相控陣天線與固定多波束天線在通信衛(wèi)星系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

任軍強(qiáng)鄒恒光周鈉劉騫（ 中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部， 空間電子信息技術(shù)研究院）

相控陣天線與固定多波束天線在通信衛(wèi)星系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

任軍強(qiáng)1鄒恒光1周鈉1劉騫2（1 中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，2 空間電子信息技術(shù)研究院）

Application of Phased Array Antenna and Fixed Multibeam Antenna in Communications Satellite Systems

在通信衛(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，面對(duì)大范圍覆蓋、高增益需求，主要有相控陣天線和固定多波束天線兩種方案可供選擇。相控陣天線可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的高增益跳變覆蓋，性能相對(duì)靈活，但技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度較大；固定多波束天線可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的高增益常態(tài)覆蓋，技術(shù)實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，但性能不夠靈活。如何選擇和使用這兩種天線，更好地滿足用戶的需求，是通信衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)中面臨的一個(gè)非常重要的問題。

1 相控陣天線的在軌應(yīng)用情況及特點(diǎn)

相控陣天線是在陣列天線的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種天線體制和技術(shù)，它以一些離散的天線單元在空間以某種形式排列成一定的形狀，每個(gè)天線單元的幅度和相位激勵(lì)能獨(dú)立控制，以使其能在空間形成一定形狀的波束。波束空間指向可以通過調(diào)整每個(gè)天線單元激勵(lì)信號(hào)的相位來控制，掃描過程不需要機(jī)械移動(dòng)，整個(gè)天線口徑始終保持固定，同時(shí)波束又能隨意地掃描，因此相控陣天線具有無慣性掃描的特點(diǎn)。近年來，相控陣天線被越來越多地應(yīng)用到航天領(lǐng)域，主要是用以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)探測(cè)、成像、衛(wèi)星通信和測(cè)距等。

相控陣天線原理框圖

相控陣天線在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

國(guó)外相控陣天線的在軌應(yīng)用情況

國(guó)外的星載相控陣天線主要工作在X、Ka、極高頻（EHF）頻段。

（1）日本“超高速互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星”

日本2008年2月發(fā)射的“超高速互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星”（WINDS）上裝載了Ka頻段有源相控陣天線，天線收發(fā)分開，收發(fā)波束均為2個(gè)，收發(fā)陣元數(shù)均為128個(gè)。衛(wèi)星上的相控陣天線實(shí)現(xiàn)了對(duì)亞太地區(qū)的廣域高增益靈活跳變覆蓋，可在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)波束電動(dòng)掃描，支持時(shí)分多址（TDMA）通信方式。

日本“超高速互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星”上的Ka頻段有源相控陣天線工作原理

日本“超高速互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星”相控陣天線性能指標(biāo)

（2）美國(guó)“先進(jìn)極高頻”衛(wèi)星

美國(guó)2 0 1 0年8月發(fā)射的“先進(jìn)極高頻”（AEHF）衛(wèi)星上裝載了Ka/EHF頻段相控陣天線，采用分布式饋電有源相控陣天線方案，收發(fā)分開，Ka頻段（20GHz）發(fā)射、EHF頻段（44GHz）接收。發(fā)射相控陣天線2副，每副的271個(gè)單元形成2個(gè)波束；接收相控陣天線1副，每副的271個(gè)單元形成4個(gè)波束。相控陣天線系統(tǒng)采用諾格公司研制的“波束形成網(wǎng)絡(luò)”（BFN），可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星天線在軌自適應(yīng)調(diào)零，不需要地面站的控制和干涉。相控陣天線波束寬度為1°，EIRP值為50dBW（波束中心）。接收陣與發(fā)射陣總功耗為800W，接收陣與發(fā)射陣總質(zhì)量為140kg。

美國(guó)“先進(jìn)極高頻”衛(wèi)星上的Ka/EHF頻段相控陣天線

美國(guó)“先進(jìn)極高頻”衛(wèi)星相控陣天線性能指標(biāo)

