相控陣天線與固定多波束天線在通信衛星系統中的應用分析

任軍強鄒恒光周鈉劉騫（ 中國空間技術研究院通信衛星事業部， 空間電子信息技術研究院）

相控陣天線與固定多波束天線在通信衛星系統中的應用分析

任軍強1鄒恒光1周鈉1劉騫2（1 中國空間技術研究院通信衛星事業部，2 空間電子信息技術研究院）

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

在通信衛星系統的設計過程中，面對大范圍覆蓋、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。相控陣天線可以實現大范圍內的高增益跳變覆蓋，性能相對靈活，但技術實現難度較大；固定多波束天線可以實現大范圍內的高增益常態覆蓋，技術實現相對容易，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，是通信衛星總體設計中面臨的一個非常重要的問題。

1 相控陣天線的在軌應用情況及特點

相控陣天線是在陣列天線的基礎上發展起來的一種天線體制和技術，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，每個天線單元的幅度和相位激勵能獨立控制，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整每個天線單元激勵信號的相位來控制，掃描過程不需要機械移動，整個天線口徑始終保持固定，同時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。近年來，相控陣天線被越來越多地應用到航天領域，主要是用以實現雷達探測、成像、衛星通信和測距等。

相控陣天線原理框圖

相控陣天線在航天領域的應用

國外相控陣天線的在軌應用情況

國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“超高速互聯網衛星”

日本2008年2月發射的“超高速互聯網衛星”（WINDS）上裝載了Ka頻段有源相控陣天線，天線收發分開，收發波束均為2個，收發陣元數均為128個。衛星上的相控陣天線實現了對亞太地區的廣域高增益靈活跳變覆蓋，可在大范圍內實現波束電動掃描，支持時分多址（TDMA）通信方式。

日本“超高速互聯網衛星”上的Ka頻段有源相控陣天線工作原理

日本“超高速互聯網衛星”相控陣天線性能指標

（2）美國“先進極高頻”衛星

美國2 0 1 0年8月發射的“先進極高頻”（AEHF）衛星上裝載了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，收發分開，Ka頻段（20GHz）發射、EHF頻段（44GHz）接收。發射相控陣天線2副，每副的271個單元形成2個波束；接收相控陣天線1副，每副的271個單元形成4個波束。相控陣天線系統采用諾格公司研制的“波束形成網絡”（BFN），可實現衛星天線在軌自適應調零，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）。接收陣與發射陣總功耗為800W，接收陣與發射陣總質量為140kg。

美國“先進極高頻”衛星上的Ka/EHF頻段相控陣天線

美國“先進極高頻”衛星相控陣天線性能指標

“先進極高頻”衛星的相控陣天線可直接接收來自地面終端的信號，通過電動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，實現波束指向的靈活跳變。

（3）美國“寬帶全球衛星通信”衛星

美國2007年10月發射的“寬帶全球衛星通信”（WGS）衛星上裝載了X頻段相控陣天線，收發分開，發射陣312個單元形成8個波束，接收陣168個單元形成8個波束。

美國“寬帶全球衛星通信”衛星上的X頻段相控陣天線

美國“寬帶全球衛星通信”衛星相控陣天線主要參數

“寬帶全球衛星通信”衛星上的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整與操作能力，可形成任意形狀和大小的獨立波束，并以最小2.2°的點波束對全球進行覆蓋，主要實現大范圍內的離散、孤立地區的跳變覆蓋。

（4）美國太空之路－3衛星

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

美國太空之路-3衛星發射相控陣天線性能

美國太空之路－3衛星上的Ka頻段相控陣天線

太空之路－3衛星通過下行相控陣發射天線，根據用戶的需求動態產生相對應的點波束，提供用戶實際需要的衛星容量及帶寬，同時根據用戶需求可對某個地區進行增強，實現系統容量、覆蓋的靈活動態管理。

