卫星通讯中相控阵天线的应用及展望

摘 要 

随着高通量卫星、低轨卫星星座的蓬勃发展,受益于规模经济的相控阵天线因其特有的优势,在卫星通信中得到了越来越广泛的应用。针对当前卫星通信系统对相控阵天线性能、形式的具体需求,详细介绍了国内外相控阵天线在中低轨道、同步轨道卫星以及用户终端的应用情况,结合超宽带宽角扫描、高速传输处理、软件无线电通用平台、自适应数字波束形成和低成本集成等关键技术,对卫星通信中相控阵天线的发展趋势进行了展望。

 

 

卫星通信具有覆盖范围广、传输距离远、通信容量大、传输质量好、组网灵活迅速和保密性高等众多优点,已成为当今极具竞争力的通信手段。随着高通量卫星通信的逐步应用,卫星的传输容量显著提高,单位带宽的成本大幅降低 ,给人们的生活、生产带来了极大的便利。相控阵天线是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状,控制相位可以改变天线方向图最大值的指向,已达到波束扫描的目的,也可以通过加权优化控制副瓣电平、最小值位置等参数。在卫星通信系统空间段和用户终端相控阵天线都有应用,在空间段主要是利用相控阵天线的同时多点波束、敏捷波束和空域滤波能力,在用户终端则是看中其低轮廓、灵活波束形成处理、空域自适应调零滤波以及潜在的低成本等特点。

 

相控阵天线在卫星通信中的应用主要有直接辐射相控阵(Direct Radiating Arrays,DRA)和阵列馈源反射面天线 ( Array Fed Reflectors,AFR) 2 种 形式 。DRA 收发信号直接辐射,通过射频波束形成网络(BFN)或数字波束形成满足同时多点波束、敏捷波束、波束重构和宽角扫描等需求,费用和功耗较高。AFR 采用赋形反射面天线结合相控阵馈源阵列的方式,利用偏焦馈电形成多个不同指向的波束,同时满足高增益、低功耗、低成本、多点波束和波束扫描的需求,利用馈源焦平面阵列可以改善反射面的漏射率,提高天线辐射效率 EIRP,另外阵列激励技术还可用于补偿反射面加工误差或老化造成的扭曲变形。

 

文献中描述了相控阵卫星通信天线的主要关键技术,包括宽角扫描天线技术、天线 射频集成化设计技术、高精度跟踪技术和相控阵天线的幅相校准技术。近年来,随着研究的深入,逐步突破了这些技术并取得了一定进展。但是,随着宽带卫星通信的发展,对相控阵天线提出了新要求,涉及到超宽带宽角扫描天线、高速传输处理、软件无线电通用平台、数字波束形成(DBF)和低成本集成等关键技术。本文将介绍近年来国内外在卫星通信系统的空间段和用户终端中相控阵天线的应用情况,并结合上述关键技术对相控阵天线发展趋势进行了展望。

 

1 星载相控阵天线应用

 

1.1 中低轨道卫星应用

 

对于 LEO 通信卫星,由于轨道低,星地传输距离短,自由空间损耗小,同时要求天线具备较大扫描角(通常对地覆盖角度不小于±60°),因此,该轨道上的卫星用户链路一般都采用直接辐射相控阵配置。除了宽扫描角外,该相控阵天线还具有低轮廓、低功耗、波束数量较少(通常小于 50 个波束)和重量轻等特点,其波束形成网络从早期的射频 BFN 逐步发展为数字波束形成,可实现灵活的多波束、波束调整重构,以及波束凝视、等通量覆盖。数字波束形成的挑战主要是利用高效的算法、以最小的计算资源得到所需的波束权值。目前,通常采用查表法读取预先存储的权值系数,未来可通过在轨重构技术实现权值更新或通过实时计算自适应更新权值系数。

 

中低轨道卫星的相控阵天线通信应用可以追溯到铱星和全球星系统,1987 年摩托罗拉提出和负责制造的铱星系统由 66 颗低轨卫星组成,星载主任务天线(Main Mission Antenna)采用 3 个有源相控阵板,如图 1(a)所示,以一定的角度面向地球,提供卫星到地面用户的 L 频段链路,每个有源相控阵由106 个阵元和 T/R,以及波束形成网络组成,每个 T/R 组件有一个 5 bit 移相器和一个 6 bit 衰减器,功率放大器采用 PHEMT FET,波束形成策略是基于两维交叉 Butler 矩阵和功分器形成 16 个点波束,如图 1(b)所示,整星共计 48 个点波束指向地球 。

 

1  铱星 MMA 天线及波束覆盖示意

 

