相控陣天線：它們能用嗎？

+ Marisa Torrieri《Via Satellite》/文 沈永言(中國衛通) /譯

隨著更輕、更強天線需求的有增無減，開發商們正在積極應戰。但是，這足以推動市場向前嗎？

作為一名在電信、無線和衛星通信行業工作20多年的人士，以及相控陣天線制造商Phasor的CEO，David Helfgott知道技術演進可能一日千里。然而，他對此依然感到吃驚。僅在十年之前，即他仍在SES工作的2000年代中期，工程師們全力以赴忙于將廣帶和寬帶衛星應用到陸地移動車輛上，所使用的技術在今天看來可謂老掉牙。

Helfgott笑著回憶道，“我們弄了一堆射頻設備和一個大型半圓形1.2米機械調控天線，將它們捆綁到從eBay買來的悍馬上，來證明它們在運動中能夠獲得5Mbps的速率。但是，鑒于當時的設備重量和天線尺寸，這僅僅是個概念驗證，而不是可行的商業解決方案，我們需要更好的解決方案。”

技術上，Helfgott提及的“大型半圓形天線”早已遠遠落后于Phasor，這家位于華盛頓特區的企業研發的電調控、高吞吐量、低輪廓相控陣天線，而且后者已整裝待發，準備奔赴商業市場。

2018年3月初，Phasor宣布，在電調控相控陣天線應用于非靜止軌道衛星方面，它將與加拿大衛星通信公司Kepler開展合作。Helfgott說，Phasor近期將宣布其它合作伙伴。

Helfgott從 2013年開始掌舵Phasor。他說：“對原有帶移動基座的大拋物面天線、功放和上變頻器（BUC）之類電子設備進行集成，以及專用集成電路（ASIC）的開發，這些花費了我們五年半多的時間。如今我們準備投放市場，時間非常有限。有了國防部門的資助，一百萬塊相控陣天線對于我們觸手可得。”

Helfgott 并不是唯一對將在下一波衛星通信浪潮嶄露頭角的機靈天線持樂觀態度的人，這一波衛星通信發展浪潮被正在興起的寬帶消費需求和正在來臨的OneWeb和SpaceX之類LEO衛星星座所驅動。但是，如果你問衛星行業中的其他人，他們會認為相控陣天線拖的時間太長。太多的時間或許證明了它們的內在價值吧。

雖然NSR最近發布的“平板衛星天線第二版”報告預測，到2026年，平板天線（FPA）設備累計銷售量將達到91億塊，這主要是被航空行業所驅動，但NSR研究人員毫不遲疑地認為，成本和性能一直是制約平板天線發展的主要因素。NSR在報告中引用了一個著名的失敗風投案例，即2014年9月松下航空與波音合營公司，致力于生產面向窄體客機的Ku頻段相控陣天線。事實表明，航線在購買高成本、高效率天線方面仍然持謹慎態度。

鑒于這些擔憂，這些明星企業真的在2017年做好了讓其相控陣天線一飛沖天的準備？或者說，相控陣天線制造商是否低估了面臨的市場挑戰的難度，例如，這些天線是否可以在衛星生態系統內以扣人心弦的價格提供服務？

Phasor 的六模航空用電掃描天線

機會多多

相控陣天線，這種由一群微小、緊湊的天線組成和控制的平板結構在1950年代就出現了，那時這個技術被用于軍事用途（雖然很少報道，實際上第一個相控陣傳輸早在1900初就出現了）。

Helfgott 說：“當時相控陣是復雜的、模擬的、不靈活的、功能非常有限的手工校準事務。”

到2000年代初期，技術在繼續演進，但是并沒有出色的商業應用案例。主流的互聯網和移動地面無線技術仍處于被消費者普遍接受的初期，所以，飛機上的YouTube流媒體視頻需求未能啟動。然而到了今天，航空業開始熱衷于用平板天線來提供機載寬帶服務。

NSR分析師Dallas Kasaboski說：“扁平的輪廓更為誘人，而且如果安裝在飛機上，它的風阻顯然更小。”

