衛(wèi)星通信移動(dòng)互聯(lián)天線(xiàn)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

+ 王海龍 趙陽(yáng) 樊星（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所）

由于傳統(tǒng)通信頻段衛(wèi)星帶寬資源的日益飽和，通信成本高，衛(wèi)星通信呈現(xiàn)從傳統(tǒng)的C、Ku頻段同步軌道通信逐步向著具有更大容量、成本更低的高通量衛(wèi)星（HTS）系統(tǒng)、低軌（LEO）衛(wèi)星星座系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。隨著衛(wèi)星移動(dòng)通信的發(fā)展，衛(wèi)星移動(dòng)互聯(lián)天線(xiàn)也隨之更新?lián)Q代，朝著低剖面、高容量、低成本的趨勢(shì)發(fā)展。

1.衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，隨著信息化建設(shè)及天地一體化網(wǎng)絡(luò)工程的推進(jìn)，衛(wèi)星通信迎來(lái)了新一輪的蓬勃發(fā)展時(shí)期。衛(wèi)星通信的應(yīng)用范圍更加廣闊、諸如民航飛機(jī)、高鐵、汽車(chē)及輪船等移動(dòng)載體都可以通過(guò)加裝衛(wèi)星互聯(lián)天線(xiàn)終端進(jìn)行衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入，以滿(mǎn)足用戶(hù)通信及多媒體娛樂(lè)需求。隨著信息化時(shí)代的發(fā)展及衛(wèi)星寬帶業(yè)務(wù)的迅速擴(kuò)張，用戶(hù)對(duì)移動(dòng)通信傳輸速率的需求也越來(lái)越高，這就要求衛(wèi)星擁有更大的傳輸帶寬及更強(qiáng)的覆蓋能力。傳統(tǒng)頻段的衛(wèi)星帶寬資源日益擁擠飽和，且使用資費(fèi)相比于地面網(wǎng)絡(luò)而言過(guò)于昂貴，無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的連接需求。因此，衛(wèi)星通信向著容量更大、成本更低的高通量衛(wèi)星（HTS）、低軌（LEO）衛(wèi)星發(fā)展。高通量衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢(shì)。

1.1 高通量衛(wèi)星

在國(guó)外，高通量衛(wèi)星已進(jìn)入較為成熟的商用階段。高通量衛(wèi)星在全球發(fā)射的地球同步軌道通信衛(wèi)星中占比持續(xù)增大，在提升性能的同時(shí)，也將行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)推向新高點(diǎn)。新興應(yīng)用領(lǐng)域諸如航空、高鐵成為高通量衛(wèi)星的重要關(guān)注點(diǎn)，引領(lǐng)運(yùn)營(yíng)商對(duì)該領(lǐng)域的深度布局。

在國(guó)內(nèi)，高通量衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)剛剛起步。2017年發(fā)射的我國(guó)首顆高通量衛(wèi)星中星16號(hào)，下行和上行速率最高可達(dá)150Mbps和12Mbps，通信總?cè)萘窟_(dá)20Gbps，超過(guò)我國(guó)已研制發(fā)射的通信衛(wèi)星容量總和。中星16號(hào)衛(wèi)星的成功發(fā)射，標(biāo)志著我國(guó)進(jìn)入Ka頻段高通量衛(wèi)星通信新時(shí)代，它將與即將發(fā)射的中星18號(hào)高通量衛(wèi)星一起為中國(guó)疆域提供大容量寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。

高通量衛(wèi)星通信及其應(yīng)用成為未來(lái)衛(wèi)星通信發(fā)展的必然趨勢(shì)之一，市場(chǎng)需求迫在眉睫。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年內(nèi)，中國(guó)將迎來(lái)高通量衛(wèi)星應(yīng)用發(fā)展的最佳機(jī)遇期，我國(guó)將繼續(xù)推進(jìn)高通量衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，部署更多高通量衛(wèi)星，形成覆蓋中國(guó)全疆域及亞太地區(qū)的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，滿(mǎn)足“一帶一路”國(guó)家戰(zhàn)略及“寬帶中國(guó)”的通信需求。

1.2 低軌衛(wèi)星

在國(guó)外，截止到目前為止，共有軌道通信（Orbcomm）、銥星（Iridium）及全球星（Globalstar）三大LEO星座系統(tǒng)成功進(jìn)行組網(wǎng)。除此三大LEO星座運(yùn)營(yíng)商外，一網(wǎng)公司（OneWeb）及太空探索技術(shù)公司（SpaceX）也發(fā)布了宏大的低軌星座計(jì)劃，作為新一代LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的代表，近兩年來(lái)引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。

