否则无法在不造成通信中断的情况下连续跟踪卫星。相控阵等电扫描平板电线的应用将大大改善上述情况，由于没有机械部件，低轮廓、高可靠性，甚至一副天线可以支持多星同时工作，非常有利于 NGSO 卫星通信。但是，相控阵天线应用有一个极大的挑战，当波束指向 60°或偏离视轴更远时会发生增益下降，因此需要多副天线形成一个完整视场。

当前国际上几家较有名的电扫描平板天线厂家包括 Phasor 公 司、C-COM 公 司、Isotropic 公 司、SatixFy 公司、ThinKom 公司和 AvL 公司等，既有老牌的抛物面天线技术公司，也有像 Phasor，Isotropic这样新锐的天线企业。在高通量航空应用中，业界通常认为平板天线需要提供 100 Mbps 以上的数据传输能力。

Phasor 公司研发的低成本相控阵天线，采用具有电子波束成形功能的专用集成电路(ASIC)，这些芯片与非常小的贴片天线组合成一个单元，超过500 个单元分布在经过射频优化的面板上，构成了Phasor 核心模块的基础。核心模块可以构成各种尺寸和配置，高度只有 25～50 mm 的相控阵天线，具有重量轻、面积小、精度高和扩展能力强等特点，能够以非常高的增益提供超过 100 Mbps 的宽带速度，如图 10 所示，采用共形设计，以便在更大的 180°范围内扫描，双波束技术使 LEO 和 GEO 可互操作。



图 10 Phasor 天线效果图

C-COM 是一家有 20 多年固定和移动 VSAT 车顶天线生成历史的公司，与滑铁卢大学合作研究适应未来应用的相控阵技术，希望将模块化有源相控阵系统推向市场。该公司天线采用先进的软件算法来控制和校准模块，并通过批量生产的方式大大降低开发成本。2016 年 5 月，C-COM 基于其专利移相器技术，成功测试了首款 4* 4 Ka 频段相控阵智能天线模块，该模块基于创新架构的低成本多层平面电路，具有灵活度高、厚度小、模块化、一致性和适应性强等特点。

Isotropic 公司专注于低成本、全电扫卫星天线，作为 SES，Inmasat，OneWeb 的合作伙伴，该公司为 OneWeb 研发的兼容终端旨在通过超前的方式为新兴市场提供超低成本的宽带，以弥合数字鸿沟，预计 Ku 频段终端低于 300 美元，Ka 频段终端低于450 美元。Isotropic 在 2018 年美国卫星大会发布的概念天线如图 11 所示。



图 11  Isotropic 天线效果图

AvL 技术公司被广泛认为是抛物面天线技术的龙头，在全球部署 25 000 多副天线系统，数百万人用它实现卫星通信。2018 年美国卫星大会上首次展出的新型 Ka 频段卫通终端 DarkWing，如图 12 所示，是与 L3 技术公司、GCS 公司联合研制的小型平板天线，可装入标准 432 mm 笔记本电脑包中。






图 12 AvL 技术公司的平板天线





国内方面，中国电科在展会上展出其基于民航应用的 Ka 频段宽带相控阵天线，如图 13 所示。






图 13 中国电科的相控阵天线

部分新锐毫米波公司开展多通道多功能芯片集成单片的尝试，采用硅基 CMOS 工艺和砷化镓化合物工艺，集成单片发射芯片和接收芯片，并基于该多通道多功能芯片开发出 Ka 频段相控阵天线样机，如图 14 所示的微波多层板相控阵天线。



图 14 微波多层板相控阵天线照片

    1991年，美国 LQSS公司向美国联邦通信委员会（FCC）提出了全球星(Globalstar)系统^[3]。它是一个为全球用户提供卫星语音和数据移动服务的低轨卫星移动通信系统，由分布在8个轨道平面上的48颗LEO卫星组成，可实现全球南北纬70°的全覆盖。

    如图3(a)所示，卫星系统的发射和接收天线是分开设计的，且分别工作在S频段和L频段。二者皆采用固定波束覆盖方案，波束覆盖图分别如图3(b)和图3(c)所示。由61个单元组成的L频段16波束相控阵天线负责接收来自地面移动终端的信号，而由91个单元组成的S频段16波束相控阵天线用于向地面移动终端发送信号。以S频段发射天线为例，如图4所示，天线的顶部是辐射阵列，底部是由固态功率放大器和带通滤波器组成的密封模块。辐射阵列是六边形平面阵列结构，其中单元呈等边三角形排列。密封模块放置在波束形成器上方的散热器上。具有16层结构的模拟波束形成器呈圆形排列，其多波束形成策略是利用功率分配器和功率合路器组成的射频波束形成网络，形成16个波束。