此外，在墨西哥和哥倫比亞之類新興市場，以及汽車和海事之類運輸垂直市場的高速寬帶需求方面，都需要用到相控陣。與此同時，高通量（HTS）的發展和大量LEO和MEO衛星發射計劃也在創造新的機會。

經過精心設計，相控陣天線已經取得了長足的進步，逐漸從機械調控“萬向頭”模式轉向電子調控的平板。最新種類的相控陣天線厚度更薄、輪廓更低、可靠性更高、增益非常之大。

ThinKom公司董事長和CTO William Milroy說：“當我們走向HTS時代，天線帶寬要求更寬，運營商正在向天線制造商施壓，以創造出能在更高頻段工作的設備來。”最近，Hawthorne，這家生產軍用和商用相控陣天線的加州公司與機載連接（IFC）提供商Gogo結成合作伙伴，向其2Ku產品線提供天線技術。

對于C-COM這樣一家有20多年固定和移動VSAT車頂天線生產歷史的公司來講，相控陣天線技術對移動車輛通信更為迫切。這家位于Ontario的機構最近宣布與滑鐵盧大學合作，來研究適應未來應用的相控陣技術。

Bilal Awada，C-COM CTO說：“我們的確看過其他技術，但是，相控陣的最大優勢是可以電子調控波束，或者混合應用電子和機械調控。我們認為，技術上可以將成本做得更低，這正是我們的打算。我們希望天線用得起、可擴展，相控陣是我們的自然選擇。”

相控陣天線制造商削減成本的方式之一是使用低成本材料，并進行大規模生產。

Milroy說：“OneWeb正在談論在五年內部署500萬個終端，所以這些價格目標必將非常低。我們的成本非常有彈性。在大規模生產條件下，我們將天線價格控制在1000美元以下沒有太大的挑戰。其原因是我們不使用太多的元件…我們正在該領域使用金屬化塑料，這很容易壓低價格，我們不需要購買或安裝太多的射頻或電子元件。此外，我們不是在昂貴或有損耗的電介質或超材料上傳播，我們是在空氣中上傳播…應用那種材料將難于控制損耗或成本。”

只是一個相位

Nathan Kundtz，天線制造商Kymeta的董事長和CEO，總體上對相控陣持謹慎態度。雖然Kundtz公開贊賞相控陣天線的工程和設計，但他卻難以下決心購買。

Kundtz說：“如果看看那些已經生產電調控天線的公司，如波音、洛馬等，它們實際上是非常昂貴的高技術設備。這主要是由要讓數千個獨立調節的單元有條不紊地一起工作造成的。構成一塊接收相控陣天線的數千個小單元相互之間必須進行相位調整。它們不得不在變化的溫度和苛刻的環境下超時工作，此外，還要動態控制耗電的移相器，以及功放和其他部件的功耗。”

由于這些原因，Kymeta放棄了相控陣架構，將重心放在完全不同類型的平板天線上，它由在全息面板上的完全不同的材料構成。

Kundtz說：“顯然，人們努力在使相控陣天線變得更便宜，但他們忽視了集成成本、系統成本、功耗成本等事實。發送和收孔徑的結合并非許多平臺可以對付。我們認為，相控陣架構不是我們的目標，我們要另辟蹊徑。我們不用昂貴的、耗電的部件。我們用單一的LNB和高功放來收發，這是衛星行業的傳統做法。天線本身同樣是無源結構，這意味著無需動態控制移相器。這最終意味著天線更輕、更小，功耗更低。”

John Finney，Isotropic創始人說：“目前相控陣天線和平板天線的問題是，它們不可能把饋源數量和天線掃面性能分開考慮。”

Finney說：“當我們分析技術商品化時，這個問題顯而易見。如果有一個65-70厘米的Ku天線，你實際需要數千個饋源。這個數目的多少取決于天線大小，但總是需要難以置信的饋源數來擴大掃描角度，以實現在任何方向產生波束。到目前為止，沒有辦法如人們所愿，來減少決定相控陣成本和性能的部件。”

