星載相控陣天線的技術現狀及發展趨勢

閻魯濱

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

1 引言

衛星天線用于對特定的目標或地域，發射或接收載有各種信息的信號，當需要衛星交換信息的目標是可變的時候，往往要求天線的波束也做相應的變化。對于某些衛星系統，為避免采用可變波束天線的困難，往往采用寬波束的弱方向性天線或者簡單的賦形波束天線來覆蓋整個變化的區域，如我國中低軌道衛星天線所采用的形式。這類天線由于增益較低，只能實現較低的數據傳輸率。

隨著應用的發展及技術的進步，對數據傳輸容量的要求越來越大，原來采用的低增益天線已無法滿足應用的要求。采用機械掃描天線是克服上述困難的途徑之一，但機械掃描天線只能實現單波束的移動，不能改變波束的形狀及實現多移動波束模式，機械可移動裝置的采用又往往可能導致可靠性下降、重量增加等新問題。

采用相控陣天線是克服上述困難的最佳途徑之一。相控陣天線采用現代微波集成技術，可以應用同一個輻射陣面，在有限的衛星平臺空間條件下，實現獨立控制的多個點波束，滿足未來通信的需求。相控陣天線還可以實現波束間通信容量的調整，可以根據需要改變波束形狀，使用自適應調零的抗干擾技術，已在國外星上設備中廣泛采用，具有廣闊的發展前景。

在本世紀初，星載Ka頻段相控陣天線技術在國際上各大宇航公司尚處于在研階段，而近年來，日本的寬帶多媒體衛星通信系統“寬帶聯網工程與驗證衛星”（WINDS），美國的寬帶衛星“太空之路”（Spaceway）、“寬帶全球衛星通信”衛星（WGS）和“先進極高頻”（AEHF）軍事通信衛星等已相繼發射，均采用了大規模相控陣天線技術。在此期間，國內也開展了大型星載相控陣天線預研及研制工作。這些情況預示著今后星載相控陣天線技術將有一個跨越式的快速發展。

2 國際星載相控陣天線的發展現狀

目前國際上星載相控陣天線按照波束功能的不同，可以劃分為區域覆蓋相控陣天線、寬角掃描區域相控陣天線和有限區域掃描相控陣。

1）區域覆蓋相控陣天線

區域覆蓋相控陣天線通過網絡對輻射陣饋相，在覆蓋區形成若干相對固定的波束，波束相對于輻射陣一般不掃描，但可進行校正及微調。最典型的應用為“銥星”（Iridium）系統［1］及“全球星”（Globalstar）系統［2］。

“銥星”系統主任務天線是發展較早而至今仍然成功運用的相控陣天線系統，它服務于低軌通信衛星星座系統。該星座由66顆衛星組成，每顆星天線由三塊平板陣天線組成，每塊平板陣產生16個波束覆蓋的角域（見圖1）。三塊平板共產生48個波束覆蓋±45°的角域。每個輻射單元后接發射模塊或接收模塊。收發共用。波束形成網絡由8 個16×16的Butler矩陣連接10個8×8的Butler矩陣及功率分配網絡形成。“銥星”及相控陣天線的布局如圖1所示。

“全球星”相控陣天線由一個發射陣及一個接收陣布局于星上同一個向地面上，如圖2（a）所示。S頻段發射陣由91 個單元組成，L 頻段接收陣由61個單元組成。排成六角型，單元間距0．6 個波長。單元后為發射模塊或接收模塊。發射波束形成網絡由16層1∶91的功率分配網絡組成，每層的輸入口輸入一個波束信號，91輸出端各接1 個移相段，共1 456個移相段。每16個移相段（每層一個）通過功率合成網絡連接一個功率放大器及輻射單元，共有91個合成網絡，連接到91 個單元上。通過以上網絡，形成16個發射波束，其覆蓋圖如圖2（b）所示；形成16個接收波束，其波束覆蓋圖如圖2（c）所示。

圖1 “銥星”相控陣天線布局圖Fig．1 Iridium phased array outline

圖2 Globalstar相控陣天線布局圖及波束覆蓋圖Fig．2 Globalstar phased array outline and beam cover contour

