通信衛(wèi)星多波束天線的發(fā)展現(xiàn)狀及建議

多波束天線是應(yīng)近代衛(wèi)星通信容量的快速增長及多目標(biāo)區(qū)域通信的發(fā)展需求而出現(xiàn)的，它向空間輻射的電磁波由多個點波束組成，并且每一個波束都有一個對應(yīng)的輸入（輸出） 通道。通信衛(wèi)星上采用多點波束天線技術(shù)可以通過空間隔離來實現(xiàn)多次頻率復(fù)用和極化復(fù)用，從而成倍地提高通信衛(wèi)星容量，成為今后星載天線領(lǐng)域研究的重點方向。

1 通信衛(wèi)星多波束天線的應(yīng)用狀況

隨著通信業(yè)務(wù)需求的迅猛增長，地球同步軌道（ GEO） 上的高通量衛(wèi)星系統(tǒng)已成為當(dāng)今空間通信技術(shù)領(lǐng)域的一大研究熱點，星載天線作為該系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，采用多波束方案是應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的有力措施 此外，由于多波束天線（ MBA） 在波束形成波束重構(gòu)和波束掃描方面具有相當(dāng)?shù)撵`活性，以及抗干擾能力等突出特點，使得這類天線在中/低軌道（ MEO/LEO） 通信衛(wèi)星領(lǐng)域也得到了較為廣泛的應(yīng)用。

1.1 星載反射面多波束天線

反射面天線與相控陣天線透鏡天線相比，具有重量輕結(jié)構(gòu)簡單設(shè)計技術(shù)成熟性能優(yōu)良等優(yōu)點。為了在星上產(chǎn)生更多高增益低副瓣的點波束，通常需要電大口徑的星載天線，而反射面則是目前實現(xiàn)多波束這一性能的最佳方案。

反射面多波束天線的饋源通常由多個喇叭單元組成，其波束的形成方式可分為基本型成束法和增強型成束法兩類，但近些年來國際上更傾向于稱之為每束單饋源（ SingleFeedper Beam，SFB） 和每束多饋源（ MultipleFeedper Beam，MFB）。

上述兩種方法有各自的優(yōu)缺點：SFB相對簡單高效，反射面數(shù)量較多費用大；MFB對波束數(shù)目和形狀進行靈活控制，對于不規(guī)則區(qū)域的覆蓋具有明顯優(yōu)勢，只要兩個反射面就能分別實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的收發(fā)，節(jié)約衛(wèi)星表面空間，安裝相對方便，且各波束的指向誤差相對較小 。

處于GEO上的移動通信衛(wèi)星通常采用的是L/S頻段的反射面多波束天線 由于這兩個頻段處于微波低頻端，波長相對較長，GEO衛(wèi)星通常采用螺旋天線做饋源的陣元，但饋源陣的體積依然較大，如Alphasat-I-XL衛(wèi)星的L頻段饋源陣尺寸就超過2m。

在Ku/Ka頻段，因為波長比較短，饋源便于小型化設(shè)計，所以SFB和MFB成束方式均適合于這兩個頻段。

1.2 星載相控陣多波束天線

相控陣天線可以通過對相位和幅度的調(diào)整來實現(xiàn)對波束形狀的改變，波束掃描，以及波束間功率的分配，通過使用自適應(yīng)調(diào)零的抗干擾技術(shù)，可以大大

提高通信衛(wèi)星的空間生存能力 此外，相控陣天線相對于反射面天線來說，具有低輪廓的特性，便于衛(wèi)星的發(fā)射相控陣天線可以分為無源相控陣和有源相控陣。

無源相控陣天線僅有一個中央發(fā)射機和一個接收機，發(fā)射機產(chǎn)生的高頻能量由計算機自動分配給天線的各個輻射單元，目標(biāo)反射信號經(jīng)接收機統(tǒng)一放大，如圖4所示。

有源相控陣天線的每個輻射單元都單獨配備有一個T/Ｒ模塊，如圖5所示 。每個單元都能獨自產(chǎn)生和接收電磁波，當(dāng)少量T/Ｒ模塊失效時，并不會對相控陣天線的性能產(chǎn)生太大影響，而且有源陣天線在帶寬信號處理和冗余度設(shè)計上都比無源相控陣有明顯的優(yōu)勢，因此，在L/S/X頻段的星載相控陣多波束天線基本都采用有源陣方式，如表2所示。