全球星 1 代(GB1)则采用 91 个发射阵元(S 频段下行链路)和 61 个接收阵元(L 频段上行链路)的六边形阵列布局,采用功分器和合成器方式的射频波束成形网络来形成 16 个点波束。为提高在轨寿命(从 GB1 的 7.5 年到 2 代的 15 年)和降低费用,2010 年开始建设的全球星 2 代(GB2)发射天线采用半有源相控阵天线,即采用 2 副无源多面穹圆顶形天线(TX10,TX6)形成 16 个波束 ,并由多端口功放提供信号放大,由 TX10 喇叭实现中心的波束1,TX10 剩余的 9 个阵面形成外围的 9 个波束,TX6的 6 个阵面(每阵面 8 阵元)形成中间圆的 6 个波束,而且多端口功放可以实现波束间的功率调节。L 频段接收则继承 GB1 采用有源相控阵天线,把阵元数减少到 52,优化成本,波束赋形通过调节无源移相器和衰减器实现,如图 2 所示。


2  GB2 相控阵天线

 

国内上海微小卫星工程中心于 2009 年完成16 个发射波束的有源阵列天线原理样机研制与测试,该 S 频段有源阵列天线由 61 个天线阵元等三角形栅格排列组成 一个正六边形平面阵,如图 3(a)所示,采用数字波束形成网络形成 16“等通量”覆盖波束,如图 3(b)和图 3(c)所示,经测试中心波束峰值增益为 10.5 dB,第 2 层波束峰值增益为13 dB,第 3 层波束峰值增益达到 16.8 dB 以上,中心波束指向误差为 0.4°。其数字波束形成采用查表法节约乘法器资源,利用正六边形关于 120°的旋转对称性,根据波束空间阵列分解结果设计复用结构,以各波束为中心完成波束成形乘法运算,然后以阵元为中心进行对应的累加运算,完成波束成形操作,极大地利用各子阵间共用成形系数,节省 2/3 的硬件资源。

 

3 小卫星相控阵天线布局和波束等通量覆盖

 

1.2 同步轨道卫星应用

同步轨道卫星上的相控阵天线通信应用主要分为 2 个方面:大容量/超大容量通信卫星应用中多采用 X/Ku/Ka 频段直接辐射相控阵天线,例如 Space-way3,ViaSat,WINDS,AEHF,WGS 等卫星,需要解决宽带、高通信速率、敏捷波束调整、自适应调零抗干扰和高可靠等难点;卫星移动通信应用中多采用大型 L/S 频段阵列馈源反射面天线形成多点波束,例如 AcES,Thuraya,Inmarsat-4,ICO-GEO,Terrestar-2,Skyterra-2,天通 -1 等卫星。阵列馈源反射面天线的反射面为大型可展开伞状天线,具有重量轻、增益高、低旁瓣和费用低等特点,同时兼具相控阵灵活波束的优点,但是,星载可展开相控阵天线存在着结构位移场、电磁场及温度场之间的相互作用、相互影响,进而影响相控阵天线的电性能  ;同时,为了发挥相控阵天线灵活波束的优点,需采用 DBF 技术,受限于星上载荷紧张的处理资源,部分卫星移动通信系统采用了地基波束形成(GBBF)技术。以返向链路为例简要说明 GBBF 系统原理,如图 4 所示,用户终端返向信号经星载阵列馈源反射面天线接收后,馈源相控阵各通道载波信号经多路复用后,通过馈电链路发送到信关站解复用、数字波束形成所需的用户波束,通过增加地面复杂度从而换取了载荷的高可靠、小型化,但是,由于 GBBF 系统具有通道链路长、误差来源复杂的特点,且通道间误差随卫星运动具有时变特性,需要在通信过程中进行实时校准补偿。因此,星载阵列馈源反射面天线的难点在于:展开机构、反射面找形、在轨热分析、无源互调 、多点波束赋形、自适应调零抗干扰、可靠性分析、GBBF 星地一体校准等,以及为节约载荷资源急需开展的数字信道交换与波束形成一体化技术研究。

 

4  返向链路 GBBF 系统架构示意

 

替代 Milstar 卫星的 AEHF 星座覆盖南北纬 65°间的广大地区,用于包括核战争在内的各种规模战争中,为关键战略和战术部队提供防截获、抗干扰、高保密和高生存能力的全球卫星通信 。鉴于功率和费用方面考虑,AEHF 的可控波束同时采用万向传动天线和相控阵天线,相控阵用于跳动速率远远快于可能采用万向传动天线的移动波束。2010年 8 月发射了第一颗先进极高频卫星,如图 5 所示,卫星有 2 个发射相控阵,采用 271 个单元,单元间距2.4 波长,工作在 Ka 频段,采用跳波束相控阵天线独有的“超敏捷”服务,可以为指挥部和 160 个实时移动的孤立用户之间提供即时通信覆盖,接收相控阵一个,采用了先进的自适应抗干扰技术。