區域覆蓋相控陣天線的特點是，波束指向基本保持固定，控制移相器主要用于陣列的幅相校正及波束的微調。為了產生多個波束實現對用戶區的無縫覆蓋，需要采用復雜的功率分配網絡。

2）寬角掃描區域相控陣天線

為了提高低軌衛星的傳輸數率，近年來已開始采用大角域掃描天線取代簡單的賦形波束天線。美國資源衛星采用的X 頻段相控陣天線，可以掃描±60°的角域。星載相控陣天線的頻段正在向高端發展，特別是采用Ka頻段的相控陣天線。如美國SATCOM 公司采用了20／44GHz頻段，形成單波束寬角掃描的相控陣天線。美國Harris公司為“跟蹤與數據中繼衛星”（TDRS）系統的用戶星研制了Ka頻段的單波束相控陣天線，采用了240個有源單元，可以掃描±60°的空域。大角域掃描相控陣天線的特點是，為了實現大角域掃描采用較小的單元間距，整個系統需要實現較高的集成度。

3）有限區域掃描相控陣

對于地球靜止軌道衛星以及某些特殊的應用，對天線掃描區域的要求是有限的，可以利用這一特點，加大天線單元的間隔及增益，從而簡化天線的規模，提高天線的性能，并降低天線的成本。

第一代“跟蹤與數據中繼衛星”相控陣天線采用螺旋單元天線陣，如圖3所示，天線收發共用，接收采用地面數字多波束形成，發射一個點波束，可進行時分的多點掃描。接收20個點波束，掃描視場±13．5°。前向數據率10kbit／s，返向數據率50kbit／s。

圖3 “跟蹤與數據中繼衛星”及相控陣天線布局圖Fig．3 TDRS satellite and phased array outline

美國第二代“跟蹤與數據中繼衛星”的多波束相控陣天線天線陣元為微帶貼片子陣，收發陣分開，波束由地面形成改為星上形成，采用模擬技術實現多波束。天線接收鏈路單元數為32個，波束為6個，使得返向數傳速率提高到3Mbit／s。天線發射采用15個陣元，前向波束為2個，傳輸速率為300kbit／s。

美國休斯公司2007 年發射了寬帶衛星Spaceway，星上采用大規模Ka頻段發射相控陣天線，采用1 500 單元，2m 直徑，利用移相器控制波束快速跳動，形成多跳波束；接收天線采用多波束反射面天線。該衛星太陽能電池陣可提供13kW 的功率。

日本的WINDS［3］衛星于2008年2月23日發射，星上安裝了用于大容量、高速通信的Ka頻段有源相控陣天線，如圖4所示，實現2個獨立可控移動點波束，每個波束可跳變8 個區域，實現時分多址（TDMA）的通信模式。發射天線、接收天線各包含128個天線單元（2波束），天線的輻射單元為角錐喇叭天線形式，其排列考慮到了對地掃描的需求，確保天線波束柵瓣在地球之外，采用三角形網絡，單元間距2．7波長。為了得到最大增益，采取等幅饋電。

圖4 日本WINDS衛星相控陣天線Fig．4 WINDS satellite phased array

美國于2010年8月發射了AEHF衛星，AEHF衛星有兩個發射相控陣，采用271個單元，單元間距2．4波長，工作在Ka頻段。采用跳波束相控陣天線獨有的“超敏捷”服務，可以為指揮部和160個實時移動的孤立用戶之間提供即時通信覆蓋。接收相控陣一個，采用了先進的自適應抗干擾技術。

3 國內星載相控陣天線發展現狀

國內已有星載S頻段相控陣天線的成功先例。采用螺旋單元的相控陣天線作為搭載在“神舟”飛船上進行了飛行試驗。星載SAR 天線可以看為具有一定掃描能力的有限掃描相控陣天線，S頻段微帶平面SAR 天線已經得到了在軌應用，天線可以實現一維小角度電掃描。X 頻段SAR 正在研制中，天線采用波導縫隙陣列天線，具有一定的電掃描能力。