图3全球星系统





图4全球星系统发射天线

    第一代低轨星载多波束相控阵天线工作在L/S等较低频段，带宽较窄；采用模拟波束形成网络实现固定波束覆盖，且波束数量一般不超过16个。

1.2第二代低轨星载多波束相控阵天线

1996年以后,光控相控阵天线主要开展面向应用的研究。1999年美国提出了EHF频段通信卫星光控相控阵天线设计,卫星采用光控波束形成网络,有效增加了天线带宽,提高了卫星的通信容量。欧洲以射电天线应用为背景开展了光控相控阵天线研究,2012年完成的光控相控阵天线样机在1.1~1.5G扫描23.5°的情况下有效避免了传统相控阵天线的“孔径效应”。


第二代光控相控阵天线完成了光控相控阵天线的二维扫描能力验证,掌握了可变光延时、多光束集成探测等基于光控波束形成的多波束相控阵天线关键技术,将光控相控阵天线推向实用阶段。

新铱星公司于2007年提出的铱星二代(Iridium NEXT)计划是第二代铱星系统，可以提供高质量的语音和数据通信^[10]。它由66颗LEO卫星和另外9颗在轨备用卫星以及6颗地面备份卫星组成。铱星二代的轨道参数与铱星的轨道参数是一致的。

    如图5所示，卫星的主任务天线是一个L频段由120个单元组成的平板相控阵天线，可产生48个发射和接收波束，用于与用户终端通信。同时，每颗卫星还使用两个Ka波段馈线链路天线生成两个20/30 GHz的可移动波束以与地面网关相连接。此外，该系统还支持星间链路功能，可通过两个固定天线和两个可动天线实现同一轨道前后及相邻轨道平面左右共4颗卫星之间的通信连接。

  2010年开始建设的全球星二代(Globalstar-2)^[11]是第二代全球星系统，它继承了全球星的关键技术，采用了相似的平台，并仍然采用收发分开的固定多波束相控阵天线体制。如图6所示，为了增加在轨寿命（从Globalstar-1的7.5年增加到Globalstar-2的15年）和降低成本，S频段发射天线采用了半有源相控阵天线，即发射天线采用两个无源多面圆顶天线（TX10、TX6）组成16个波束和一个多端口放大器提供信号放大。中心波束1由TX10的喇叭生成。此外，TX10的其余9个辐射面形成9个波束，TX6的6个辐射面（每个辐射面有8个单元）在中间形成6个波束。此外，多端口功率放大器可以实现波束之间的功率调节。接收天线仍采用L波段有源16波束相控阵天线。接收天线由52个单元间距为0.6波长的辐射单元、滤波器和低噪声放大器以及波束形成网络组成。具有7个多层板的模拟波束成形网络能够使用3 dB混合分配器来提供低色散波束成形性能。





图5铱星二代系统





图6全球星二代系统

    第二代低轨星载多波束相控阵天线仍然工作在L/S等较低频段；采用模拟波束形成网络实现固定波束覆盖，单副天线产生的最大波束数量增加到48个。




1.3第三代低轨星载多波束相控阵天线

   随着单片微波集成电路(MMIC)技术的不断发展,现有光器件在体积、重量、成本等方面的不足愈发明显。面对系统多功能混合集成的发展趋势,光控相控阵天线必须要在集成光波导上实现突破。

2010年,欧洲采用对硅基氮化硅波导微环的慢光可调谐延时开展了波束形成网络研究,其特殊的波导材料和结构克服了高密度集成和损耗的瓶颈,成功研制了多种不同规模的片上光波束形成网络。2014年,欧洲在基于氮化硅波导材料和结构技术的基础上进一步研究混合集成技术,即通过该技术完善无源光子系统,通过集成阵列化的射频光调制芯片完成了片上的电光转换功能与无源光学波束网络系统的集成化,初步形成了有源无源混合集成光学芯片。2018年,Duarte等完成了光控相控阵天线射频入射频出的全光芯片的研制和演示验证。