 

 

5  AEHF 卫星天线布局

 

商用高通量卫星通信方面,截至 2016 年全球约40 家卫星运营商中,已经有 26 个卫星运营商投资超过60 颗高通量卫星或部分载荷,并呈加速发展趋势。高通量卫星系统容量从第一代的 10 Gbit/s左右发展到 100 Gbit/s 左右,未来 HTS 卫星系统容量将达到 Tbit/s 量级,例如规划中的 ViaSat-3 卫星,单星达到 1 Tbit/s 的系统容量,可灵活地将容量动态分配到需要的地方,预计 2019 发射第一颗卫星。2007 年 8 月发射的 Spaceway3 采用 Ka 频段无源相控阵天线 ,可帮助进行功率和波束动态调整,阵列规模为 1 500,可生成 24 个下行波束(在784 波束位置上跳变),上行采用双偏卡塞格伦发射面,形成 112 个波束,如图 6 所示,Spaceway3 卫星具有很强的应用适应能力,针对小型终端用户进行功率和速据率优化。

 

6   Spaceway-3 卫星波束及通信架构

 

2008 年 2 月发射的日本 WINDS 卫星,星上安装了用于大容量、高速通信的 Ka 频段有源相控阵天线,如图 7 所示,实现 2 个独立可控移动点波束,每个波束可跳变 8 个区域,实现时分多址(TDMA)的通信模式。发射天线、接收天线各包含 128 个天线单元,天线的辐射单元为角锥喇叭天线形式,其排列考虑到了对地扫描的需求,确保天线波束栅瓣在地球之外,采用三角形网络,单元间距 2.7 波长。为了得到最大增益,采取等幅馈电。

 

7  Winds 星载相控阵

 

 

卫星移动通信系统可与地面移动通信系统互补,实现个人通信全球化。用户链路采用较低的UHF 频段、L 和 S 频段,具有传播损耗小、雨衰影响小、穿透和绕射能力强等特点,同时,利用阵列馈源反射面天线大反射面的窄波束和相控阵的灵活性,形成 100 ~ 500 个点波束覆盖,结合频率和极化复用,可以实现卫星移动通信系统的大容量和用户终端小型化设计。2010 年 11 月发射的 Skyterra-1 卫星,如图 8 所示。

 

8  Skyterra-1 L 频段大型可展开天线

 

采用 22 m L 频段大型可展开网状天线,配合相控阵馈源阵列以及 GBBF 技术可实现多达 500 个波束,其采用的 GBBF 技术简化星上有效载荷设计,将复杂的星上处理工作交由地面信关站处理,并能根据用户需求调整波束数量和形状,灵活分配星上容量和带宽,相比星上数字波束形成,可有效降低风险。2013 年发射的 Terrestar-2,同样采用 18 m 金属网反射面天线,配合 GBBF 技术,实现 500 个可变波束,系统能够广泛支持宽带移动接入业务。

 

另外,还有美国跟踪与数据中继卫星系列,星上采用一个 S 频段多址相控阵天线,如图 9 所示,30个螺旋阵列天线,接收时形成 20 个波束,发射时用12 阵元形成 1 个波束;美国第二代“跟踪与数据中继卫星”的 S 频段多波束相控阵天线阵元为微带贴片子阵,收发阵分开,星上模拟多波束形成,天线接收链路单元数为 32 个,波束为 6 个,使得返向数传速率提高到 3 Mbit/s,天线发射采用 15 个阵元,前向波束为 2 个,传输速率为 300 kbit/s。

 

9  跟踪与数据中继卫星

 

2 相控阵天线在卫星用户终端的应用

相控阵天线在卫星用户终端的潜在应用主要考虑移动卫星通信中的发射多波束切换管理、避免干扰其他卫星、多星信号灵活接收以及 GEO 与 LEO/MEO 系统的相互操作。对于 LEO,MEO 卫星通信,卫星在轨道上不停地快速运动,地面天线要保持跟踪天空中“飞行”的卫星,并能很快地从跟踪一颗卫星切换到另一颗,如果使用传统机械式天线,除非是双天线,否则无法在不造成通信中断的情况下连续跟踪卫星。相控阵等电扫描平板电线的应用将大大改善上述情况,由于没有机械部件,低轮廓、高可靠性,甚至一副天线可以支持多星同时工作,非常有利于 NGSO 卫星通信。但是,相控阵天线应用有一个极大的挑战,当波束指向 60°或偏离视轴更远时会发生增益下降,因此需要多副天线形成一个完整视场。