國(guó)內(nèi)低軌星座的發(fā)展處于起步階段，中國(guó)航天科技集團(tuán)公司計(jì)劃于2020年建成覆蓋全球的“鴻雁”星座，該星座由300顆低軌小衛(wèi)星組成，能夠完成全球業(yè)務(wù)處理及雙向?qū)崟r(shí)通信。中國(guó)航天科工集團(tuán)公司提出的虹云工程，已經(jīng)完成了首顆試驗(yàn)衛(wèi)星的發(fā)射，預(yù)計(jì)總共將發(fā)射156顆衛(wèi)星組網(wǎng)，單星座吞吐量達(dá)到4Gbps，網(wǎng)絡(luò)峰值速率達(dá)到40Mbps，實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，滿(mǎn)足中國(guó)及國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)欠發(fā)達(dá)地區(qū)用戶(hù)的寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入需求。

綜上所述由于地球同步軌道資源的日益枯竭，且衛(wèi)星發(fā)射成本高，越來(lái)越多的運(yùn)營(yíng)商把目光投向低軌星座。低軌星座通過(guò)使用小型化部件，輕量化技術(shù)，有低成本、易發(fā)射、周期短等優(yōu)點(diǎn)。成為當(dāng)今衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢(shì)之一。

2.衛(wèi)星移動(dòng)互聯(lián)天線(xiàn)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 平板陣列天線(xiàn)

平板陣列天線(xiàn)由于其剖面相對(duì)較低、技術(shù)原理相對(duì)簡(jiǎn)單、成熟度高、成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)互聯(lián)天線(xiàn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。以下介紹三種有代表性的該類(lèi)型天線(xiàn)。

由中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所推出的車(chē)載式Ku頻段衛(wèi)星移動(dòng)互聯(lián)天線(xiàn)（圖1）是其獨(dú)立研制的移動(dòng)互聯(lián)天線(xiàn)系列產(chǎn)品之一。該天線(xiàn)的系統(tǒng)部件與元器件選型具有嚴(yán)格的質(zhì)量保證，動(dòng)態(tài)工作能力可靠性高，滿(mǎn)足惡劣工作環(huán)境的車(chē)載平臺(tái)使用要求。天線(xiàn)系統(tǒng)可在車(chē)輛處于快速移動(dòng)過(guò)程中，始終保持與通信衛(wèi)星之間建立通信鏈路，保證高速率信息不間斷地傳輸，充分滿(mǎn)足軍用應(yīng)急通信高標(biāo)準(zhǔn)、高可靠性要求，廣泛用于軍事通信諸多領(lǐng)域。其主要技術(shù)特點(diǎn)有：

1) 高效率平板陣列天線(xiàn)設(shè)計(jì)技術(shù)，有效提高天線(xiàn)效率，降低天線(xiàn)的剖面高度。

2) 慣導(dǎo)、GPS/BD、信標(biāo)極值跟蹤及陀螺穩(wěn)定方案，綜合不同技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)系統(tǒng)高可靠性的自動(dòng)跟蹤。

3) 系統(tǒng)部件模塊化、集成化、一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊、易安裝、易維修

Skytech公司的Ku/Ka低剖面雙頻段衛(wèi)星“動(dòng)中通”平板天線(xiàn)采用單元組陣形式，使用兩幅天線(xiàn)分別工作在Ka及Ku兩個(gè)頻段，兩幅天線(xiàn)呈“屋頂狀”分布。

圖1 中國(guó)電科二十九所Ku頻段衛(wèi)通天線(xiàn)

圖2 Gilat公司ER-6000A

針對(duì)高通量衛(wèi)星系統(tǒng)的快速發(fā)展，Gilat公司推出了ER-6000A平板天線(xiàn)（圖2），主要針對(duì)機(jī)載寬帶衛(wèi)星接入這一新興業(yè)務(wù)領(lǐng)域。根據(jù)歐洲咨詢(xún)公司的預(yù)測(cè)，機(jī)載市場(chǎng)到2025年，寬帶互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接入總需求量將超過(guò)330Gbit/s。該天線(xiàn)為喇叭陣列天線(xiàn)，每個(gè)天線(xiàn)單元為相同的寬頻帶喇叭口，通過(guò)低損耗饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組合，可工作在Ku/Ka頻段，每個(gè)頻段內(nèi)采用收發(fā)共面設(shè)計(jì)，減小天線(xiàn)外形輪廓，主要指標(biāo)如表1所示。