第三代光控相控阵天线实现了光控相控阵天线高集成度设计和验证,需要突破有源无源芯片级集成设计和工艺,实现光控相控阵天线的微波光子高密度集成。

2015年，美国SpaceX公司提出了大规模巨型星座计划Starlink，其目标是为全球提供高速、低时延宽带接入服务^[12-13]。Starlink星座由分布在 550km 处的 4409 颗卫星和分布在 340km 高度处的 7518 颗卫星组成。截至2022年9月15日，SpaceX已经发射了 3293 颗卫星，其中包含两颗试验卫星，最近一次发射发生在2022年9月11日，将34颗卫星发射到低地球轨道上。

    Starlink卫星部署的Ku频段多波束相控阵天线代表了民商用通信卫星相控阵天线的最新水平，它采用了跳波束覆盖技术，并于2019年实现了在轨应用。如图7所示，相控阵天线采用由内向外逐渐稀布的方式。它采用瓦片式构架, 总体来说分为4层，包括天线阵面层，映射层，多工馈电层和波束形成层。波束形成部分使用仅包含移相器的 8 通道 8 波束多功能芯片，这可以降低芯片成本、尺寸和功耗。在该方案中，多个天线波束和相位扫描功能由多功能芯片实现，振幅加权由阵列排列实现。





图7Starlink系统

    OneWeb星座是美国OneWeb公司建设的新一代宽带低轨卫星星座通信系统,其目标是能够向全球提供无缝且价格适宜的的宽带互联网接入服务^[12,14]。根据OneWeb卫星公司于2021年1月向FCC提交的申请文件，OneWeb星座布局设计应该包括6372颗低轨卫星和1280颗中地球轨道卫星。

    每颗卫星能够产生16个Ku频段椭圆形用户波束和两个Ka频段馈电波束，可以灵活地对地面特定区域进行连续覆盖。如图8(b)和图8(c)所示，用户链路天线采用一个由16个线型馈源组成的Ku无源多波束相控阵天线，来形成16个长椭圆形状固定波束。该天线采用了紧凑型模拟波束形成网络来对金属辐射器的两个极化进行馈电。此外，该天线还采用了一种刀片型天线外形设计以满足卫星对质量和成本的限制。

    近年来，国内众多单位也积极开展了低轨通信卫星试验系统的研制^[15-16]。例如中国航天科技集团的鸿雁星座包含864颗卫星，其中72颗为L频段窄带系统，提供话音业务；792颗为Ka频段宽带系统，提供数据业务^[15]。中国航天科工集团虹云星座包含156颗卫星组成的Ka频段宽带低轨卫星星座；行云星座包含80颗卫星，提供窄带物联网服务。中电科集团天地一体化信息网络天象星座包含60颗综合星和60颗宽带星的星座系统。2021年4月26日，中国卫星网络集团有限公司成立，其向ITU提交了两个低轨卫星星座的频谱申请^[16]，总计卫星数量高为12992颗，这标志着我国低轨卫星星座正式进入如火如荼的发展阶段。此外，国内众多民营商业航天公司，如银河航天和九天微星等，也在进行低轨卫星系统的设计与研发。

    其中，如图9所示，在中国航天科技集团研制的鸿雁星座通信系统中，采用Ka频段4波束相控阵天线，从而形成4个独立发射波束和4个独立接收波束，并且在轨成功验证了跳波束宽带通信技术。





图8OneWeb系统



图9鸿雁首发星

    第三代低轨星载多波束相控阵天线主要工作在Ku和Ka频段，并有望朝着Q/V等更高频方向发展；目前主要采用模拟波束形成技术，但数字波束形成技术是其未来发展趋势；跳波束覆盖方式逐渐取代固定波束覆盖方式以实现灵活覆盖。

2  星载相控阵天线的多波束形成技术




波束形成网络是星载多波束相控阵天线的关键，其核心是多波束形成技术。按照波束形成方式来划分，多波束形成技术包括模拟波束形成、数字波束形成和光控波束形成3种，其中模拟波束形成技术是目前星载多波束相控阵天线最常用的一种方式。