近年來，已經進行了星載Ka頻段有源相控陣天線子陣的研制；已經研制了機電熱一體化的相控陣部分陣樣機，并進行了電性測試及熱試驗，為星載相控陣天線的工程化提供了基礎數據。為了適應星座各種高度軌道間星間鏈路的需要，我國也開展了大掃描角星間鏈路相控陣天線的研制。

4 星載相控陣天線的關鍵技術

1）系統設計

系統設計對相控陣的性能具有重要的影響［4-5］。系統設計要根據衛星對天線的功能及指標要求確定相控陣天線的主要設計參數。主要包括：

（1）根據掃描范圍的要求，確定單元間距。為了將柵瓣推出掃描區之外，對大掃描角天線選用小的單元間距，如通常對可掃描±60°角相控陣天線選擇約半個波長的單元間距，對位于地球同步軌道對地掃描±8°的相控陣天線選擇2～3個波長的單元間距。

（2）根據等效全向輻射功率及增益噪聲溫度比的要求，確定天線的單元數及每單元的輻射功率。相控陣天線的增益等于天線單元數的對數與天線單元增益之和，陣輻射功率為各個單元輻射功率之和。

（3）根據副瓣電平的要求，確定陣型排列及陣列幅度錐削。為了降低副瓣電平，通常選擇圓形或方形切角的布局，陣列幅度錐削越大，副瓣電平越低，但要付出一定的增益損失。

（4）相控陣單元數量大，通常采用分塊可裝配式的結構。滿陣分為若干子陣，每個子陣可以獨立進行裝配，包含輻射部分、相控饋電部分、饋電網絡及分控器。子陣裝配成一體后，再集成到一個結構架上。

（5）要根據相控陣功能的要求，確定工作模式、設計控制方法及控制流程。通過與星上數管系統互聯的相控陣數字控制系統來實現。

2）相控饋電模塊

相控饋電模塊［6］是組成相控陣的關鍵部件，由于數量大，其工作量及成本占到了整機近一半。相控饋電模塊包含功率放大器、低噪聲放大器、移相器、衰減器、控制等芯片以及聯結它們的微帶電路。星載相控陣芯片必須滿足空間環境的要求，射頻芯片通常采用砷化鎵（GaAs）器件，抗電離總劑量輻射能力一般在100krad（Si）以上。為了降低功率損耗，控制芯片通常采用互補金屬氧化物半導體（CMOS），必須采用特殊的工藝才能滿足輻照總劑量及抗單粒子翻轉的要求。目前Ku頻段以下相控陣芯片已基本實現了國產化。Ka頻段芯片在功率、效率上與國際先進水平還有一定的差距，但也在迅速提高。

相控饋電模塊的集成度是實現對大掃描角小間距相控陣的必要條件，需采用低溫共燒陶瓷及多功能芯片等技術。

功率放大器芯片溫升較大，為保證芯片正常工作，必須采取熱控措施。芯片通過熱漲系數匹配的擴熱板散熱。熱管直接通過芯片所處底板的下方，將熱量高效引出。

為保證芯片長期可靠工作，必須采取密封措施，可以局部密封也可采用整體密封。密封的難點之一是高低頻引線端的密封。

3）饋電網絡

空間可靠性較高的饋電方式是波導饋電，由于相控陣單元數量較大，饋電網絡比較復雜，需要進行一體化布局設計及工藝設計，以減輕體積及重量。微帶網絡重量及體積較小，但空間適應性較差，一般不大面積采用，而僅小面積局部采用。槽道線重量及體積不大，易于散熱，連接也較可靠，國外在空間密集型網絡中經常采用。圖5所示為某兩波束相控陣波導型饋電網絡。

圖5 相控陣波導型饋電網絡Fig．5 Phased array waveguide network

4）熱控制設計

相控陣天線能否上天應用，一個突出的問題是由于用戶較高的EIRP值要求，使得衛星功耗較大，散熱問題成為一大難點。相控陣的熱量集中產生在發射饋電單元的功率放大器芯片上，在天線工作時，需要將產生的大量熱量迅速導出，以保證器件的正常工作。