表1 ER-6000A平板天線(xiàn)主要指標(biāo)

2.2 VICTS、VIPA天線(xiàn)

VICTS、VIPA天線(xiàn)相比于平板陣列天線(xiàn)剖面更低，更加適合在對(duì)縱向尺寸要求嚴(yán)苛的諸如飛機(jī)、高鐵等載體上應(yīng)用。以下介紹兩種代表性天線(xiàn)產(chǎn)品。

由中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所獨(dú)立研制的VICTS天線(xiàn)（圖3、圖4），整個(gè)系統(tǒng)采用全機(jī)械制動(dòng)，分層式結(jié)構(gòu)，從上到下依次為極化罩、極化層、輻射層和激勵(lì)層，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)最下邊兩層圓盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)波束的俯仰面和方位面掃描，不需要附加額外的射頻器件便能實(shí)現(xiàn)二維掃描的功能。天線(xiàn)面采用收發(fā)分離式設(shè)計(jì)，在機(jī)載、車(chē)載及艦載平臺(tái)中得到廣泛應(yīng)用。

由于該系統(tǒng)沒(méi)有使用移相器等有源器件，故成本低廉；剖面低，易于載體共形；尺寸比傳統(tǒng)的電子掃描相控陣小，研究表明，對(duì)于給定的G/T值，傳統(tǒng)的相控陣口徑尺寸是該體制下天線(xiàn)口徑的2.5-4倍大；并且掃描后波束的副瓣低，可以達(dá)到-20dB以下。這種體制的天線(xiàn)形式可以推廣到X波段、Ka波段以及W、Q波段等。

圖3 中國(guó)電科二十九所VICTS天線(xiàn)

圖4 VICTS天線(xiàn)裝車(chē)圖

國(guó)內(nèi)某公司發(fā)布的VIPA600天線(xiàn)是一款全新設(shè)計(jì)的虛擬相控陣天線(xiàn)，等效口徑0.6米，采用新型電磁天線(xiàn)面，增益高、波束掃描角度大，能夠保證運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)于目標(biāo)衛(wèi)星的穩(wěn)定跟蹤，其主要特點(diǎn)如下：

1) 通過(guò)一維的平面旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)波束二維空間掃描；

2) 掃描范圍寬：±60°空間掃描；

3) 低輪廓，高增益，高效率；

4) 天線(xiàn)尺寸：178cm×78cm×9.8cm。

2.3 相控陣天線(xiàn)

相控陣具有波束掃描快，可靠性高，剖面高度低等優(yōu)點(diǎn)，適用于高機(jī)動(dòng)平臺(tái)。

以色列Gilat公司相控陣天線(xiàn)（圖5），具有總高度不超過(guò)5cm的超低輪廓，采用收發(fā)分離式設(shè)計(jì)，在衛(wèi)星通信市場(chǎng)具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)該公司也在進(jìn)行收發(fā)共面相控陣的研發(fā)。Gilat 公司的相控陣天線(xiàn)主要針對(duì)商業(yè)市場(chǎng)，因此低成本是其主要競(jìng)爭(zhēng)力，單收天線(xiàn)目標(biāo)價(jià)格為500美元以下。

Phasor公司計(jì)劃于2018年正式發(fā)布其相控陣天線(xiàn)產(chǎn)品，工作于Ku頻段，后續(xù)將發(fā)布Ka頻段的產(chǎn)品。該相控陣天線(xiàn)通過(guò)軟件進(jìn)行控制，不包含任何機(jī)械組件。總體厚度約為6.5厘米，主要包含天線(xiàn)罩、基座和電子馬達(dá)。Phasor主要瞄準(zhǔn)機(jī)載、車(chē)載等公共交通設(shè)施市場(chǎng)，其低廉的價(jià)格是其主要競(jìng)爭(zhēng)力之一。

2.4 超材料天線(xiàn)

作為一家專(zhuān)注研發(fā)通信天線(xiàn)的創(chuàng)業(yè)公司，Kymeta提出的一種新型超材料天線(xiàn)mTenna（圖6）引起了業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注。該天線(xiàn)相比于傳統(tǒng)材料天線(xiàn)而言更加輕薄、高效和廉價(jià)。該天線(xiàn)采用了和生產(chǎn)LCD顯示器類(lèi)似的生產(chǎn)技術(shù)，有利于后續(xù)的大規(guī)模、低成本生產(chǎn)。其主要指標(biāo)如下：