模拟波束形成技术^[9,17]具有宽带、损耗小、成本低等优点，但是随着波束数量的增加， 天线系统付出的代价也随之成倍增加，因而在实际工程中难以实现大规模的波束数量。模拟波束形成网络主要可以划分为两种类型，即电路式和移相器式模拟波束形成网络。早期的模拟波束形成网络主要是电路式模拟波束形成网络，最有代表性的便是Butler矩阵和Blass矩阵^[18]。例如，Iridium系统中的星载多波束相控阵天线就采用了模拟波束形成网络，该网络由8个16×16 Butler矩阵组成，这些矩阵依次由10个8×8正交Butler矩阵馈送，可用于形成16个接收/发射波束^[1,2]。后来，移相器式模拟波束形成网络开始出现并广泛应用到星载领域。它使用移相器和衰减器来调整单元信号的幅度和相位，并利用功率分配及合成网络实现波束信号的分配和合成^[9]。例如，Globalstar系统中的星载多波束相控阵天线便是使用移相器式模拟波束形成网络形成了16个波束^[3]。此外，随着电磁超材料技术的发展，超表面微带阵多波束技术作为一种模拟波束形成方案，在星载应用领域也具有一定的应用前景^[19-20]。

数字波束形成技术^[21-22]是一种使用专用集成电路（ASIC）或现场可编程门阵列（FPGA）对基带信号进行加权求和运算来形成多个波束的空间滤波方法，其最显著的优点是能够产生大规模的波束，这是因为数字波束形成网络的权重和功耗仅取决于信号带宽和辐射组件的数量，与波束数量无关。但是受限于数字采样芯片采样速率，特别是星载应用，目前主要用于带宽较窄的低频段。迄今为止，数字波束形成技术已经应用在为中轨道运行的 ICO 卫星系统开发的 S 波段 163 波束接收和发射相控阵天线中^[23]。Satixfy公司也已经提出了世界上第一个能够在卫星通信中实现实时卫星延迟的商用数字波束成形 ASIC 芯片，并将之命名为Prime^[21]。此外，数字波束形成技术有望在OneWeb,Telesat和O3bmpower星座的后续发射计划中得以应用^[12,24]。

光控波束形成技术^[25-26]采用光纤或光波导作为传输线，通过有序光子真延迟控制实现波束扫描，在同时实现相控阵天线的宽带和多波束特性方面具有显著优势，但仍存在高集成小型化、对温度敏感等问题。例如，20世纪90年代, AEHF通信卫星相控阵天线在设计时就曾论证过光控波束形成方案，光控波束形成网络可以有效增加天线带宽，提高卫星的通信容量,并且具有体积小和多波束实现容易的优点，但其重量略重。AEHF通信卫星相控阵天线最终选择了模拟波束形成方案^[27]。近年来，光控相控阵天线地面应用已渐趋成熟，各国正大力开展星载高频宽带通信应用及相关光电子器件的空间试验研究^[28-29]。

3 低轨星载多波束相控阵天线设计的关键技术




星载多波束相控阵天线是低轨通信卫星系统的核心载荷之一，但也存在设计难度大、关键技术尚待解决等缺点。低轨星载多波束相控阵天线的主要关键技术体现在以下4个方面。

3.1低剖面多波束相控阵天线系统架构设计技术

    高密度集成相控阵天线的实现主要有“砖块”架构、 “瓦片”架构和“砖瓦混合”架构3种^[30-31]，如图10所示。砖块架构指在相控阵天线结构中，微波电路模块的集成方式与阵面垂直，瓦片架构则是指在相控阵天线结构中微波电路的以多层集成方式平行于阵列表面。砖块架构纵向空间大，集成装配难度小，易于散热，更适合热耗较大的宽带相控阵天线应用，但体积大，难以实现低剖面目标。而瓦片架构纵向空间小，易于实现低剖面目标和轻量化，易于与平台共形，成本低，但其较小的空间对热控管理提出了更高的要求，工作带宽相对较窄。砖瓦混合架构的顶端部分和底端部分为瓦片架构，中间部分为砖块架构。它既可以有效降低阵列高度，又可以满足功耗较大的高密度集成相控阵天线，其剖面高度介于砖块架构和瓦片架构中间。如何实现低剖面多波束相控阵天线架构是星载多波束相控阵天线设计的关键技术。





图10相控阵天线架构示意图




3.2高密度集成有源通道设计技术

    目前低轨星载多波束相控阵天线主要集中在Ku和Ka频段，并朝着Q/V频段方向发展。通常相控阵天线单元的间距约为半个波长，如果天线工作在X频段(10GHz),则它的单元间距约为15mm；若天线工作在Ka频段(30GHz)时，则它的单元间距约为5mm。可见Ka频段相控阵天线的间距仅为X频段的30%左右，在这样一个狭小的空间内要放置功率放大器、低噪声放大器、开关、移相器、多波束芯片等难度极大。多通道集成是解决毫米波有源相控阵天线高密度集成的有效途径之一^[31-32]，其基本思想是以 CMOS 或 SiGe 为代表的硅基半导体工艺为基础，在一个芯片上实现一块TR组件的功能。如图11所示，这是一个基于多通道集成的瓦式相控阵天线，其TR 组件创新性地采用 GaAs 与 CMOS 工艺相结合的方法，实现了8个通道的高密度集成。随着 CMOS 工艺的发展，研究高密度集成有源通道设计技术对于实现更高频段的有源相控阵天线的高密度、小型化集成具有重要意义。