 

当前国际上几家较有名的电扫描平板天线厂家包括 Phasor 公 司、C-COM 公 司、Isotropic 公 司、SatixFy 公司、ThinKom 公司和 AvL 公司等,既有老牌的抛物面天线技术公司,也有像 Phasor,Isotropic这样新锐的天线企业。在高通量航空应用中,业界通常认为平板天线需要提供 100 Mbps 以上的数据传输能力。

 

Phasor 公司研发的低成本相控阵天线,采用具有电子波束成形功能的专用集成电路(ASIC),这些芯片与非常小的贴片天线组合成一个单元,超过500 个单元分布在经过射频优化的面板上,构成了Phasor 核心模块的基础。核心模块可以构成各种尺寸和配置,高度只有 25~50 mm 的相控阵天线,具有重量轻、面积小、精度高和扩展能力强等特点,能够以非常高的增益提供超过 100 Mbps 的宽带速度,如图 10 所示,采用共形设计,以便在更大的 180°范围内扫描,双波束技术使 LEO 和 GEO 可互操作。

 

10 Phasor 天线效果图

 

C-COM 是一家有 20 多年固定和移动 VSAT 车顶天线生成历史的公司,与滑铁卢大学合作研究适应未来应用的相控阵技术,希望将模块化有源相控阵系统推向市场。该公司天线采用先进的软件算法来控制和校准模块,并通过批量生产的方式大大降低开发成本。2016 年 5 月,C-COM 基于其专利移相器技术,成功测试了首款 4* 4 Ka 频段相控阵智能天线模块,该模块基于创新架构的低成本多层平面电路,具有灵活度高、厚度小、模块化、一致性和适应性强等特点。

Isotropic 公司专注于低成本、全电扫卫星天线,作为 SES,Inmasat,OneWeb 的合作伙伴,该公司为 OneWeb 研发的兼容终端旨在通过超前的方式为新兴市场提供超低成本的宽带,以弥合数字鸿沟,预计 Ku 频段终端低于 300 美元,Ka 频段终端低于450 美元。Isotropic 在 2018 年美国卫星大会发布的概念天线如图 11 所示。

 

11  Isotropic 天线效果图

 

 

AvL 技术公司被广泛认为是抛物面天线技术的龙头,在全球部署 25 000 多副天线系统,数百万人用它实现卫星通信。2018 年美国卫星大会上首次展出的新型 Ka 频段卫通终端 DarkWing,如图 12 所示,是与 L3 技术公司、GCS 公司联合研制的小型平板天线,可装入标准 432 mm 笔记本电脑包中。

 

12 AvL 技术公司的平板天线

 

国内方面,中国电科在展会上展出其基于民航应用的 Ka 频段宽带相控阵天线,如图 13 所示。

 

图 13 中国电科的相控阵天线

 

部分新锐毫米波公司开展多通道多功能芯片集成单片的尝试,采用硅基 CMOS 工艺和砷化镓化合物工艺,集成单片发射芯片和接收芯片,并基于该多通道多功能芯片开发出 Ka 频段相控阵天线样机,如图 14 所示的微波多层板相控阵天线。

 

14 微波多层板相控阵天线照片

 

 

3 卫星通信相控阵天线关键技术及发展趋势

 

随着高通量卫星、卫星移动通信和低轨卫星星座的蓬勃发展,个人对流量的巨大需求,推动着相控阵天线向高频段、宽频带、多功能化和低成本等方向发展。下面讨论的几项相控阵先进技术代表卫星通信相控阵天线未来的发展趋势,能否解决相应的超宽带宽角扫描、高速传输处理、软件无线电通用平台、数字波束形成和低成本集成等关键技术,决定着相控阵天线能否在卫星通信系统中广泛应用。

 