相控陣天線的特點

相控陣天線一般具有以下優點：

1）波束快捷掃描，無需機構，采用時分復用原理可以實現多目標跟蹤指向或通信。

2）可實現獨立控制多個波束，每個波束實現不同的功能，滿足未來軍事通信的需求。

3）抗干擾能力強，可精密控制天線輻射方向圖，可以實現低副瓣、自適應調零等功能，抑制各種干擾。

4）具有空間功率合成能力，相控陣天線每個輻射單元對應1個功放，多個輻射單元功放在空間合成的總功率比單個發射機的功率大得多，可以實現更高的EIRP值。

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

相控陣天線的主要優勢是波束指向捷變，有多個波束獨立控制能力，易于采用空間抗干擾技術，主要用于大范圍、孤立分散、快速移動目標的通信。

當然，相控陣天線也有缺點，主要表現在：

美國太空之路－3衛星上的發射相控陣天線波束覆蓋圖

1）結構復雜、造價昂貴。微波組件如發射/接收（T/R）組件、移相器、微波網絡數量眾多。

2）功耗和熱耗較大。相控陣天線由于天線中射頻通道數量較多，衛星應用不同于地面系統應用，需要衛星提供較大的質量及功率資源。

3）天線包含硬件和軟件設計，技術難度高。模擬波束形成硬件復雜，數字陣波束形成軟件復雜，宇航級器件獲得困難。

4）對星地體制影響較大。相控陣跳波束時通信短暫中斷，地面體制需要相互適應。

泰國“互聯網協議星”的天線配置示意

2 固定多波束天線的在軌應用情況及特點

固定多波束天線是能夠同時產生多個點波束，連續覆蓋地面上所關心的某一區域的一種天線。固定多波束天線在航天上的應用越來越多，1副固定多波束天線可在一定區域內連續覆蓋，大的區域可用多副固定多波束天線覆蓋；波束覆蓋區略有交疊，頻率可以多次復用。

國外固定多波束天線的在軌應用情況

國外星載固定多波束天線一般工作在Ku和Ka頻段。

（1）“互聯網協議星”多波束天線

泰國“互聯網協議星”（iPSTAR）在Ku頻段設計了84個Ku點波束和3個賦型波束，在Ka頻段設計了18個關口站波束。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，生成指向關口站的18個點波束；③安裝于對地板的3副Ku頻段賦形波束天線。

“互聯網協議星”通過固定多波束天線，實現較大區域內的多個波束較窄、能力集中的點波束連續覆蓋，借助頻率復用技術，實現了系統傳輸效率的提高，大大提高了系統的通信容量。

（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，該系統工作于Ka頻段（上行28.35～30GHz）。整個天線系統采用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共形成50個固定波束覆蓋歐洲和非洲，其中1副天線由171個輻射單元產生34個固定波束來覆蓋北半球，1副天線由96個輻射單元產生16個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現了南北半球的廣域范圍內多個高增益點波束連續覆蓋，提高了系統的通信性能。

泰國“互聯網協議星”Ku頻段多波束天線（NE天線）性能

固定多波束天線的特點

固定多波束天線一般具有以下優點：

1）在較大的區域內用多個點波束進行覆蓋，每個點波束的增益較高；

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

2）多個點波束可以對所關心的區域進行連續、無縫覆蓋；

3）多個點波束之間進行物理隔離，可以多次頻率復用，提高系統的頻率利用率和系統容量；

4）固定多波束天線的增益較高，可以使地面終端小型化，降低系統應用成本。

當然，固定多波束天線也有缺點，主要表現在：

1）不夠靈活。一旦天線設計完成，覆蓋區位置就不能發生改變；多個點波束不能分別單獨控制。

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 應用模式的比較分析

從國外的應用情況來看，相控陣天線主要滿足大范圍區域內孤立、離散的站點快速跳變覆蓋保障需求，固定多波束天線主要滿足一定區域內連續的、常態的固定覆蓋保障需求。

相控陣天線與固定多波束天線在應用模式上通常有以下的差異：

1）采用固定多波束天線的衛星系統一般都會設置有信令通道，可為覆蓋區內的用戶終端提供24h的常態覆蓋，覆蓋區內任何經過鑒權認證的用戶都能隨時接入系統并立即得到服務，可為同一波束下的多個用戶終端提供通信保障。當用戶終端進行大范圍機動運動時，固定多波束天線的衛星系統通過信令通道下的越區切換指令保證運動中的用戶終端獲得跨波束連續不中斷的通信保障。

Ka頻段接收多波束天線結構示意

2）采用相控陣天線的衛星系統在用戶終端處于靜止模式下或固定波位模式下時，使用模式與固定多波束天線的衛星系統相同。當用戶終端進行大范圍機動時，用戶終端需提前向衛星系統管理部門申請相控陣天線某一波束的使用權。采用相控陣天線的衛星系統需預先知道用戶終端的行動路線并上傳至衛星，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，此時相控陣天線的某一個波束只服務于某一個機動的用戶終端。

3）采用固定多波束天線的衛星系統可以支持多種模式的通信體制，頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）任意一種都可以；采用相控陣天線的衛星系統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間，通信體制需要建立在TDMA基礎之上。

4 結束語

多波束天線與相控陣天線均能滿足通信衛星的大范圍覆蓋、高增益的應用需求，只是相控陣天線相比固定多波束天線，技術難度較大，達到上星的技術程度所需研制周期較長。國內在相控陣天線的研究上起步較晚，研制基礎也比較薄弱。因此，國內目前急需在通信衛星上采用技術相對成熟的固定多波束天線，同時加大力度積極攻關相控陣天線及其關鍵技術，在后續的通信衛星上大量使用相控陣天線的策略，使相控陣天線技術在通信衛星上發揮應有的作用。

編者按：

為全面推進國家民用空間基礎設施健康快速發展，促進空間資源規模化、業務化、產業化應用，發展改革委、財政部、國防科工局會同有關部門研究編制了《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃（2015－2025年）》，現摘編刊載如下。