熱控系統包含發射模塊的熱控，相控陣熱量的收集，熱量的導出及熱量的輻射［7］。由于空間無法使用空氣、水等方式散熱，星載相控陣必須采用獨特的熱管技術，實現熱量引出和熱量傳輸。目前除已成熟使用槽道熱管外，國內外還采用了環路熱管等新技術。當需散發的熱量保持在一定范圍內時，可以盡量利用衛星現有的散熱面。當熱量超過衛星現有能力時，必須使用額外的熱輻射器，如展開式輻射器，目前國外已采用，國內也已進行了若干年的預先研究。由于熱控技術的長足進展，國內已具備了實現大功率星載相控陣熱控的條件。圖6所示為某相控陣的熱控系統，包含槽道熱管、環路熱管、蒸發器及輻射器。

圖6 相控陣的熱控系統Fig．6 Phased array thermal control system

5）多級控制及幅相校正

相控陣天線常常具有幾百個單元，為實現對所有移相器、衰減器的控制，需要成千上萬條通路的連接，還與電源及星上計算機有眾多的連接。為降低復雜性、提高連接的可靠性，采用分布式多級控制，串聯總線連接，主控器控制多個分控器，分控器控制每個相控饋電模塊內的控制芯片。

由于器件的不一致性，裝配誤差等原因，相控陣的單元間存在幅相的不一致性，導致波束變形及增益下降，因此必須對相控陣進行幅相校正。目前國內外普遍采用正交調制及旋轉矢量等方法［8］。

6）電源設計

大功率相控陣天線經常需要幾百安培的電流，給空間應用帶來很大的風險。采用分布式多個電流模塊，每個模塊給一部分單元供電，化大電流為小電流，同時還易于實現冗余備份，提高了可靠性。此種供電方式為國內大功率相控陣電源的優選方式。

5 星載相控陣天線的發展趨勢

星載相控陣天線的頻段正在向高端擴展，Ku以下頻段相對比較成熟，Ka頻段是目前國內外正在快速發展的領域，而毫米波段、亞毫米波段乃至絲米波段是進一步發展的領域。

早期的星載相控陣功率較小，隨著星上熱控技術的進步，幾千瓦級相控陣技術正在發展，可以預見在應用的推動下，更高功率的相控陣技術亦將出現。

目前值得關注的幾項相控陣技術的發展如下：

1）光控相控陣天線技術

影響相控陣天線帶寬的主要因素，是天線陣面各個單元到達目標的渡越時間不同，頻率改變時疊加相位發生變化，導致指向精度和增益下降。為克服此問題，采用了各種延時移相技術。可以采用延時芯片來實現此功能，最有發展前景的是采用光控相控陣技術。采用光纖可以達到很高的延遲及相位精度，實現超寬帶的相控陣天線。

國內目前由于激光器件的效率較低，功耗較大，尚需進一步的改進。但在控制信息傳輸部分采用激光技術，可以簡化線纜的傳輸，提高可靠性，有望近期在星載相控陣天線獲得應用。

2）相控陣天線的抗干擾技術

根據星載相控陣的應用需求，國外在AEHF衛星等星載相控陣天線中，均采用了能力極強的抗干擾技術，將微波集成與光控技術有機結合，實現了全陣的自適應抗干擾技術。

我國在此方面的技術尚有一定的差距，還需加大研究力度，爭取提高天線的抗干擾能力。

3）掃描平面反射陣技術

平面反射陣是一種新型天線，設定平面反射陣每個單元的反射相位，由饋源發射來的發散的球面波，可以校正為波前等相的平面波。如果每個單元的反射相位是可控的，可以控制已校正為平面波的反射波的方向。這也是一種特殊形式的相控陣天線。可變反射相位單元的形式是多種多樣的，如圖7所示，由鐵電材料構成可變相位反射單元的相控陣天線，是NASA為低軌衛星數傳研制的星載相控陣。采用掃描平面反射陣技術，可大幅度地減低重量與功耗。對于星載應用是一個很有吸引力的方向。

