通信衛星多波束天線的發展現狀及建議(節選)

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多波束天線是應近代衛星通信容量的快速增長及多目標區域通信的發展需求而出現的，它向空間輻射的電磁波由多個點波束組成，並且每一個波束都有一個對應的輸入(輸出) 通道。通信衛星上採用多點波束天線技術可以通過空間隔離來實現多次頻率復用和極化復用，從而成倍地提高通信衛星容量，成為今後星載天線領域研究的重點方向。

1 通信衛星多波束天線的應用狀況

    隨著通信業務需求的迅猛增長，地球同步軌道( GEO) 上的高通量衛星系統已成為當今空間通信技術領域的一大研究熱點，星載天線作為該系統的關鍵組成部分，採用多波束方案是應對這一挑戰的有力措施 此外，由於多波束天線( MBA) 在波束形成波束重構和波束掃描方面具有相當的靈活性，以及抗幹擾能力等突出特點，使得這類天線在中/低軌道( MEO/LEO) 通信衛星領域也得到了較為廣泛的應用。

1.1 星載反射面多波束天線

    反射面天線與相控陣天線透鏡天線相比，具有重量輕結構簡單設計技術成熟性能優良等優點。為了在星上產生更多高增益低副瓣的點波束，通常需要電大口徑的星載天線，而反射面則是目前實現多波束這一性能的最佳方案。

    反射面多波束天線的饋源通常由多個喇叭單元組成，其波束的形成方式可分為基本型成束法和增強型成束法兩類，但近些年來國際上更傾向於稱之為每束單饋源( SingleFeedper Beam，SFB) 和每束多饋源( MultipleFeedper Beam，MFB)。

上述兩種方法有各自的優缺點：SFB相對簡單高效，反射面數量較多費用大；MFB對波束數目和形狀進行靈活控制，對於不規則區域的覆蓋具有明顯優勢，只要兩個反射面就能分別實現對數據的收發，節約衛星表面空間，安裝相對方便，且各波束的指向誤差相對較小 。

    處於GEO上的移動通信衛星通常採用的是L/S頻段的反射面多波束天線 由於這兩個頻段處於微波低頻端，波長相對較長，GEO衛星通常採用螺旋天線做饋源的陣元，但饋源陣的體積依然較大，如Alphasat-I-XL衛星的L頻段饋源陣尺寸就超過2m。

    在Ku/Ka頻段，因為波長比較短，饋源便於小型化設計，所以SFB和MFB成束方式均適合於這兩個頻段。

1.2 星載相控陣多波束天線

    相控陣天線可以通過對相位和幅度的調整來實現對波束形狀的改變，波束掃描，以及波束間功率的分配，通過使用自適應調零的抗幹擾技術，可以大大
提高通信衛星的空間生存能力 此外，相控陣天線相對於反射面天線來說，具有低輪廓的特性，便於衛星的發射相控陣天線可以分為無源相控陣和有源相控陣。

    無源相控陣天線僅有一個中央發射機和一個接收機，發射機產生的高頻能量由計算機自動分配給天線的各個輻射單元，目標反射信號經接收機統一放大，如圖4所示。

    有源相控陣天線的每個輻射單元都單獨配備有一個T/Ｒ模塊，如圖5所示 。每個單元都能獨自產生和接收電磁波，當少量T/Ｒ模塊失效時，並不會對相控陣天線的性能產生太大影響，而且有源陣天線在帶寬信號處理和冗餘度設計上都比無源相控陣有明顯的優勢，因此，在L/S/X頻段的星載相控陣多波束天線基本都採用有源陣方式，如表2所示。

2.3 星載透鏡式多波束天線

    透鏡天線是幾何光學原理在無線電頻率範圍的一種應用 與反射面天線相比，多波束透鏡天線的優點在於有更大的設計自由度，具有很好的旋轉對稱性，保留了良好的光學特性，無口徑遮擋，但這類天線在低頻段也具有重量大，損耗大等致命缺點，導致其在星上應用嚴重受限。而隨著研究頻段向毫米波和亞毫米波的推進，波長的縮短為小型化透鏡天線的發展帶來了希望，歐洲國家也將更多的目光投向該領域。

2.4 不同軌道通信衛星多波束天線配置的選擇

    對於GEO通信衛星，由於所處軌道高，傳輸路徑長，路徑損耗大，要求用更窄波束來提高星載天線增益，所以一般採用反射面方案，但也有少數軍用通信衛星開始採用相控陣天線配置，見表3：

    對於採用MFB成束方式的GEO衛星多波束天線來說，通常採用單塊大口徑反射面天線，口徑一般超過10m，第四代通信衛星口徑則更大 如美國蘿拉公司研製的TeereStar-1，作為世界上首顆可以與地面手持終端直接通信的衛星，星上採用的是直徑達18m的超大型S頻段金屬網反射面天線，而美國SkyTerra-/-2的天線口徑更是達到了22m。

    對於LEO通信衛星，由於軌道低，星上的用戶端天線傳輸距離短，具有比GEO衛星更小的自由空間損耗，因此，從增益上來講，反射面和相控陣配置都適合該軌道衛星 但由於衛星軌道太低，視角寬，要求天線具備較大掃描角，而反射面天線在這方面難以勝任，因此，到目前為止，該軌道上的衛星一般都採用相控陣配置，如處於LEO上的美國Iridium/-NEXT星座，其每顆衛星上都安裝有三塊工作於L頻段的有源相控陣天線，每塊相控陣均能產生16個波束 。
    如處於MEO上的歐洲O3b星座，每顆衛星則是採用12副Ka頻段可控反射面
天線，可以形成12個點波束。此外，處於MEO軌道的ICO星座，其衛星上採用兩副反射面天線，可形成163個點波束。