3.3多波束相控阵抗干扰技术

    随着多个低轨星座的部署，不同星座之间的干扰、星座内不同卫星的干扰、同一卫星多个波束间的干扰等卫星通信干扰问题愈发严重。可见，抗干扰技术是提高卫星通信安全性和稳定性的关键技术^[33]。如图12所示，对于星载相控阵天线，现阶段主要的抗干扰手段包括空域波束自适应调零、频域滤波、时/频信号窄带干扰消除以及空时/空频联合信号处理等。美国 Starlink 卫星便采用了基于空时频资源调度的抗干扰手段，其搭载的相控阵天线可以通过对波束和频率的灵活调度来规避多个卫星的共线干扰，显著提升频谱资源利用率。研究抗干扰技术对于未来星载多波束相控阵天线应对多维度干扰来源具有重要意义。



图11多通道集成的有源相控阵天线设计框图^[31]



图12星载相控阵天线的主要抗干扰手段




3.4多波束相控阵天线快速测试技术

    天线测试是多波束相控阵天线生产环节中最重要的组成部分。如表1所示，在测试多波束相控阵天线的过程中，首先要将相控阵天线的典型多波束远场指标测试流程分解为多个测试项目，然后每一测试项目又分解为数个与测试频率和验证角度相关的测试操作点；每一测试操作点都需反复操作转台、波束控制系统、天线测试系统使其协同工作^[34-35]。因此，多波束相控阵天线在测试过程中具有测试波位多，测试量大的特点。如何快速准确地对相控阵天线进行测量也成为其关键技术之一。



表1某有源平板缝隙相控阵天线的多波束测试流程^[34]

4

低轨星载多波束相控阵天线的发展趋势




4.1工作频率朝着更高频方向发展

第一代和第二代低轨星载多波束相控阵天线工作在L/S等较低频段，近年来，随着新型低轨宽带卫星星座的蓬勃发展，第三代低轨星载多波束相控阵天线的工作频率开始采用Ku和Ka频段，并朝着Q/V 等可以提供更高的频段和更宽的带宽的毫米波频段发展。如表2所示，OneWeb、Boeing、SpaceX、Telesat 等主要航天公司均已规划了下一代 Q/V 波段低轨卫星星座计划^[36]



表2下一代 Q/V 波段低轨卫星星座计划




4.2波束形成方式从模拟波束形成向数字波束形成技术发展 

    低轨星载多波束相控阵天线主要利用模拟波束形成网络来形成多波束。模拟波束形成是最经济的波束形成方式，具有成本低，宽带和功耗低的优点。但是随着波束数量的增加，其付出的成本代价也是成倍增加的，因而在实际星载工程应用中难以实现大规模的波束。数字波束形成技术^[21-22]是一种灵活的波束形成方式，其最显著的优点便是可以产生大规模的波束，这是因为数字波束形成网络的重量和功耗仅由信号带宽和辐射组件的数量决定，而与要产生的波束数量无关。目前，Satixfy公司已经提出了世界上第一个能够在卫星通信中实现实时卫星延迟的商用数字波束成形芯片Prime^[21]。OneWeb 和 Telesat公司也已经相继和Satixfy公司达成合作，并有望在后续的卫星发射中采用数字波束形成技术。




4.3波束覆盖方式从固定波束覆盖向跳波束覆盖转变

      第一代和第二代低轨星载多波束相控阵天线均采用固定波束覆盖的方式，这种方法存在着资源损耗大，星载功率利用率低以及在用户分布不均匀的场景下资源浪费大等问题。为了提高资源分配的灵活性，第三代低轨星载多波束相控阵天线逐渐开始采用跳波束覆盖方式^[37]，比如鸿雁星座和Starlink星座上搭载的多波束相控阵天线均采用了跳波束覆盖技术以实现灵活波束覆盖。因此，跳波束覆盖技术有望在低轨卫星星座中获得广泛应用。