2.3 星載透鏡式多波束天線

透鏡天線是幾何光學(xué)原理在無線電頻率范圍的一種應(yīng)用 與反射面天線相比，多波束透鏡天線的優(yōu)點在于有更大的設(shè)計自由度，具有很好的旋轉(zhuǎn)對稱性，保留了良好的光學(xué)特性，無口徑遮擋，但這類天線在低頻段也具有重量大，損耗大等致命缺點，導(dǎo)致其在星上應(yīng)用嚴(yán)重受限。而隨著研究頻段向毫米波和亞毫米波的推進，波長的縮短為小型化透鏡天線的發(fā)展帶來了希望，歐洲國家也將更多的目光投向該領(lǐng)域。

2.4 不同軌道通信衛(wèi)星多波束天線配置的選擇

對于GEO通信衛(wèi)星，由于所處軌道高，傳輸路徑長，路徑損耗大，要求用更窄波束來提高星載天線增益，所以一般采用反射面方案，但也有少數(shù)軍用通信衛(wèi)星開始采用相控陣天線配置，見表3：

對于采用MFB成束方式的GEO衛(wèi)星多波束天線來說，通常采用單塊大口徑反射面天線，口徑一般超過10m，第四代通信衛(wèi)星口徑則更大 如美國勞拉公司研制的TeereStar-1，作為世界上首顆可以與地面手持終端直接通信的衛(wèi)星，星上采用的是直徑達18m的超大型S頻段金屬網(wǎng)反射面天線，而美國SkyTerra-/-2的天線口徑更是達到了22m。

對于LEO通信衛(wèi)星，由于軌道低，星上的用戶端天線傳輸距離短，具有比GEO衛(wèi)星更小的自由空間損耗，因此，從增益上來講，反射面和相控陣配置都適合該軌道衛(wèi)星 但由于衛(wèi)星軌道太低，視角寬，要求天線具備較大掃描角，而反射面天線在這方面難以勝任，因此，到目前為止，該軌道上的衛(wèi)星一般都采用相控陣配置，如處于LEO上的美國Iridium/-NEXT星座，其每顆衛(wèi)星上都安裝有三塊工作于L頻段的有源相控陣天線，每塊相控陣均能產(chǎn)生16個波束 。

如處于MEO上的歐洲O3b星座，每顆衛(wèi)星則是采用12副Ka頻段可控反射面

天線，可以形成12個點波束。此外，處于MEO軌道的ICO星座，其衛(wèi)星上采用兩副反射面天線，可形成163個點波束。

2.5 多波束天線的波束形成技術(shù)

波束形成技術(shù)主要用于賦形波束和多波束天線，在波束形成網(wǎng)絡(luò)（ BFN） 的基礎(chǔ)上來實現(xiàn)所需要的波束，該技術(shù)按照其實現(xiàn)的方式不同可分為模擬波束形成和數(shù)字波束形成。

模擬波束形成技術(shù)是通過功率分配器和移相器分別來調(diào)整各個輸出端口的振幅和相位，在單口徑天線中采用模擬波束形成技術(shù)可以獲得較好的增益和旁瓣性能。數(shù)字波束形成技術(shù)主要是完成信號采樣信道化正交化波束形成處理幅相一致性調(diào)整和數(shù)模轉(zhuǎn)換等功能 該技術(shù)相對于模擬波束形成技術(shù)來說，最大的優(yōu)點在于，其功耗和重量取決于總處理的帶寬和輻射部件的數(shù)目，與波束的數(shù)目無關(guān)。此外，該技術(shù)便于實現(xiàn)對由于網(wǎng)絡(luò)器件引起的相位誤差和幅度誤差進行校正和補償，在波束形成上也更具靈活性，這在很大程度上能夠適應(yīng)下一代高通量通信衛(wèi)星多波束天線的發(fā)展要求 。

3 通信衛(wèi)星多波束天線的發(fā)展趨勢

近十年來，國際上對Ka頻段高通量衛(wèi)星的需求非常迫切就目前看來，Ku頻段下的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，Ka頻段正在成為國內(nèi)外研究的熱點，而亞毫米波頻段則是星載多波束天線進一步研究的方向。隨著研究頻段的進一步提高，對透鏡波導(dǎo)陣列及準(zhǔn)光學(xué)波束形成網(wǎng)絡(luò)的研究越來越受到關(guān)注。