“先進(jìn)極高頻”衛(wèi)星的相控陣天線可直接接收來自地面終端的信號(hào)，通過電動(dòng)掃描方式來改變射頻波束的指向，因而能很便捷地使用戶之間的波束瞬間跳變，實(shí)現(xiàn)波束指向的靈活跳變。

（3）美國(guó)“寬帶全球衛(wèi)星通信”衛(wèi)星

美國(guó)2007年10月發(fā)射的“寬帶全球衛(wèi)星通信”（WGS）衛(wèi)星上裝載了X頻段相控陣天線，收發(fā)分開，發(fā)射陣312個(gè)單元形成8個(gè)波束，接收陣168個(gè)單元形成8個(gè)波束。

美國(guó)“寬帶全球衛(wèi)星通信”衛(wèi)星上的X頻段相控陣天線

美國(guó)“寬帶全球衛(wèi)星通信”衛(wèi)星相控陣天線主要參數(shù)

“寬帶全球衛(wèi)星通信”衛(wèi)星上的X頻段相控陣天線是多波束有源陣列天線，具有在軌波束形狀調(diào)整與操作能力，可形成任意形狀和大小的獨(dú)立波束，并以最小2.2°的點(diǎn)波束對(duì)全球進(jìn)行覆蓋，主要實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的離散、孤立地區(qū)的跳變覆蓋。

（4）美國(guó)太空之路－3衛(wèi)星

美國(guó)2 0 0 7年8月發(fā)射的太空之路－3（Spaceway－3）衛(wèi)星上裝載了Ka頻段相控陣天線，為單一發(fā)射相控陣天線，其接收天線為112個(gè)波束的雙偏置卡塞格倫反射面天線。Ka頻段單一發(fā)射相控陣天線采用1500個(gè)單元形成24個(gè)波束（在784波位上跳變）。

美國(guó)太空之路-3衛(wèi)星發(fā)射相控陣天線性能

美國(guó)太空之路－3衛(wèi)星上的Ka頻段相控陣天線

太空之路－3衛(wèi)星通過下行相控陣發(fā)射天線，根據(jù)用戶的需求動(dòng)態(tài)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)波束，提供用戶實(shí)際需要的衛(wèi)星容量及帶寬，同時(shí)根據(jù)用戶需求可對(duì)某個(gè)地區(qū)進(jìn)行增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量、覆蓋的靈活動(dòng)態(tài)管理。

相控陣天線的特點(diǎn)

相控陣天線一般具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）波束快捷掃描，無需機(jī)構(gòu)，采用時(shí)分復(fù)用原理可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)跟蹤指向或通信。

2）可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制多個(gè)波束，每個(gè)波束實(shí)現(xiàn)不同的功能，滿足未來軍事通信的需求。

3）抗干擾能力強(qiáng)，可精密控制天線輻射方向圖，可以實(shí)現(xiàn)低副瓣、自適應(yīng)調(diào)零等功能，抑制各種干擾。

4）具有空間功率合成能力，相控陣天線每個(gè)輻射單元對(duì)應(yīng)1個(gè)功放，多個(gè)輻射單元功放在空間合成的總功率比單個(gè)發(fā)射機(jī)的功率大得多，可以實(shí)現(xiàn)更高的EIRP值。

5）可靠性高，相控陣天線的陣列單元數(shù)眾多，并聯(lián)使用，即使有少量組件失效，仍能正常工作。

相控陣天線的主要優(yōu)勢(shì)是波束指向捷變，有多個(gè)波束獨(dú)立控制能力，易于采用空間抗干擾技術(shù)，主要用于大范圍、孤立分散、快速移動(dòng)目標(biāo)的通信。

當(dāng)然，相控陣天線也有缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：

美國(guó)太空之路－3衛(wèi)星上的發(fā)射相控陣天線波束覆蓋圖

1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴。微波組件如發(fā)射/接收（T/R）組件、移相器、微波網(wǎng)絡(luò)數(shù)量眾多。