圖5 Gilat公司商用低成本相控陣天線(xiàn)

圖6 Kymeta公司mTenna超材料天線(xiàn)

1) 工作頻段：11.4GHz～12.4GHz（接收）

14GHz～14.5GHz（發(fā)射）

2) 極化方式：線(xiàn)極化

3) G/T值：9.5dB/K

4) 外形尺寸：

82.3 cm×82.3cm×16.5cm（室外）

44.5 cm×31.75cm×9.06cm（室內(nèi)）

5) 重量：21.1kg（室外）6.35kg（室內(nèi)）

3.衛(wèi)星移動(dòng)互聯(lián)天線(xiàn)發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，高通量衛(wèi)星、低軌星座的帶寬移動(dòng)互聯(lián)需求極大地促進(jìn)了國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)將發(fā)揮重要作用。以機(jī)載、船載、車(chē)載為代表的移動(dòng)應(yīng)用成為拉動(dòng)傳統(tǒng)衛(wèi)星通信領(lǐng)域的新動(dòng)力，與之相伴相生的移動(dòng)互聯(lián)天線(xiàn)也出現(xiàn)了很多的新技術(shù)和新產(chǎn)品。其主要發(fā)展趨勢(shì)如下：

1) 向著寬帶、多頻段共用趨勢(shì)發(fā)展

高通量衛(wèi)星大多工作在Ku/Ka 頻段，具有寬帶、高數(shù)據(jù)率傳輸和大容量的優(yōu)勢(shì)，代表著未來(lái)通信衛(wèi)星發(fā)展的方向。著眼于Ka的終端天線(xiàn)發(fā)展是未來(lái)衛(wèi)星通信發(fā)展的必然需求。但是Ku頻段仍將在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)被繼續(xù)使用，Ku頻段由于在抗雨衰方面和Ka相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，并且技術(shù)和器件成熟，將在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)Ku和Ka并存的局面。因而對(duì)于衛(wèi)星終端天線(xiàn)而言，寬頻帶、多頻段（Ku/Ka）共用天線(xiàn)是其發(fā)展的趨勢(shì)之一。

圖7 衛(wèi)星互聯(lián)天線(xiàn)發(fā)展趨勢(shì)

2) 向著高集成度、低剖面趨勢(shì)發(fā)展

由于平臺(tái)載體對(duì)移動(dòng)通信天線(xiàn)低風(fēng)阻、低可探測(cè)性，低雷達(dá)散射截面（RCS）以及可共形的要求，促使衛(wèi)星通信天線(xiàn)向高密度集成的方向發(fā)展，而高密度集成使得衛(wèi)星通信天線(xiàn)整體結(jié)構(gòu)變得更加扁平和輕薄。平板陣列天線(xiàn)、VICTS、VIPA、相控陣、超材料天線(xiàn)都是在此背景需求驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的，代表了未來(lái)的主要發(fā)展方向。

3) 向著低成本趨勢(shì)發(fā)展

與軍用市場(chǎng)不同，民用市場(chǎng)對(duì)于成本控制更加敏感，是其主要市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。隨著電子信息技術(shù)及材料工藝近年來(lái)的飛速發(fā)展，終端天線(xiàn)的成本日益降低。隨著毫米波技術(shù)的突破和量產(chǎn)、相控陣的成本大幅下降，極大地推動(dòng)了相控陣天線(xiàn)在民用領(lǐng)域的發(fā)展，成為未來(lái)通信天線(xiàn)發(fā)展的方向。

4.結(jié)語(yǔ)

由于衛(wèi)星移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)軌道資源的日益緊缺，衛(wèi)星通信將朝著高通量、低軌星座的趨勢(shì)發(fā)展。與此發(fā)展趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星移動(dòng)互聯(lián)天線(xiàn)也將朝著寬頻帶、大容量、低剖面、低成本的方向不斷迭代更新。從技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，平板陣列天線(xiàn)，VICTS、VIPA天線(xiàn)，低成本相控陣、超材料天線(xiàn)代表了未來(lái)移動(dòng)通信天線(xiàn)的主要發(fā)展方向。從長(zhǎng)期發(fā)展來(lái)看，隨著毫米波、超材料技術(shù)的突破和量產(chǎn)，未來(lái)衛(wèi)星通信天線(xiàn)將向著低成本相控陣及超材料天線(xiàn)發(fā)展。