2.5 多波束天線的波束形成技術

    波束形成技術主要用於賦形波束和多波束天線，在波束形成網絡( BFN) 的基礎上來實現所需要的波束，該技術按照其實現的方式不同可分為模擬波束形成和數字波束形成。
    模擬波束形成技術是通過功率分配器和移相器分別來調整各個輸出埠的振幅和相位，在單口徑天線中採用模擬波束形成技術可以獲得較好的增益和旁瓣性能。數字波束形成技術主要是完成信號採樣信道化正交化波束形成處理幅相一致性調整和數模轉換等功能 該技術相對於模擬波束形成技術來說，最大的優點在於，其功耗和重量取決於總處理的帶寬和輻射部件的數目，與波束的數目無關。此外，該技術便於實現對由於網絡器件引起的相位誤差和幅度誤差進行校正和補償，在波束形成上也更具靈活性，這在很大程度上能夠適應下一代高通量通信衛星多波束天線的發展要求 。

3 通信衛星多波束天線的發展趨勢

    近十年來，國際上對Ka頻段高通量衛星的需求非常迫切就目前看來，Ku頻段下的技術已經非常成熟，Ka頻段正在成為國內外研究的熱點，而亞毫米波頻段則是星載多波束天線進一步研究的方向。隨著研究頻段的進一步提高，對透鏡波導陣列及準光學波束形成網絡的研究越來越受到關注。

    在反射面天線方面，對於Ka頻段的通信衛星，其反射面將從當前的單一固面結構形式向可展開式網狀反射面形式拓展，甚至在AＲTES5項目框架內還考慮將固面與網狀相結合構造大型Ka反射面。而在L/S頻段，為了滿足GEO移動通信衛星天線增益的要求，星上通常採用超過10米的大型可展開式反射面天線，而在第四代及後續同類衛星上天線的口徑將會更大。中國空間技術研究院西安分院作為國內最具實力的星載天線研製單位，幾年前也專門成立了相關課題組來對大型可展開式天線開展技術攻關性研究，並已開始陸續在最新的移動通信衛星上開展應用。

    在相控陣多波束天線方面，隨著單片式微波集成電路(MMIC)技術的發展，固態功率放大器低噪聲功率放大器等微波有源器件都將有望逐步做到輻射元的水平，這將推動Ka頻段的相控陣天線逐步從無源走向有源 而隨著有源器件小型化，功耗控制及熱控技術的進步，相控陣的功率也將越來越大，千瓦級高功率的相控陣有望在後續的通信衛星上獲得現實的應用 此外，將微波集成技術與光控技術的有機結合，採用掃描平面反射陣技術對於未來通信衛星相控陣天線的發展來說都是非常具有吸引力的 至於國內的星載相控陣天線，最早是在"神舟"飛船上對搭載的L頻段螺旋陣元相控陣天線技術成功進行過驗證，近年來又在著手對星載Ka頻段有源相控陣天線的子陣開展研究2014年，隨著這顆由清華大學聯合信威集團（這也是一個有故事的公司，尤其是在股票市場）研製的"靈巧"通信試驗衛星升空，標誌著我國正式開始在低軌道上對通信衛星相控陣開展技術驗證，可見相控陣技術在國內衛星通信技術領域同樣備受關注。

4 對我國通信衛星多波束天線的發展建議

    國外對星載多波束天線的研究起步早，投入力量大，科研成果豐碩，並在通信衛星的應用領域獲得了優異的表現。近年來，我國在這方面也開展了較多的研究工作，但總體來說，星載多波束天線的技術水平與歐美國家依然存在較大差距 為此，在這對我國未來通信衛星多波束天線的發展提出以下建議:
    (1)在L/S頻段反射面方面，為了進一步提高波束復用率和C/I值，增大衛星的通信容量，應該加大對饋源雙圓極化的研究力度 同時，提高星上的數字波束形成技術水平，與矩陣功率放大(MPA)技術相結合，提高功率分配的靈活性。採用地基波束形成技術，減輕空間環境對衛星的影響研製更大口徑的反射面，為發展我國甚小口徑終端( VSAT)創造條件
    (2)在L/S頻段相控陣方面，為建設我國未來的低軌道移動通信衛星星座，應該著力開發有源相控陣技術，並引入數字波束形成技術，以滿足低軌衛星的寬角度掃描及抗幹擾的要求
    (3)在當前大力開發的Ka頻段，鑑於國內外在有源器件方面研發進度相對滯後，且有源陣的幅相一致性校準難度大，建議先將對多波束天線的研究重點放在無源方面 而隨著我國電推進技術逐步在通信衛星平臺的應用，通信衛星正在經歷瘦身，由於採用全電推進技術的衛星整星重量一般不超過3噸，未來有望出現更多中型通信衛星，此外，市場的需求也將催生更多混合頻段多功能的大型通信衛星，而這兩類衛星的發展對天線載荷的體積和數量提出了限制 因此，建議我國在注重對多饋源多口徑天線研發的同時，加大對多饋源單口徑多波束天線的研發力度。

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