衛星通信中相控陣天線的應用及展望

李 靖，王金海，劉彥剛，張中海，侯 睿

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.天津警備區，天津 300220；3.軍委裝備發展部裝備項目管理中心，北京 100034)

0 引言

衛星通信具有覆蓋范圍廣、傳輸距離遠、通信容量大、傳輸質量好、組網靈活迅速和保密性高等眾多優點，已成為當今極具競爭力的通信手段。隨著高通量衛星通信的逐步應用，衛星的傳輸容量顯著提高，單位帶寬的成本大幅降低[1]，給人們的生活、生產帶來了極大的便利。相控陣天線是通過控制陣列天線中輻射單元的饋電相位來改變方向圖形狀，控制相位可以改變天線方向圖最大值的指向，已達到波束掃描的目的，也可以通過加權優化控制副瓣電平、最小值位置等參數。在衛星通信系統空間段和用戶終端相控陣天線都有應用，在空間段主要是利用相控陣天線的同時多點波束、敏捷波束和空域濾波能力，在用戶終端則是看中其低輪廓、靈活波束形成處理、空域自適應調零濾波以及潛在的低成本等特點。

相控陣天線在衛星通信中的應用主要有直接輻射相控陣(Direct Radiating Arrays，DRA)和陣列饋源反射面天線(Array Fed Reflectors，AFR)2種形式[2]。DRA收發信號直接輻射，通過射頻波束形成網絡(BFN)或數字波束形成滿足同時多點波束、敏捷波束、波束重構和寬角掃描等需求，費用和功耗較高。AFR采用賦形反射面天線結合相控陣饋源陣列的方式，利用偏焦饋電形成多個不同指向的波束，同時滿足高增益、低功耗、低成本、多點波束和波束掃描的需求，利用饋源焦平面陣列可以改善反射面的漏射率，提高天線輻射效率EIRP[3-4]，另外陣列激勵技術還可用于補償反射面加工誤差或老化造成的扭曲變形。

文獻[5]中描述了相控陣衛星通信天線的主要關鍵技術，包括寬角掃描天線技術、天線-射頻集成化設計技術、高精度跟蹤技術和相控陣天線的幅相校準技術。近年來，隨著研究的深入，逐步突破了這些技術并取得了一定進展。但是，隨著寬帶衛星通信的發展，對相控陣天線提出了新要求，涉及到超寬帶寬角掃描天線、高速傳輸處理、軟件無線電通用平臺、數字波束形成(DBF)和低成本集成等關鍵技術。本文將介紹近年來國內外在衛星通信系統的空間段和用戶終端中相控陣天線的應用情況，并結合上述關鍵技術對相控陣天線發展趨勢進行了展望。

1 星載相控陣天線應用

1.1 中低軌道衛星應用

對于LEO通信衛星，由于軌道低，星地傳輸距離短，自由空間損耗小，同時要求天線具備較大掃描角(通常對地覆蓋角度不小于±60°)，因此，該軌道上的衛星用戶鏈路一般都采用直接輻射相控陣配置。除了寬掃描角外，該相控陣天線還具有低輪廓、低功耗、波束數量較少(通常小于50個波束)和重量輕等特點，其波束形成網絡從早期的射頻BFN逐步發展為數字波束形成，可實現靈活的多波束、波束調整重構，以及波束凝視、等通量覆蓋。數字波束形成的挑戰主要是利用高效的算法、以最小的計算資源得到所需的波束權值。目前，通常采用查表法讀取預先存儲的權值系數，未來可通過在軌重構技術實現權值更新或通過實時計算自適應更新權值系數。

中低軌道衛星的相控陣天線通信應用可以追溯到銥星和全球星系統，1987年摩托羅拉提出和負責制造的銥星系統由66顆低軌衛星組成，星載主任務天線(Main Mission Antenna)采用3個有源相控陣板，如圖1(a)所示，以一定的角度面向地球，提供衛星到地面用戶的L頻段鏈路，每個有源相控陣由106個陣元和T/R，以及波束形成網絡組成，每個T/R組件有一個5 bit移相器和一個6 bit衰減器，功率放大器采用PHEMT FET，波束形成策略是基于兩維交叉Butler矩陣和功分器形成16個點波束，如圖1(b)所示，整星共計48個點波束指向地球[6-7]。

