低軌星座多波束相控陣天線研究進展與發展趨勢

圖1星載多波束相控陣天線的發展歷程

【資料圖】

1.1第一代低軌星載多波束相控陣天線

圖2銥星星座

圖3全球星系統

圖4全球星系統發射天線

1.2第二代低軌星載多波束相控陣天線

圖5銥星二代系統

圖6全球星二代系統

1.3第三代低軌星載多波束相控陣天線

圖7Starlink系統

圖8OneWeb系統

圖9鴻雁首發星

3.1低剖面多波束相控陣天線系統架構設計技術

圖10相控陣天線架構示意圖

3.2高密度集成有源通道設計技術

目前低軌星載多波束相控陣天線主要集中在Ku和Ka頻段，并朝著Q/V頻段方向發展。通常相控陣天線單元的間距約為半個波長，如果天線工作在X頻段(10GHz),則它的單元間距約為15mm；若天線工作在Ka頻段(30GHz)時，則它的單元間距約為5mm。可見Ka頻段相控陣天線的間距僅為X頻段的30%左右，在這樣一個狹小的空間內要放置功率放大器、低噪聲放大器、開關、移相器、多波束芯片等難度極大。多通道集成是解決毫米波有源相控陣天線高密度集成的有效途徑之一，其基本思想是以 CMOS 或 SiGe 為代表的硅基半導體工藝為基礎，在一個芯片上實現一塊TR組件的功能。如圖11所示，這是一個基于多通道集成的瓦式相控陣天線，其TR 組件創新性地采用 GaAs 與 CMOS 工藝相結合的方法，實現了8個通道的高密度集成。隨著 CMOS 工藝的發展，研究高密度集成有源通道設計技術對于實現更高頻段的有源相控陣天線的高密度、小型化集成具有重要意義。

3.3多波束相控陣抗干擾技術

圖11多通道集成的有源相控陣天線設計框圖

圖12星載相控陣天線的主要抗干擾手段

3.4多波束相控陣天線快速測試技術

表1某有源平板縫隙相控陣天線的多波束測試流程[34]

4.1工作頻率朝著更高頻方向發展

第一代和第二代低軌星載多波束相控陣天線工作在L/S等較低頻段，近年來，隨著新型低軌寬帶衛星星座的蓬勃發展，第三代低軌星載多波束相控陣天線的工作頻率開始采用Ku和Ka頻段，并朝著Q/V 等可以提供更高的頻段和更寬的帶寬的毫米波頻段發展。如表2所示，OneWeb、Boeing、SpaceX、Telesat 等主要航天公司均已規劃了下一代 Q/V 波段低軌衛星星座計劃。

表2下一代 Q/V 波段低軌衛星星座計劃

4.2波束形成方式從模擬波束形成向數字波束形成技術發展

低軌星載多波束相控陣天線主要利用模擬波束形成網絡來形成多波束。模擬波束形成是最經濟的波束形成方式，具有成本低，寬帶和功耗低的優點。但是隨著波束數量的增加，其付出的成本代價也是成倍增加的，因而在實際星載工程應用中難以實現大規模的波束。數字波束形成技術是一種靈活的波束形成方式，其最顯著的優點便是可以產生大規模的波束，這是因為數字波束形成網絡的重量和功耗僅由信號帶寬和輻射組件的數量決定，而與要產生的波束數量無關。目前，Satixfy公司已經提出了世界上第一個能夠在衛星通信中實現實時衛星延遲的商用數字波束成形芯片Prime。OneWeb 和 Telesat公司也已經相繼和Satixfy公司達成合作，并有望在后續的衛星發射中采用數字波束形成技術。

4.3波束覆蓋方式從固定波束覆蓋向跳波束覆蓋轉變

第一代和第二代低軌星載多波束相控陣天線均采用固定波束覆蓋的方式，這種方法存在著資源損耗大，星載功率利用率低以及在用戶分布不均勻的場景下資源浪費大等問題。為了提高資源分配的靈活性，第三代低軌星載多波束相控陣天線逐漸開始采用跳波束覆蓋方式，比如鴻雁星座和Starlink星座上搭載的多波束相控陣天線均采用了跳波束覆蓋技術以實現靈活波束覆蓋。因此，跳波束覆蓋技術有望在低軌衛星星座中獲得廣泛應用。

4.4相控陣天線朝著收發共口徑、稀疏化方向發展

低軌星載多波束相控陣天線主要采用收發共用和收發分離兩種天線體制，收發分離的天線形式對相控陣天線的體積、重量及安裝空間又提出了更高的要求，而收發共口徑相控陣天線則展現出明顯的空間優勢。將收發共口徑天線應用于低軌衛星，可極大程度地降低天線對載荷平臺的需求，提高其空間利用率。同時，若相控陣采用稀疏陣設計，則可以大大減少單元通道數，進而實現低成本。比如，Starlink衛星上搭載的多波束相控陣就采用了由內向外逐漸稀疏的稀疏陣列設計。

作者：于立，雷柳潔，張凱，萬繼響，張喬杉，李巖，龍毛（中國空間技術研究院西安分院）

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