相控陣在衛星通信中的應用研究

王 昕，姚艷軍

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230000）

0 引 言

衛星通信因其覆蓋范圍廣、通信距離遠以及系統容量大等優點，成為當今無線通信研究的熱點[1,2]。相控陣天線由多個天線單元組成，通過改變各個單元的幅度和相位，可以使波束掃描到空間給定的角度上，從而改變天線方向圖最大值的指向，達到波束掃描的目的[3]。相比于原有的機械掃描，相控陣具有掃描靈活、可靠性高以及快速轉向等優勢，因此在近年來得到迅速發展，并廣泛應用在軍民融合領域。

本文將重點介紹衛星通信中相控陣的特點、相控陣在衛星通信中的典型應用以及其在衛星通信中常用的工作模式。

1 相控陣的基本原理

相控陣天線指的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的天線[4-6]。根據天線單元的分布不同，相控陣可以分為平面相控陣、曲面相控陣以及共性相控陣等。根據場源分布方式的不同，相控陣可分為離散元陣列和連續元陣列。此外根據天線陣元排列方式的不同，相控陣可分為線陣、平面陣以及立體陣。

線陣的各個陣元排列在一條直線上，原理簡單常用。以線陣為例，簡要介紹相控陣工作的基本原理。如圖1所示，N個沿y軸等間隔、直線排列的天線單元組成一個線陣，間距為d。

將線陣置于圖2所示的平面中，可以得到簡化的線陣天線圖。

如圖所示，各個陣元在θ方向上有波程差，相鄰陣元的波程差為dsinθ，則線陣相鄰陣元的相位差φ為：

當各個陣元等幅同相饋電且相控陣未做掃描時，每個陣元在遠場區域形成的電場強度相同，N單元線陣在遠場區域形成的電場強度E(θ)為：

歸一化處理后得到線陣的歸一化方向圖F(θ)為：

當各個陣元間等幅等相位差饋電時，有第i個陣元在遠場區域形成的電場強度Ei為：

同上，此時的歸一化方向圖F(θ)為：

基于上述推導可知，通過改變相控陣各個單元的移相器，可以改變相鄰陣元之間的相位，從而改變波束的最大值指向。

2 相控陣的特點

相控陣具有多波束快速掃描捷變能力，可同時形成多個發射波束和接收波束，且所有波束可以獨立控制、獨立掃描以及快速捷變。相控陣減少了機械式掃描所需要的天線轉動時間，可提供更為靈活的響應能力，支持多波束在軌賦形。根據實際需求，通過高效波束賦形算法可形成預設形狀的賦形波束，實現覆蓋區域內能量按需分配的目的，提升覆蓋區域內服務質量。相控陣波束的工作頻率和帶寬可軟件在軌實時配置，且具備實時調整工作頻率的能力，以規避干擾。

在衛星通信里主要利用相控陣快速掃描捷變、同時多波束形成、波束賦形、強抗干擾以及高可靠性的特點。

2.1 快速掃描捷變能力

陣列天線中各天線單元通道內信號傳輸相位的快速變化，可以使天線波束具有快速掃描捷變的能力。不同于傳統的機械掃描，相掃克服了原有天線波束指向變換的慣性，從而對性能有了本質的提升。

面對衛星通信中的高動態用戶，如中低軌航天器、偵察機、民用客機以及地表重要用戶等，系統需要提供持續穩定的高速數據連接。此時通常為用戶單獨分配一個波束，利用波束跟蹤用戶的行進軌跡來提供服務。面對廣域非集中分布的衛星用戶，通過設計跳波束方案，使波束的服務區在整個覆蓋區內不斷發生變化，利用分時的方式覆蓋所有服務區，相對于反射面波束賦形技術，對波束覆蓋性能改善極大。

2.2 同時多波束形成能力

拋物面天線的方向性依賴于饋源，形成的多波束不可連續變換方向。拋物面天線通過機械伺服驅動，轉動速度慢，不能適應高速運動目標的快速捕獲，不能適應分時接收時快速跟蹤及快速切換波束指向的需求[7,8]。采用相控陣天線，通過轉換波束控制信號可以在一個重復周期內形成多個指向不同的發射波束和接收波束。

在衛星通信里，通信雙方相距較遠，需要很大的發射機才能完成功率的發射和高靈敏度的接收。相控陣系統能夠形成多個高增益的窄波束，分別覆蓋目標區域，保證每個區域內都有較強的信號功率。另外，多波束通過空分復用可使用相同頻率進行通信，在有限頻譜帶寬內提高數倍的系統容量[9]。

2.3 波束賦形能力

采用相控陣天線，通過改變陣列中各單元通道內的信號幅度與相位，可改變天線方向圖函數或天線波束形狀。通過波束賦形，可以解決熱點區域覆蓋、敏感地區規避以及減小干擾等問題。

2.4 強抗干擾能力

相控陣系統可以集中多個輻射單元的功率形成大功率模式，也可以通過能量管理和主瓣增益控制分配不同方向所需的發射能量。這些特性都使得相控陣系統具有自適應旁瓣抑制和自適應抗各種干擾的能力。