(a)銥星

(b)16點波束覆蓋

全球星1代(GB1)則采用91個發射陣元(S頻段下行鏈路)和61個接收陣元(L頻段上行鏈路)的六邊形陣列布局，采用功分器和合成器方式的射頻波束成形網絡來形成16個點波束。為提高在軌壽命(從GB1的7.5年到2代的15年)和降低費用，2010年開始建設的全球星2代(GB2)發射天線采用半有源相控陣天線，即采用2副無源多面穹圓頂形天線(TX10，TX6)形成16個波束[8]，并由多端口功放提供信號放大，由TX10喇叭實現中心的波束1，TX10剩余的9個陣面形成外圍的9個波束，TX6的6個陣面(每陣面8陣元)形成中間圓的6個波束，而且多端口功放可以實現波束間的功率調節。L頻段接收則繼承GB1采用有源相控陣天線，把陣元數減少到52，優化成本，波束賦形通過調節無源移相器和衰減器實現，如圖2所示。

圖2 GB2相控陣天線

國內上海微小衛星工程中心于2009年完成16個發射波束的有源陣列天線原理樣機研制與測試[9-10]，該S頻段有源陣列天線由61個天線陣元等三角形柵格排列組成一個正六邊形平面陣，如圖3(a)所示，采用數字波束形成網絡形成16“等通量”覆蓋波束，如圖3(b)和圖3(c)所示，經測試中心波束峰值增益為10.5 dB，第2層波束峰值增益為13 dB，第3層波束峰值增益達到16.8 dB以上，中心波束指向誤差為0.4°。其數字波束形成采用查表法節約乘法器資源，利用正六邊形關于120°的旋轉對稱性，根據波束空間陣列分解結果設計復用結構，以各波束為中心完成波束成形乘法運算，然后以陣元為中心進行對應的累加運算，完成波束成形操作，極大地利用各子陣間共用成形系數，節省2/3的硬件資源。

(a)陣元排列及子陣分割示意

(b)16波束賦形效果

(c)波束頻率復用及覆蓋示意

1.2 同步軌道衛星應用

同步軌道衛星上的相控陣天線通信應用主要分為2個方面：大容量/超大容量通信衛星應用中多采用X/Ku/Ka頻段直接輻射相控陣天線，例如Spaceway3，ViaSat，WINDS，AEHF，WGS等衛星，需要解決寬帶、高通信速率、敏捷波束調整、自適應調零抗干擾和高可靠等難點；衛星移動通信應用中多采用大型L/S頻段陣列饋源反射面天線形成多點波束，例如AcES，Thuraya，Inmarsat-4，ICO-GEO，Terrestar-2，Skyterra-2，天通-1等衛星。陣列饋源反射面天線的反射面為大型可展開傘狀天線，具有重量輕、增益高、低旁瓣和費用低等特點，同時兼具相控陣靈活波束的優點，但是，星載可展開相控陣天線存在著結構位移場、電磁場及溫度場之間的相互作用、相互影響，進而影響相控陣天線的電性能[11-14]；同時，為了發揮相控陣天線靈活波束的優點，需采用DBF技術，受限于星上載荷緊張的處理資源，部分衛星移動通信系統采用了地基波束形成(GBBF)技術。以返向鏈路為例簡要說明GBBF系統原理，如圖4所示，用戶終端返向信號經星載陣列饋源反射面天線接收后，饋源相控陣各通道載波信號經多路復用后，通過饋電鏈路發送到信關站解復用、數字波束形成所需的用戶波束，通過增加地面復雜度從而換取了載荷的高可靠、小型化，但是，由于GBBF系統具有通道鏈路長、誤差來源復雜的特點，且通道間誤差隨衛星運動具有時變特性，需要在通信過程中進行實時校準補償。因此，星載陣列饋源反射面天線的難點在于：展開機構、反射面找形、在軌熱分析、無源互調[15-16]、多點波束賦形、自適應調零抗干擾、可靠性分析、GBBF星地一體校準[17]等，以及為節約載荷資源急需開展的數字信道交換與波束形成一體化技術研究。