2）功耗和熱耗較大。相控陣天線由于天線中射頻通道數(shù)量較多，衛(wèi)星應(yīng)用不同于地面系統(tǒng)應(yīng)用，需要衛(wèi)星提供較大的質(zhì)量及功率資源。

3）天線包含硬件和軟件設(shè)計(jì)，技術(shù)難度高。模擬波束形成硬件復(fù)雜，數(shù)字陣波束形成軟件復(fù)雜，宇航級(jí)器件獲得困難。

4）對(duì)星地體制影響較大。相控陣跳波束時(shí)通信短暫中斷，地面體制需要相互適應(yīng)。

泰國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議星”的天線配置示意

2 固定多波束天線的在軌應(yīng)用情況及特點(diǎn)

固定多波束天線是能夠同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)點(diǎn)波束，連續(xù)覆蓋地面上所關(guān)心的某一區(qū)域的一種天線。固定多波束天線在航天上的應(yīng)用越來越多，1副固定多波束天線可在一定區(qū)域內(nèi)連續(xù)覆蓋，大的區(qū)域可用多副固定多波束天線覆蓋；波束覆蓋區(qū)略有交疊，頻率可以多次復(fù)用。

國(guó)外固定多波束天線的在軌應(yīng)用情況

國(guó)外星載固定多波束天線一般工作在Ku和Ka頻段。

（1）“互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議星”多波束天線

泰國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議星”（iPSTAR）在Ku頻段設(shè)計(jì)了84個(gè)Ku點(diǎn)波束和3個(gè)賦型波束，在Ka頻段設(shè)計(jì)了18個(gè)關(guān)口站波束。其天線配置主要載荷有：①安裝于東板和西板的3副Ku頻段多波束天線；②安裝于西板的1副Ka頻段多波束天線，生成指向關(guān)口站的18個(gè)點(diǎn)波束；③安裝于對(duì)地板的3副Ku頻段賦形波束天線。

“互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議星”通過固定多波束天線，實(shí)現(xiàn)較大區(qū)域內(nèi)的多個(gè)波束較窄、能力集中的點(diǎn)波束連續(xù)覆蓋，借助頻率復(fù)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)傳輸效率的提高，大大提高了系統(tǒng)的通信容量。

（2）阿爾卡特空間公司的多波束天線

歐洲阿爾卡特空間公司（Alcatel Space）研制了一種用于接收的多波束天線系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作于Ka頻段（上行28.35～30GHz）。整個(gè)天線系統(tǒng)采用2副陣饋單偏置反射面天線，每副反射器口徑為1.2m，焦距為1m。該天線采用2副接收多波束天線系統(tǒng)共形成50個(gè)固定波束覆蓋歐洲和非洲，其中1副天線由171個(gè)輻射單元產(chǎn)生34個(gè)固定波束來覆蓋北半球，1副天線由96個(gè)輻射單元產(chǎn)生16個(gè)固定波束來覆蓋南半球，波束寬度為1.15°。

阿爾卡特空間公司通過2副接收多波束天線實(shí)現(xiàn)了南北半球的廣域范圍內(nèi)多個(gè)高增益點(diǎn)波束連續(xù)覆蓋，提高了系統(tǒng)的通信性能。

泰國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議星”Ku頻段多波束天線（NE天線）性能

固定多波束天線的特點(diǎn)

固定多波束天線一般具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）在較大的區(qū)域內(nèi)用多個(gè)點(diǎn)波束進(jìn)行覆蓋，每個(gè)點(diǎn)波束的增益較高；