圖7 以鐵氧體為移相單元的平面反射陣Fig．7 Planar reflect array with ferrite phase shifter

4）相控陣新型器件的發展

隨著技術的進步出現了很多新型器件，有力地推動了相控陣技術的發展。AEHF 衛星采用磷化銦材料制造的低噪聲放大器可以實現小于1dB 的噪聲系數，工作頻率高達幾十萬兆赫，國內該項技術尚未開發。國外采用氮化鎵材料制造的功率放大器芯片可以達到很高的效率，國內在較低頻段已有采用，但在高頻端仍然為空白。硅互補金屬氧化物半導體器件的抗輻照問題，是空間電子技術的瓶頸之一，國外采用藍寶石襯底等新型工藝，可以大大提高硅器件抵抗空間輻照的能力。

采用各種多功能芯片可以大大減少使用芯片的數量，將相控饋電模塊內的多個芯片集成在一兩個芯片上，簡化饋電模塊的結構，提高產品的集成度與可靠性，相控陣的成本也可大大降低。

采用微機械開關取代數字移相器中的PIN 二極管，組成新型的MEMS 移相器。MEMS 移相器的成本比通常的數字移相器低一個數量級，截止頻率高達1 000GHz，優點是頻帶寬度寬、損耗低、隔離度高。缺點是開關時間略長，壽命稍短。

星載相控陣技術的進步，一直是由各種新型器件及材料所推動的，以上新型器件的進一步發展將從根本上提高星載相控陣天線的性能。

6 對我國星載相控陣技術發展的建議

1）星載相控陣天線可擴展應用的領域

星載相控陣天線的特點是，可以利用單一口徑實現多個可移動的波束，很適用于具有多目標移動通信需求的戰術通信衛星。對于擔負提高中低軌道衛星傳輸效率使命的中繼衛星系統，采用相控陣天線可以增加服務對象的數量，極大地提高衛星的應用效能。

星載相控陣天線采用分布式固態功率放大器系統，固態功率放大器通常具有較大的頻率帶寬，固態功率放大器空間功率合成，只要提供足夠的功率即可實現比單發射機大得多的功率輻射，這樣采用相控陣天線易于實現極大容量的通信需求。Spaceway衛星實現了這樣的工作模式，這也是國內的一個應用方向。

采用小間距相控陣，可以實現很大的掃描范圍，天線沒有機械動作易于實現連續長壽命周期工作，這些特點對中低軌道航天器可變星地、星星鏈路具有廣闊的應用前景，也是我國致力發展的方向。

2）集中力量突破空間環境應用的瓶頸

相控陣天線在地面已經應用多年，但擴展到空間應用也就是近年來的事情。主要障礙是空間環境適應性的瓶頸，包含的因素有熱控、輻照環境、產品質量、消耗功率等。我國的環路熱管技術已進行了飛行驗證，目前需進一步驗證的是熱管的長壽命及高可靠性能。對處理更大功率熱量的展開式熱輻射器，需開展進一步的研究及飛行試驗。相控陣天線對輻照敏感的是各種CMOS工藝電子芯片，需從工藝及材料方面入手開展進一步的研究。

3）努力發展基礎工藝及關鍵器件

星載相控陣天線的應用性能及技術水平很大程度上取決于所采用的基礎工藝及關鍵器件。先進的微波集成工藝，低溫共燒陶瓷工藝可以大幅度地降低相控陣的體積和質量，建議加速發展航天系統微組裝及微波集成工藝，這不僅可以推動星載相控陣的發展，對于推動整個航天設備的微小型化、輕量化及集成化均有重大的作用。為從根本上提高相控陣的效率，需聯合國內有關院所突破磷化銦、氮化鎵器件工藝難關，以填補這一技術空白。星載相控陣模塊的單芯片化是相控陣技術的發展方向之一，國內已有相關院所采用國內設計、國外流片的方法進行了有益的探索，他們的經驗值得借鑒。

4）開展新型相控陣體制的預先研究

光控相控陣、掃描平面反射陣、亞毫米波相控陣等新型相控陣體制牽涉的技術難度跨度較大，采用很多新型技術及新型器件，具有技術復雜綜合的特點，掌握及應用周期較長，為了實現在航天領域的應用，應超前開展預先研究，以推動我國星載相控陣天線技術盡快跨上新的臺階。

（References）

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