圖4 返向鏈路GBBF系統架構示意

替代Milstar衛星的AEHF星座覆蓋南北緯65°間的廣大地區，用于包括核戰爭在內的各種規模戰爭中，為關鍵戰略和戰術部隊提供防截獲、抗干擾、高保密和高生存能力的全球衛星通信[18-19]。鑒于功率和費用方面考慮，AEHF的可控波束同時采用萬向傳動天線和相控陣天線，相控陣用于跳動速率遠遠快于可能采用萬向傳動天線的移動波束。2010年8月發射了第一顆先進極高頻衛星，如圖5所示，衛星有2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。

圖5 AEHF衛星天線布局

商用高通量衛星通信方面，截至2016年全球約40家衛星運營商中，已經有26個衛星運營商投資超過60顆高通量衛星或部分載荷[1]，并呈加速發展趨勢。高通量衛星系統容量從第一代的10 Gbit/s左右發展到100 Gbit/s 左右[20]，未來HTS衛星系統容量將達到Tbit/s量級，例如規劃中的ViaSat-3衛星，單星達到1 Tbit/s的系統容量，可靈活地將容量動態分配到需要的地方，預計2019發射第一顆衛星。2007年8月發射的Spaceway3采用Ka頻段無源相控陣天線[21]，可幫助進行功率和波束動態調整，陣列規模為1 500，可生成24個下行波束(在784波束位置上跳變)，上行采用雙偏卡塞格倫發射面，形成112個波束，如圖6所示，Spaceway3衛星具有很強的應用適應能力，針對小型終端用戶進行功率和速據率優化。

圖6 Spaceway-3衛星波束及通信架構

2008年2月發射的日本WINDS衛星，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7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，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7 Winds星載相控陣

衛星移動通信系統可與地面移動通信系統互補，實現個人通信全球化。用戶鏈路采用較低的UHF頻段、L和S頻段，具有傳播損耗小、雨衰影響小、穿透和繞射能力強等特點，同時，利用陣列饋源反射面天線大反射面的窄波束和相控陣的靈活性，形成100～500個點波束覆蓋，結合頻率和極化復用，可以實現衛星移動通信系統的大容量和用戶終端小型化設計。2010年11月發射的Skyterra-1衛星，如圖8所示。

圖8 Skyterra-1 L頻段大型可展開天線

采用22 m L頻段大型可展開網狀天線，配合相控陣饋源陣列以及GBBF技術可實現多達500個波束，其采用的GBBF技術簡化星上有效載荷設計，將復雜的星上處理工作交由地面信關站處理，并能根據用戶需求調整波束數量和形狀，靈活分配星上容量和帶寬，相比星上數字波束形成，可有效降低風險。2013年發射的Terrestar-2，同樣采用18 m金屬網反射面天線，配合GBBF技術，實現500個可變波束，系統能夠廣泛支持寬帶移動接入業務。

另外，還有美國跟蹤與數據中繼衛星系列，星上采用一個S頻段多址相控陣天線，如圖9所示，30個螺旋陣列天線，接收時形成20個波束，發射時用12陣元形成1個波束；美國第二代“跟蹤與數據中繼衛星”的S頻段多波束相控陣天線陣元為微帶貼片子陣，收發陣分開，星上模擬多波束形成，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3 Mbit/s，天線發射采用15個陣元，前向波束為2個，傳輸速率為300 kbit/s。

圖9 跟蹤與數據中繼衛星

2 相控陣天線在衛星用戶終端的應用

相控陣天線在衛星用戶終端的潛在應用主要考慮移動衛星通信中的發射多波束切換管理、避免干擾其他衛星、多星信號靈活接收以及GEO與LEO/MEO系統的相互操作。對于LEO，MEO衛星通信，衛星在軌道上不停地快速運動，地面天線要保持跟蹤天空中“飛行”的衛星，并能很快地從跟蹤一顆衛星切換到另一顆，如果使用傳統機械式天線，除非是雙天線，否則無法在不造成通信中斷的情況下連續跟蹤衛星。相控陣等電掃描平板電線的應用將大大改善上述情況，由于沒有機械部件，低輪廓、高可靠性，甚至一副天線可以支持多星同時工作，非常有利于NGSO衛星通信。但是，相控陣天線應用有一個極大的挑戰，當波束指向60°或偏離視軸更遠時會發生增益下降，因此需要多副天線形成一個完整視場。