4.4相控阵天线朝着收发共口径、稀疏化方向发展

    低轨星载多波束相控阵天线主要采用收发共用和收发分离两种天线体制，收发分离的天线形式对相控阵天线的体积、重量及安装空间又提出了更高的要求，而收发共口径相控阵天线则展现出明显的空间优势^[38]。将收发共口径天线应用于低轨卫星，可极大程度地降低天线对载荷平台的需求，提高其空间利用率。同时，若相控阵采用稀疏阵设计，则可以大大减少单元通道数，进而实现低成本。比如，Starlink卫星上搭载的多波束相控阵就采用了由内向外逐渐稀疏的稀疏阵列设计^[13]







二、平面相控阵列天线设计原则




2.1平面相控阵列天线设计




2.1.1 平面相控阵天线原理

平面相控阵天线中各天线单元按矩形格阵排列。

1）平面相控阵天线的方向图函数



图2.1  等间距排列的平面相控阵天线示意图

 

如图2.1所示的平面相控阵天线。图中天线阵列位于yOz平面上，共有M×N个天线单元，天线单元间距分别为d1与d2。设目标所在方向以方向余弦表示为(cosαx、cosαy、cosαz)，则由各天线单元到目标方向之间存在的路程差决定了信号传输过程中的相位差。因此，相邻天线单元之间的空间相位差，沿y轴（水平）和z轴（垂直）方向，分别为

               

    （2.1）

                                      

    （2.2）

第(i,k)个单元与第（0,0）参考单元之间的空间相位差为。若天线阵内由相移器提供的相邻天线单元之间的阵内相位差，沿y轴和z轴分别为




     （2.3）

        （2.4）

式中，为波束最大指向的方向余弦，当以球坐标θ、φ表示时，则 ，。

第(i,k)天线单元与第（0,0）天线单元的阵内相位差为

   （2.5）

为简化书写，式(2.5)也可写为下列形式：

       （2.6）

式中，α，β在此处用于简化阵内相移的表示，即



若第(i,k)单元的幅度加权系数为αik，则图2.1所示平面相控阵天线的方向图函数F(cosαy，cosαz)在忽略天线单元方向图影响的条件下，可表示为








（2.7）


式中



考虑到

           （2.8）

故平面相控阵天线方向图函数又可表示为



(2.9)

根据式(2.9)可以看出，改变相邻天线单元之间的相位差，即阵内相位差β与α，即可实现天线波束的相控扫描。

2）均匀分布式平面相控阵天线的方向图函数

当天线口径照射函数为等幅分布，即不进行幅度加权，在式(2.9)中，幅度加权系数αik=1，亦即均匀分布时，式(2.9)表示的天线方向图函数可表示为：



因此，方向图函数可表示为

      (2.10)




式(2.10)表明，等幅分布时，平面相控阵天线方向图可以看成是两个线阵天线方向图的乘积。是水平方向线阵的天线方向图，是垂直方向线阵的天线方向图。参照线阵的方向图推导，它们分别是：

      (2.11)




           （2.12）

2.1.2 平面相控阵天线的波瓣宽度与增益

除了栅瓣位置外，天线波瓣宽度、天线增益、天线带宽等都是平面相控阵天线的重要特性，天线波瓣宽度与增益是与相控阵雷达系统性能有密切关系的指标。

1）平面相控阵天线的波瓣宽度

由式(2.7)可以计算出平面相控阵天线的半功率波瓣宽度。对于等幅照射的平面相控阵天线，可以利用式(2.11)、式(2.12)，参照线阵情况，求出天线波束的半功率波瓣宽度。

（1）天线不扫描时，在天线侧射方向，天线半功率波瓣宽度在方位与仰角方向分别为

                       (2.13)

（2）在天线主平面的波瓣宽度。当θ=θB时，在仰角平面，半功率波瓣宽度为



在方位主平面上，天线水平半功率波瓣宽度与方位扫描角φB有关。因x≈1.39时，由式（2.11）

得




  （2.14）

 