在反射面天線方面，對于Ka頻段的通信衛(wèi)星，其反射面將從當(dāng)前的單一固面結(jié)構(gòu)形式向可展開式網(wǎng)狀反射面形式拓展，甚至在AＲTES5項目框架內(nèi)還考慮將固面與網(wǎng)狀相結(jié)合構(gòu)造大型Ka反射面。而在L/S頻段，為了滿足GEO移動通信衛(wèi)星天線增益的要求，星上通常采用超過10米的大型可展開式反射面天線，而在第四代及后續(xù)同類衛(wèi)星上天線的口徑將會更大。中國空間技術(shù)研究院西安分院作為國內(nèi)最具實力的星載天線研制單位，幾年前也專門成立了相關(guān)課題組來對大型可展開式天線開展技術(shù)攻關(guān)性研究，并已開始陸續(xù)在最新的移動通信衛(wèi)星上開展應(yīng)用。

在相控陣多波束天線方面，隨著單片式微波集成電路（MMIC）技術(shù)的發(fā)展，固態(tài)功率放大器低噪聲功率放大器等微波有源器件都將有望逐步做到輻射元的水平，這將推動Ka頻段的相控陣天線逐步從無源走向有源 而隨著有源器件小型化，功耗控制及熱控技術(shù)的進步，相控陣的功率也將越來越大，千瓦級高功率的相控陣有望在后續(xù)的通信衛(wèi)星上獲得現(xiàn)實的應(yīng)用 此外，將微波集成技術(shù)與光控技術(shù)的有機結(jié)合，采用掃描平面反射陣技術(shù)對于未來通信衛(wèi)星相控陣天線的發(fā)展來說都是非常具有吸引力的 至于國內(nèi)的星載相控陣天線，最早是在“神舟”飛船上對搭載的L頻段螺旋陣元相控陣天線技術(shù)成功進行過驗證，近年來又在著手對星載Ka頻段有源相控陣天線的子陣開展研究2014年，隨著這顆由清華大學(xué)聯(lián)合信威集團（這也是一個有故事的公司，尤其是在股票市場）研制的“靈巧”通信試驗衛(wèi)星升空，標(biāo)志著我國正式開始在低軌道上對通信衛(wèi)星相控陣開展技術(shù)驗證，可見相控陣技術(shù)在國內(nèi)衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)域同樣備受關(guān)注。

4 對我國通信衛(wèi)星多波束天線的發(fā)展建議

國外對星載多波束天線的研究起步早，投入力量大，科研成果豐碩，并在通信衛(wèi)星的應(yīng)用領(lǐng)域獲得了優(yōu)異的表現(xiàn)。近年來，我國在這方面也開展了較多的研究工作，但總體來說，星載多波束天線的技術(shù)水平與歐美國家依然存在較大差距 為此，在這對我國未來通信衛(wèi)星多波束天線的發(fā)展提出以下建議：

（1）在L/S頻段反射面方面，為了進一步提高波束復(fù)用率和C/I值，增大衛(wèi)星的通信容量，應(yīng)該加大對饋源雙圓極化的研究力度 同時，提高星上的數(shù)字波束形成技術(shù)水平，與矩陣功率放大（MPA）技術(shù)相結(jié)合，提高功率分配的靈活性。采用地基波束形成技術(shù)，減輕空間環(huán)境對衛(wèi)星的影響研制更大口徑的反射面，為發(fā)展我國甚小口徑終端（ VSAT）創(chuàng)造條件

（2）在L/S頻段相控陣方面，為建設(shè)我國未來的低軌道移動通信衛(wèi)星星座，應(yīng)該著力開發(fā)有源相控陣技術(shù)，并引入數(shù)字波束形成技術(shù)，以滿足低軌衛(wèi)星的寬角度掃描及抗干擾的要求

（3）在當(dāng)前大力開發(fā)的Ka頻段，鑒于國內(nèi)外在有源器件方面研發(fā)進度相對滯后，且有源陣的幅相一致性校準(zhǔn)難度大，建議先將對多波束天線的研究重點放在無源方面 而隨著我國電推進技術(shù)逐步在通信衛(wèi)星平臺的應(yīng)用，通信衛(wèi)星正在經(jīng)歷瘦身，由于采用全電推進技術(shù)的衛(wèi)星整星重量一般不超過3噸，未來有望出現(xiàn)更多中型通信衛(wèi)星，此外，市場的需求也將催生更多混合頻段多功能的大型通信衛(wèi)星，而這兩類衛(wèi)星的發(fā)展對天線載荷的體積和數(shù)量提出了限制 因此，建議我國在注重對多饋源多口徑天線研發(fā)的同時，加大對多饋源單口徑多波束天線的研發(fā)力度。

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