當前國際上幾家較有名的電掃描平板天線廠家包括Phasor公司、C-COM公司、Isotropic公司、SatixFy公司、ThinKom公司和AvL公司等，既有老牌的拋物面天線技術公司，也有像Phasor，Isotropic這樣新銳的天線企業。在高通量航空應用中，業界通常認為平板天線需要提供100 Mbps以上的數據傳輸能力。

Phasor公司研發的低成本相控陣天線，采用具有電子波束成形功能的專用集成電路(ASIC)，這些芯片與非常小的貼片天線組合成一個單元，超過500個單元分布在經過射頻優化的面板上，構成了Phasor核心模塊的基礎。核心模塊可以構成各種尺寸和配置，高度只有25～50 mm的相控陣天線，具有重量輕、面積小、精度高和擴展能力強等特點，能夠以非常高的增益提供超過100 Mbps的寬帶速度，如圖10所示，采用共形設計，以便在更大的180°范圍內掃描，雙波束技術使LEO和GEO可互操作。

圖10 Phasor天線效果圖

C-COM是一家有20多年固定和移動VSAT車頂天線生成歷史的公司，與滑鐵盧大學合作研究適應未來應用的相控陣技術，希望將模塊化有源相控陣系統推向市場。該公司天線采用先進的軟件算法來控制和校準模塊，并通過批量生產的方式大大降低開發成本。2016年5月，C-COM基于其專利移相器技術，成功測試了首款4*4 Ka頻段相控陣智能天線模塊，該模塊基于創新架構的低成本多層平面電路，具有靈活度高、厚度小、模塊化、一致性和適應性強等特點。

Isotropic公司專注于低成本、全電掃衛星天線，作為SES，Inmasat，OneWeb的合作伙伴，該公司為OneWeb研發的兼容終端旨在通過超前的方式為新興市場提供超低成本的寬帶，以彌合數字鴻溝，預計Ku頻段終端低于300美元，Ka頻段終端低于450美元[22]。Isotropic在2018年美國衛星大會發布的概念天線如圖11所示。

圖11 Isotropic天線效果圖

AvL技術公司被廣泛認為是拋物面天線技術的龍頭，在全球部署25 000多副天線系統，數百萬人用它實現衛星通信。2018年美國衛星大會上首次展出的新型Ka頻段衛通終端DarkWing，如圖12所示，是與L3技術公司、GCS公司聯合研制的小型平板天線，可裝入標準432 mm 筆記本電腦包中。

圖12 AvL技術公司的平板天線

國內方面，中國電科在展會上展出其基于民航應用的Ka頻段寬帶相控陣天線，如圖13所示。

圖13 中國電科的相控陣天線

部分新銳毫米波公司開展多通道多功能芯片集成單片的嘗試，采用硅基CMOS工藝和砷化鎵化合物工藝，集成單片發射芯片和接收芯片，并基于該多通道多功能芯片開發出Ka頻段相控陣天線樣機，如圖14所示的微波多層板相控陣天線。

圖14 微波多層板相控陣天線照片

3 衛星通信相控陣天線關鍵技術及發展趨勢

隨著高通量衛星、衛星移動通信和低軌衛星星座的蓬勃發展，個人對流量的巨大需求，推動著相控陣天線向高頻段、寬頻帶、多功能化和低成本等方向發展。下面討論的幾項相控陣先進技術代表衛星通信相控陣天線未來的發展趨勢，能否解決相應的超寬帶寬角掃描、高速傳輸處理、軟件無線電通用平臺、數字波束形成和低成本集成等關鍵技術，決定著相控陣天線能否在衛星通信系統中廣泛應用。

微波光子傳輸。隨著衛星通信Q/V頻段的應用，傳輸處理的帶寬達到5 GHz，對傳統微波技術處理提出了新挑戰，采用光子技術解決微波問題，在大帶寬、低損耗、無串擾和高抗電磁干擾等方面具有突出優勢，光學真延時能有效提高相控陣天線系統的瞬時帶寬，完成高速數據傳輸。目前，微波光子集成基本是分立元件，只是在實驗室得到驗證[23-24]，體積功耗大，難以實現工程化。因此，突破高集成、大帶寬的微波光子芯片，實現微波光子濾波、變頻、交換處理，以及基于光學真延時的波束形成網絡等功能，研究真延時的微波光子傳輸并應用于寬帶相控陣天線系統，對相控陣天線在雷達/通信領域的發展和升級具有重要意義。美國2015年7月成立集成光子研究所，旨在開發新型快速的光子集成制造技術和工藝方法，促進光子集成電路的設計、封裝、測試與互聯，構建從基礎研究到產品制造的全產業鏈集成光子平臺，從而解決高動態范圍、超低損耗、寬帶光子集成芯片大規模制造難題。國內電子科技大學和清華大學較早開展相關研究，在光真時延、光波束形成網絡取得實質性進展；中國科學院半導體研究所在光波導技術方面開展研究，取得系列研究成果；中國電科14所與南京航空航天大學2017年研制出K波段(18～27 GHz)的微波光子雷達實時成像驗證系統[25]。