当φ=φB时，可求出在仰角平面上，天线垂直方向半功率波瓣宽度。

同样，因为x=1.39时，辛格函数，故由式(2.12)可得






将θ表示为θ=θB+θ1/2，得


    （2.15）




2）天线增益

对于等幅口径分布，天线增益的理论值为

       （2.16）

式中，Ae为天线有效口径面积，对于M×N个单元间距为d1（垂直方向）与d2（水平方向）的平面天线阵，Ae最大为天线口径面积A，天线面积为

      （2.17）

天线增益Go也可表示为

     （2.18）


式中，Ge为单个天线单元在阵中的最大增益，其表达式为

      （2.19）



三、相控阵天线设计与仿真结果




3.1相控阵天线单元设计与仿真结果




设计一个94GHz均匀分布式平面相控阵天线，使用Ansoft HFSS16进行建模和仿真。天线单元如图3.1所示，辐射片采用正方形结构，尺寸为lp*lp（lp=1.37mm，0.43λ0，λ0为94GHz电磁波的自由空间波长），采用空气介质，高度为h（h=0.2mm，0.06λ0），同轴线馈电点如图所示（dx=0.185mm，dy=0.685mm）。



                         

图3.1 相控阵天线单元

94GHz时天线单元xOz面，yOz面的辐射方向图如图3.2（a）所示，天线单元立体辐射方向图如图3.2（b）所示，辐射片上的电场强度分布如图3.2（c）所示。

                           



图3.2（a）天线单元xOz面，yOz面辐射方向图






 图3.2（b）天线单元立体辐射方向图



图3.2（c）辐射片的电场强度分布




3.2 均匀分布式平面相控阵天线设计与仿真结果







利用天线单元进行组阵，如图3.3所示，该相控阵天线采用正方形等间距分布平面阵，图3.3（a）为阵列的俯视图，图3.3（b）为阵列的立体图。



图3.3（a）阵列俯视图



图3.3（b）阵列立体图

该相控阵天线是一个8*8的等间距阵列，阵元间距为gap（gap=0.75mm，0.23λ0）。当64个阵元等幅同相馈电时，xOz平面的方向图如图3.4（a）所示。最大辐射方向为theta=0，最大增益为26.62dB。天线阵列立体辐射方向图如图3.4（b）所示，辐射片上的电场强度分布如图3.4（c）所示。



 图3.4（a）xOz平面方向图






图3.4（b）天线阵列立体辐射方向图



 图3.4（c）辐射片上的电场强度分布

设计最大辐射方向theta=30°的波束，利用等幅平面相控阵方向图函数计算，可得每个阵元的馈电相位，如表3.1所示。

 表3.1  阵元的馈电相位（单位：°）






对每个阵元进行等幅，馈电相位如表3.1所示进行馈电，即可得到最大辐射方向为theta=30°的波束，如图3.5(a)所示，最大增益为24.55dB。

 



图3.5（a）xOz平面方向图



图3.5（b）天线阵列立体辐射方向图



图3.5（c）辐射片上的电场强度分布

 

相控阵天线的原理是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图的形状，控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。通过上述一系列仿真证明了利用相控阵天线可以实现波束的扫描。

（说明：该部分结果只是为了说明设计过程，由于天线单元方向图和阵间互耦没有做特殊处理，因此呈现的结果性能并非最佳状态。）

阵列馈源反射面天线的反射面为大型可展开伞状天线，具有重量轻、增益高、低旁瓣和费用低等特点，同时兼具相控阵灵活波束的优点，但是，星载可展开相控阵天线存在着结构位移场、电磁场及温度场之间的相互作用、相互影响，进而影响相控阵天线的电性能  ;同时，为了发挥相控阵天线灵活波束的优点，需采用 DBF 技术，受限于星上载荷紧张的处理资源，部分卫星移动通信系统采用了地基波束形成(GBBF)技术。以返向链路为例简要说明 GBBF 系统原理，如图 4 所示，用户终端返向信号经星载阵列馈源反射面天线接收后，馈源相控阵各通道载波信号经多路复用后，通过馈电链路发送到信关站解复用、数字波束形成所需的用户波束，通过增加地面复杂度从而换取了载荷的高可靠、小型化，但是，由于 GBBF 系统具有通道链路长、误差来源复杂的特点，且通道间误差随卫星运动具有时变特性，需要在通信过程中进行实时校准补偿。因此，星载阵列馈源反射面天线的难点在于:展开机构、反射面找形、在轨热分析、无源互调 、多点波束赋形、自适应调零抗干扰、可靠性分析、GBBF 星地一体校准等，以及为节约载荷资源急需开展的数字信道交换与波束形成一体化技术研究。

3 卫星通信相控阵天线关键技术及发展趋势

随着高通量卫星、卫星移动通信和低轨卫星星座的蓬勃发展，个人对流量的巨大需求，推动着相控阵天线向高频段、宽频带、多功能化和低成本等方向发展。下面讨论的几项相控阵先进技术代表卫星通信相控阵天线未来的发展趋势，能否解决相应的超宽带宽角扫描、高速传输处理、软件无线电通用平台、数字波束形成和低成本集成等关键技术，决定着相控阵天线能否在卫星通信系统中广泛应用。