2.5 高可靠性

相控陣系統的陣列組件較多，且并聯使用，即使有少量組件失效仍能正常工作，突然完全失效的可能性很小，這極大提高了系統的可靠性。

3 典型服務模式

相控陣可同時形成多波束靜態覆蓋固定區域，也可以采用跳波束方案動態地服務不同區域和用戶。根據不同的用戶需求，相控陣可提供饋電落地模式、波束鉸鏈模式以及分組交換模式等幾種典型的服務模式[10]。

3.1 饋電落地模式

饋電落地模式主要用來提供高速數據傳輸和衛星寬帶互聯網的接入。

3.1.1 高速數據傳輸

空間用戶如通信類衛星和信息獲取類衛星，地表重要用戶如飛機、浮空平臺以及艦隊等，均具有分布廣、運動速度快、數據量大以及優先級高的特點。衛星相控陣載荷可形成大范圍掃描和高動態跟蹤的多波束，為用戶提供連續、穩定的高速數據傳輸。在該模式下，各目標返回的數據及各用戶中心發送的前向數據均需要經過運控中心及地面站的轉發，如圖3所示。

圖3 速數據傳輸示意圖

3.1.2 衛星寬帶互聯網接入

互聯網接入定位用于服務一定區域內的大量用戶，解決特定區域大連接的問題，如“一帶一路”區域內地面網絡覆蓋不到的區域。

（1）固定接入。對于偏遠落后地區或山區，無法實現光纖到戶，為了消除數字鴻溝，為這些用戶提供衛星寬帶互聯網，可使用相控陣形成固定的多波束進行覆蓋。多個固定小區的數據流業務通過交換設備與衛星終端進行雙向通信，衛星終端利用上下行相控陣波束實現小區和Internet的互連。應用場景如圖4所示。

圖4 固定寬帶業務

（2）動中通接入。對于航空、航海以及高鐵等無地面網絡或網絡差的環境，可利用移動平臺安裝的動中通衛星終端，利用相控陣波束進行跟蹤，提供互聯網、視頻以及多媒體語音等應用服務。應用場景如圖5所示。

圖5 動中通互聯網接入業務

3.2 波束鉸鏈模式

相控陣載荷可以在星上設計返向波束鏈路信號，通過交換網絡交換至前向波束鏈路，能將返向波束接收到的數據直接通過前向波束轉發落地。系統工作于該模式時，前返向數據不再經過衛星地面站轉發，而是由衛星直接轉發，示意如圖6所示。

圖6 波束級鉸鏈模式示意圖

波束鉸鏈模式下衛星為收發兩端提供透明的傳輸通道，根據系統需求及用戶數量可靈活配置為不同服務模式。主要可用于下面幾種應用場景。

3.2.1 出訪通信

隨著國家戰略利益拓展和“一帶一路”戰略實施，我國對外交往日益增多，需要為出訪等重大任務提供任務驅動的全球通信保障。當國家政要進行遠洋外事活動時，通過相控陣載荷調度兩對收發波束，可快速建立全球覆蓋的通信鏈路，實現出訪時隨時與國內建立通信連接，如圖7所示。

圖7 出訪通信示意圖

3.2.2 跨區域固定通信

該類業務模式為兩個固定地面站之間通過衛星相控陣的兩個波束彼此之間實現通信，如圖8所示。地面站采用大口徑、反射面天線，可實現國家之間或國內不同區域之間的遠距離、高速率通信，如移動基站回傳等。

圖8 跨區域固定通信示意圖

3.2.3 跨區域應急指揮

當發生自然災害時，地面移動通信網癱瘓或不可達，衛星通信將在應急救災、海難及空難救援中扮演重要角色。跨區域應急指揮是波束鉸鏈模式下典型的應用場景，系統由應急指揮中心和災害現場的終端設備組成，二者通過相控陣的兩個波束交連在一起，建立快速響應、24 h無間斷的通信鏈路，如圖9所示。

圖9 跨區域應急指揮系統

3.3 分組交換模式

分組交換實現業務信息跨節點受控傳輸，衛星不僅對業務信號進行再生處理，而且解析用戶的分組報文，從業務數據分組提取標簽信息以控制分組轉發。分組交換為處于覆蓋區域的用戶提供網內互聯，更適用于數據率要求不高和用戶較多的應急通信場合。采用星上分組式交換可以提高頻譜利用率，分組交換服務覆蓋區域內的多個用戶，從廣義上來說屬于寬帶接入業務范疇。應用場景如圖10所示。

圖10 區域內分組交換模式示意圖

該服務模式下典型的場景為政企辦公專網，對于位置跨度大的企業各辦事處和分公司之間的局域網通信，具有多對多通信的特點，類似于衛星VSAT專網，如圖11所示。

圖11 局域網通信示意圖

4 結 論

快速發展的衛星通信事業正推動著相控陣天線的發展。相控陣天線在多波束、快速跟蹤掃描以及高可靠性方面的獨特優勢，正適用于衛星通信中的新型需求。本文從相控陣的典型服務模式展開，詳細介紹了各個服務模式下，相控陣在衛星通信中的應用。