集成桅桿[26]。雷達、通信、對抗、測控一體化系統的研究目標是：瞄準“偵查、干擾、探測、通信、攻擊、測控”一體化需求，實現雷達、通信和測控的硬件、軟件和波形的一體化，使雷達在探測的同時能夠進行通信，利用相控陣雷達天線陣面大尺寸高增益天線單元，產生通信波束，實現遠距離多用戶的接入和寬帶數據傳輸。需要研究解決超寬帶射頻前端及天饋陣列系統技術、一體化基帶處理架構技術、微波光子傳輸變頻技術、精確光真時延、光波束形成網絡和電磁兼容等基礎問題。2016年5月意大利PHODIR項目組搭建了一個雷達/通信雙用途原型機，該原型機基于同一個天線和光子收發機完成雷達與通信信號的接收與檢測，可同時執行監視與通信任務，且2個分系統之間不會互生干擾。

數字相控陣技術。為提高星座衛星通信系統的單星覆蓋范圍，要求大范圍波束覆蓋(±60°左右)；為滿足用戶隨時隨地使用需求，要求衛星可調整波束的大小、指向、功率以及波束間帶寬等，從而靈活地實現動態分配衛星容量；面對日益擁擠的衛星星座和頻率使用環境，要求衛星通信系統具備保護戰術波形能力；為滿足靈活終端應用，要求任意極化方式、通信波形可配置、波束靈活調整和快速跟蹤；以及面對GEO與LEO/MEO星座的相互操作需求，需要用戶終端在調控發射波束管理、衛星切換時避免干擾其他衛星等。因此，未來相控陣天線將會越來越多地采用數字相控陣技術，實現衛星功率動態分配、波束動態重構、敏捷調整，具備自適應抗干擾能力，同時避免干擾其他衛星。

新材料新工藝實現低成本。由于相控陣天線的成本、功耗和復雜度問題，部分天線廠家開始另辟蹊徑，不用昂貴的耗電的部件，尋求利用新材料來制作平板天線，利用液晶生產線來大規模生產以降低成本[27]。2012年成立的Kymeta公司，開發由在全息面板上完全不同材料構成的平板天線mTenna，能產生全息波束，通過電控天線內部不同單元的工作狀態，可控制天線波束方向，尋星、鎖定衛星的時間達到μs量級。德國Alcan Systems公司基于Darmstadt技術大學的RolfJakoby教授的研究成果，采用液晶代替傳統半導體制作液晶移相器，公司計劃2019年推出基于液晶材料制作的平板天線，可用于高中低軌衛星通信。進入21世紀，我國多所高校和科研機構相繼開展液晶相控陣熱點技術研究[28-30]，多集中在光學相控陣應用方面。

4 結束語

蓬勃發展的GEO高通量衛星和正在來臨的鴻雁、LEOSat、OneWeb[31]和SpaceX之類LEO衛星星座，正推動著一波衛星通信浪潮。美國航天咨詢公司北方天空研究所(NSR)高級分析師Brad Grady說，公司預測2017到2027年，電掃平板天線設備累計銷售量將達到180萬塊[32]。在這即將到來的浪潮中，國內從業者應當加緊超寬帶寬角掃描天線、高速傳輸處理、軟件無線電通用平臺、自適應數字波束形成(包含調零波束、多波束和高精度測向測角等)和低成本集成等關鍵技術研發，解決相控陣天線成本和性能2個主要痛點，制造出真正小型的相控陣天線和終端設備，滿足企業級和消費級的高數據率增長、隨時隨地寬帶接入需求，推動相控陣天線在GEO/NGSO高通量衛星、衛星移動通信等衛星通信應用中大展身手。