微波光子传输。随着卫星通信 Q/V 频段的应用,传输处理的带宽达到 5 GHz,对传统微波技术处理提出了新挑战,采用光子技术解决微波问题,在大带宽、低损耗、无串扰和高抗电磁干扰等方面具有突出优势,光学真延时能有效提高相控阵天线系统的瞬时带宽,完成高速数据传输。目前,微波光子集成基本是分立元件,只是在实验室得到验证,体积功耗大,难以实现工程化。因此,突破高集成、大带宽的微波光子芯片,实现微波光子滤波、变频、交换处理,以及基于光学真延时的波束形成网络等功能,研究真延时的微波光子传输并应用于宽带相控阵天线系统,对相控阵天线在雷达/通信领域的发展和升级具有重要意义。美国 2015 年 7 月成立集成光子研究所,旨在开发新型快速的光子集成制造技术和工艺方法,促进光子集成电路的设计、封装、测试与互联,构建从基础研究到产品制造的全产业链集成光子平台,从而解决高动态范围、超低损耗、宽带光子集成芯片大规模制造难题。国内电子科技大学和清华大学较早开展相关研究,在光真时延、光波束形成网络取得实质性进展;中国科学院半导体研究所在光波导技术方面开展研究,取得系列研究成果;中国电科 14 所与南京航空航天大学 2017 年研制出 K 波段(18~27 GHz)的微波光子雷达实时成像验证系统 。

 

集成桅杆 。雷达、通信、对抗、测控一体化系统的研究目标是:瞄准“侦查、干扰、探测、通信、攻击、测控”一体化需求,实现雷达、通信和测控的硬件、软件和波形的一体化,使雷达在探测的同时能够进行通信,利用相控阵雷达天线阵面大尺寸高增益天线单元,产生通信波束,实现远距离多用户的接入和宽带数据传输。需要研究解决超宽带射频前端及天馈阵列系统技术、一体化基带处理架构技术、微波光子传输变频技术、精确光真时延、光波束形成网络和电磁 兼 容 等 基 础 问 题。2016 年 5 月 意 大 利PHODIR 项目组搭建了一个雷达/通信双用途原型机,该原型机基于同一个天线和光子收发机完成雷达与通信信号的接收与检测,可同时执行监视与通信任务,且 2 个分系统之间不会互生干扰。

 

数字相控阵技术。为提高星座卫星通信系统的单星覆盖范围,要求大范围波束覆盖(±60°左右);为满足用户随时随地使用需求,要求卫星可调整波束的大小、指向、功率以及波束间带宽等,从而灵活地实现动态分配卫星容量;面对日益拥挤的卫星星座和频率使用环境,要求卫星通信系统具备保护战术波形能力;为满足灵活终端应用,要求任意极化方式、通信波形可配置、波束灵活调整和快速跟踪;以及面对 GEO 与 LEO/MEO 星座的相互操作需求,需要用户终端在调控发射波束管理、卫星切换时避免干扰其他卫星等。因此,未来相控阵天线将会越来越多地采用数字相控阵技术,实现卫星功率动态分配、波束动态重构、敏捷调整,具备自适应抗干扰能力,同时避免干扰其他卫星。

 

新材料新工艺实现低成本。由于相控阵天线的成本、功耗和复杂度问题,部分天线厂家开始另辟蹊径,不用昂贵的耗电的部件,寻求利用新材料来制作平板天线,利用液晶生产线来大规模生产以降低成本。2012 年成立的 Kymeta 公司,开发由在全息面板上完全不同材料构成的平板天线 mTenna,能产生全息波束,通过电控天线内部不同单元的工作状态,可控制天线波束方向,寻星、锁定卫星的时间达到 μs 量级。德国 Alcan Systems 公司基于 Darmstadt技术大学的 RolfJakoby 教授的研究成果,采用液晶代替传统半导体制作液晶移相器,公司计划 2019 年推出基于液晶材料制作的平板天线,可用于高中低轨卫星通信。进入 21 世纪,我国多所高校和科研机构相继开展液晶相控阵热点技术研究 ,多集中在光学相控阵应用方面。

 

4 结束语

 

蓬勃发展的 GEO 高通量卫星和正在来临的鸿雁、LEOSat、OneWeb  和 SpaceX 之类 LEO 卫星星座,正推动着一波卫星通信浪潮。美国航天咨询公司北方天空研究所(NSR) 高级分析师 Brad Grady说,公司预测 2017 到 2027 年,电扫平板天线设备累计销售量将达到 180 万块。在这即将到来的浪潮中,国内从业者应当加紧超宽带宽角扫描天线、高速传输处理、软件无线电通用平台、自适应数字波束形成(包含调零波束、多波束和高精度测向测角等)和低成本集成等关键技术研发,解决相控阵天线成本和性能 2 个主要痛点,制造出真正小型的相控阵天线和终端设备,满足企业级和消费级的高数据率增长、随时随地宽带接入需求,推动相控阵天线在GEO/NGSO 高通量卫星、卫星移动通信等卫星通信应用中大展身手。(参考文献略)

 

作者:李 ,王金海 ,刘彦刚,张中海  ,侯 睿 

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