微波光子传输。随着卫星通信 Q/V 频段的应用，传输处理的带宽达到 5 GHz，对传统微波技术处理提出了新挑战，采用光子技术解决微波问题，在大带宽、低损耗、无串扰和高抗电磁干扰等方面具有突出优势，光学真延时能有效提高相控阵天线系统的瞬时带宽，完成高速数据传输。目前，微波光子集成基本是分立元件，只是在实验室得到验证，体积功耗大，难以实现工程化。因此，突破高集成、大带宽的微波光子芯片，实现微波光子滤波、变频、交换处理，以及基于光学真延时的波束形成网络等功能，研究真延时的微波光子传输并应用于宽带相控阵天线系统，对相控阵天线在雷达/通信领域的发展和升级具有重要意义。美国 2015 年 7 月成立集成光子研究所，旨在开发新型快速的光子集成制造技术和工艺方法，促进光子集成电路的设计、封装、测试与互联，构建从基础研究到产品制造的全产业链集成光子平台，从而解决高动态范围、超低损耗、宽带光子集成芯片大规模制造难题。国内电子科技大学和清华大学较早开展相关研究，在光真时延、光波束形成网络取得实质性进展;中国科学院半导体研究所在光波导技术方面开展研究，取得系列研究成果;中国电科 14 所与南京航空航天大学 2017 年研制出 K 波段(18～27 GHz)的微波光子雷达实时成像验证系统 。

集成桅杆 。雷达、通信、对抗、测控一体化系统的研究目标是:瞄准“侦查、干扰、探测、通信、攻击、测控”一体化需求，实现雷达、通信和测控的硬件、软件和波形的一体化，使雷达在探测的同时能够进行通信，利用相控阵雷达天线阵面大尺寸高增益天线单元，产生通信波束，实现远距离多用户的接入和宽带数据传输。需要研究解决超宽带射频前端及天馈阵列系统技术、一体化基带处理架构技术、微波光子传输变频技术、精确光真时延、光波束形成网络和电磁 兼 容 等 基 础 问 题。2016 年 5 月 意 大 利PHODIＲ 项目组搭建了一个雷达/通信双用途原型机，该原型机基于同一个天线和光子收发机完成雷达与通信信号的接收与检测，可同时执行监视与通信任务，且 2 个分系统之间不会互生干扰。

数字相控阵技术。为提高星座卫星通信系统的单星覆盖范围，要求大范围波束覆盖(±60°左右);为满足用户随时随地使用需求，要求卫星可调整波束的大小、指向、功率以及波束间带宽等，从而灵活地实现动态分配卫星容量;面对日益拥挤的卫星星座和频率使用环境，要求卫星通信系统具备保护战术波形能力;为满足灵活终端应用，要求任意极化方式、通信波形可配置、波束灵活调整和快速跟踪;以及面对 GEO 与 LEO/MEO 星座的相互操作需求，需要用户终端在调控发射波束管理、卫星切换时避免干扰其他卫星等。因此，未来相控阵天线将会越来越多地采用数字相控阵技术，实现卫星功率动态分配、波束动态重构、敏捷调整，具备自适应抗干扰能力，同时避免干扰其他卫星。

新材料新工艺实现低成本。由于相控阵天线的成本、功耗和复杂度问题，部分天线厂家开始另辟蹊径，不用昂贵的耗电的部件，寻求利用新材料来制作平板天线，利用液晶生产线来大规模生产以降低成本。2012 年成立的 Kymeta 公司，开发由在全息面板上完全不同材料构成的平板天线 mTenna，能产生全息波束，通过电控天线内部不同单元的工作状态，可控制天线波束方向，寻星、锁定卫星的时间达到 μs 量级。德国 Alcan Systems 公司基于 Darmstadt技术大学的 ＲolfJakoby 教授的研究成果，采用液晶代替传统半导体制作液晶移相器，公司计划 2019 年推出基于液晶材料制作的平板天线，可用于高中低轨卫星通信。进入 21 世纪，我国多所高校和科研机构相继开展液晶相控阵热点技术研究 ，多集中在光学相控阵应用方面。

原文始发于微信公众号（太空安全）：低轨卫星广泛应用相控阵天线，导致其技术会蓬勃发展