由于成本和部署上的挑戰，通過平板和萬向節天線，為西南航空等航線提供Ku和Ka頻段飛機連接的Global Eagle希望在一兩年內擁有早期版本的平板天線，但是成熟起來差不多需要四年時間。

Global Eagle研發總工和副總裁Simon McLellan說：“每個人對下一代天線都抱有非常樂觀和積極的態度，但是真正的突破是在飛機上提供100Mbps速率的經濟性，但它花費不菲。你能創造一個在飛機上為高速上網支付30、40美元的案例嗎？某些人可以，但需要權衡。隨著衛星成本的下降，我們可以在無需對現有設備做大的技術升級前提下來權衡。”

McLellan注意到新技術開發和產品必須聚焦在效率上。

McLellan說：“過去人們比較關注吞吐量，宣傳使用數量。但是，如果系統運作起來沒有效率，就沒有收入來支持它們。對于GEO衛星，平板天線的效率不定，緯度超過60度可能效率極低。這種情況直到LEO/MEO星座出現后才有所改觀，此時衛星在天線的上方，這最終讓平板天線獲得了效率。”

繼續前行

Milroy認為，由于天線能否滿足衛星行業需求問題懸而未決，市場對相控陣天線的期待是復雜的。未來，跟上技術進步步伐以及產業生態上的約束將是新的挑戰。尤其是，保持技術敏捷性將是天線制造商的更大挑戰。

Milroy說：“在OneWeb、SpaceX之類的LEO/MEO系統中，衛星將在天空中移動，我們也會移動，所以更高掃描靈敏性非常重要。你需要跟蹤這些衛星……但是，你同樣需要進行快速的衛星切換，因為任何衛星過頂的時間都是非常有限的。所以，客戶要求更高的波束靈敏性。”

此外，隨著衛星提供商轉向更高的頻段，天線設計者必將要調整天線結構，這是毫無疑問的事情。

Milroy說：“Ku是常用的頻段，SpaceX正計劃用這個頻段，而OneWeb正在使用它，因此，對干擾問題的擔憂將會更多。因此，從天線的視角看，我們必須在控制天線旁瓣、匯聚波束能量上做更多的工作。”

可是，相控陣天線制造商們說它們將迎接這個挑戰。

Milroy說：“我們將從衛星在天上不動的領域轉向衛星在天上移動的領域，你必須在衛星之間進行切換。所以，如何指向波束、如何快速移動波束、如何快速跟蹤波束等方面的所有管理，都是我們需要根據變化來面對的事情。”

后相控陣天線市場仍火熱

由于移動衛星星座時代機會多多，平板天線將炙手可熱。所以，不是所有的人將賭注壓在相控陣天線上，來獲得市場份額。雖然這種由數千個小天線構成的天線在技術上誘人，許多人認為它們不太可能以合適的價格投放市場。

這樣，一大批剛冒出的天線制造商都在推出同樣值得關注的設備，他們相信，這些設備在新應用和新市場中將更能出人頭地。

作為后相控陣運動中最知名的平板天線制造商之一和衛星技術提供商，Kymeta希望它的全息平板天線是汽車、飛機、輪船等有更高可靠性應用要求領域的理想選擇。與其它平板天線相比，這種天線的功耗很小。Kymeta的CEO Nathan Kundtz說：“這種由一系列工作于特定頻率的諧振器構成的平板，其生產方式實際與液晶顯示屏相同。目前，其熱門制造商是松下電子，用的生產線與電視顯示屏相同。關鍵是電視的生產價格已經廣為人知，一套價值2500億美元的生產設施、具有數十年規模生產的經驗擺在那里。”

具有兩年發展歷史的衛星通信開發商Isotropic最近在第二輪融資中獲得了500萬美元，它同樣在未來的后相控陣天線上下了賭注。

Isotropic創始人John Finney說：“我們需要徹底顛覆相控陣系統的成本，來滿足下一代衛星系統的商業需求。我們天線的性能與相控陣旗鼓相當，但是我們的制造成本目標是其的十分之一。”