Ka頻段接收多波束天線系統(tǒng)在“空間客車”（Spacebus）平臺(tái)上收攏和展開示意

2）多個(gè)點(diǎn)波束可以對(duì)所關(guān)心的區(qū)域進(jìn)行連續(xù)、無縫覆蓋；

3）多個(gè)點(diǎn)波束之間進(jìn)行物理隔離，可以多次頻率復(fù)用，提高系統(tǒng)的頻率利用率和系統(tǒng)容量；

4）固定多波束天線的增益較高，可以使地面終端小型化，降低系統(tǒng)應(yīng)用成本。

當(dāng)然，固定多波束天線也有缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：

1）不夠靈活。一旦天線設(shè)計(jì)完成，覆蓋區(qū)位置就不能發(fā)生改變；多個(gè)點(diǎn)波束不能分別單獨(dú)控制。

2）抗干擾能力較差。固定多波束天線缺少一定的抑制干擾的手段。

3 應(yīng)用模式的比較分析

從國(guó)外的應(yīng)用情況來看，相控陣天線主要滿足大范圍區(qū)域內(nèi)孤立、離散的站點(diǎn)快速跳變覆蓋保障需求，固定多波束天線主要滿足一定區(qū)域內(nèi)連續(xù)的、常態(tài)的固定覆蓋保障需求。

相控陣天線與固定多波束天線在應(yīng)用模式上通常有以下的差異：

1）采用固定多波束天線的衛(wèi)星系統(tǒng)一般都會(huì)設(shè)置有信令通道，可為覆蓋區(qū)內(nèi)的用戶終端提供24h的常態(tài)覆蓋，覆蓋區(qū)內(nèi)任何經(jīng)過鑒權(quán)認(rèn)證的用戶都能隨時(shí)接入系統(tǒng)并立即得到服務(wù)，可為同一波束下的多個(gè)用戶終端提供通信保障。當(dāng)用戶終端進(jìn)行大范圍機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，固定多波束天線的衛(wèi)星系統(tǒng)通過信令通道下的越區(qū)切換指令保證運(yùn)動(dòng)中的用戶終端獲得跨波束連續(xù)不中斷的通信保障。

Ka頻段接收多波束天線結(jié)構(gòu)示意

2）采用相控陣天線的衛(wèi)星系統(tǒng)在用戶終端處于靜止模式下或固定波位模式下時(shí)，使用模式與固定多波束天線的衛(wèi)星系統(tǒng)相同。當(dāng)用戶終端進(jìn)行大范圍機(jī)動(dòng)時(shí)，用戶終端需提前向衛(wèi)星系統(tǒng)管理部門申請(qǐng)相控陣天線某一波束的使用權(quán)。采用相控陣天線的衛(wèi)星系統(tǒng)需預(yù)先知道用戶終端的行動(dòng)路線并上傳至衛(wèi)星，才能控制相控陣天線的某一波束始終跟隨用戶終端提供通信保障，此時(shí)相控陣天線的某一個(gè)波束只服務(wù)于某一個(gè)機(jī)動(dòng)的用戶終端。

3）采用固定多波束天線的衛(wèi)星系統(tǒng)可以支持多種模式的通信體制，頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）任意一種都可以；采用相控陣天線的衛(wèi)星系統(tǒng)在跳波位的過程中通信是中斷的，相同波位重訪需要一定時(shí)間，通信體制需要建立在TDMA基礎(chǔ)之上。

4 結(jié)束語

多波束天線與相控陣天線均能滿足通信衛(wèi)星的大范圍覆蓋、高增益的應(yīng)用需求，只是相控陣天線相比固定多波束天線，技術(shù)難度較大，達(dá)到上星的技術(shù)程度所需研制周期較長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)在相控陣天線的研究上起步較晚，研制基礎(chǔ)也比較薄弱。因此，國(guó)內(nèi)目前急需在通信衛(wèi)星上采用技術(shù)相對(duì)成熟的固定多波束天線，同時(shí)加大力度積極攻關(guān)相控陣天線及其關(guān)鍵技術(shù)，在后續(xù)的通信衛(wèi)星上大量使用相控陣天線的策略，使相控陣天線技術(shù)在通信衛(wèi)星上發(fā)揮應(yīng)有的作用。

編者按：

為全面推進(jìn)國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施健康快速發(fā)展，促進(jìn)空間資源規(guī)?；I(yè)務(wù)化、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，發(fā)展改革委、財(cái)政部、國(guó)防科工局會(huì)同有關(guān)部門研究編制了《國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2015－2025年）》，現(xiàn)摘編刊載如下。