文I 国家无线电监测中心福建监测站朱杰赖新权
摘埂：本文丨"I 顾/H 星“动屮迪”人线发MWft ?和趋势，洋细比较了传统机械天线与相控阼人线的优 缺点；介绍了基于til 校阵的U 星“动屮迪”天线现状及士：耍技术形忒，特別计对P 4内外不同炎甩的相控阵 天线产品进行了说明，指出f 各f l 产品在具体使川坏垃中的特点。iiiifi ，对RM 移动通信平台屮fl 丨校阵天 线的发M 趋势进行
乂键词：卫星通信“动中迪’’天线tl 丨控阵太线发M 趋势
0引言
随着卫星通信的技术发展和应用领域的拓展，人类关 于在任何时候、任何地点、任何情况下(甚至在高速移动中） 进行较好通信的愿望得以实现。“动中通”天线技术研究 和产品开发是当前卫星通信技术领域的研究热点之一。在 卫星通信系统中，地面卫星接收天线多采用性能较为优越 的反射面天线，但这类天线体积过大，影响了移动载体的 机动性。高性能、重量轻、体积小、低轮廓以及易于安装 于移动载体的相控阵天线成为“动中通”系统研究的热点 之一⑴。 1 “动中通”天线发展历程及趋势
“动中通”通信系统是指能在搭载平台高速移动过程 中与地球同步卫星保持稳定信息传输的地面通信系统。“动 中通”通信系统具有覆盖范围广、传输质量好、传输距离 远、容量大等优点，能在移动平台上随时随地与卫星通信， 能满足军民应急、实时通信的需求121。
“动中通”天线经过20多年的发展，已经从传统拋 物面天线发展到低轮廓天线，其发展历程可以归纳为3个 阶段：高轮廓、中轮廓和低轮廓天线。为了追求更低的剖 面，低轮廓天线已开始向相控阵天线和特种材料天线方向 发展（见图1 )。
回顾“动中通”天线的发展过程，首先出现的是以圆 口径反射面为主的高轮廓天线。其优点是易于实现高增益、
低旁瓣和低交叉极化性能；缺点是轮廓高，受其体积、重
量的限制。该类“动中通”天线主要用于大型移动载体（船 舶、大型车辆等）。
第二代是以椭圆口径的反射面天线和透镜天线为主的 中等轮廓“动中通”天线，反射面天线口径设计成椭圆口 径，从而形成椭圆赋形波束，可以在较小的尺寸下实现较 好的电气性能。天线方位面面积较大，俯仰面面积较小。 随着“动中通”天线需求的不断提升，为了进一步降 低天线的轮廓，出现了以平板阵列和相控阵天线为主的低 轮廓“动中通”天线。这类天线收发单元由单个或多个子 阵组成，特点是：中等体积，轮廓较低，天线口径效率略 有下降，其突出优点是轮廓低、机动性好、体积小、重量 轻、易于安装，最大的特点是风阻小，适宜高速行驶的载
体平台应用，并可用于汽车、坦克以及飞机等多个应用平 台上，也非常有利于进一步推广（见表1 )。
表1传统机械天线与相控阵天线优缺点
对比项
传统机械天线
相控阵天线
优点
(1)天线效率高，性能好 (2 )天线的指向角调整范围 大，在高纬度地区（低仰角） 仍保持与GE 〇卫星的正常 连接
(1 )平板天线只有很少或没有
移动部件，不会产生决定天线
寿命的移动部件磨损情况(2) 可实现瞬间波束切换和对 星，从而实现持续稳定和低时 延的通信
(3) 天线低轮廓、重量轻、尺 寸小，可与载体平面共形，满 足运输通过性要求缺点
(1 )机械转动天线的重量重、 尺寸大，应用场景局限于对
重量和尺寸要求不高的环境
(2 )机械转动天线有较多的
移动S 3件，长时间的持续工
一次性纸碗作容易发生机械故障，并且
维护困难
(3)终端天线一次只能连接
一个卫星波束，如果需要跟
活化钢踪多个卫星，则必须建设多 副天线，其切星速度也低
(1 )扫描范围受限，一般在
±60度范围内，又寸于同步轨道
卫星，其增益损失较大，效率
较低，但对非同步轨道卫星，
其扫描受限问题将消失
(2) 极化隔离度问题
(3) 功耗、温控
(4) 当前阶段成本高
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2021.5
监测检测
2基于相控阵的卫星“动中通”天线现状
2.1互联网卫星星座发展进程
随着人们对宽带网络接入需求的不断增长，近年来卫 星通信逐渐转向移动互联网业务，非静止轨道卫星星座系 统迅速发展。
互联网卫星星座目前主要分布在中轨和低轨上。相比 地面网络的不足（如覆盖受限、难以支持高速移动用户应 用、广播类业务占用网络资源较多、易受自然灾害影响等），卫星通信覆盖广、容量大、不
受地域影响、具备信息广播 优势等特点，可作为地面通信的补充手段实现用户接入互 联网，有效解决“边远散”、海上、空中等用户的互联网 服务问题。
2.2相控阵天线概述
相控阵平板天线在卫星通信领域越来越受欢迎，但同 步轨道应用存在一些限制。主要是由于其扫描角度有限，通常超过60度会导致天线的增益损失、效率降低。相控 阵天线也可以设计为曲面，提高扫描范围，但这会导致天 线控制更复杂、成本更高。然而，近几年随着中轨和低轨 卫星星座越来越普遍，卫星通信市场正在从静止轨道卫星 转向非静止轨道卫星。相控阵天线将不再局限于指向赤道 上空的固定静止轨道卫星，可在其高性能的扫描范围内，在不同的非静止轨道卫星之间进行切换，天线扫描角度受 限的问题将会消失。
最初相控阵天线只在雷达方向、军事范围有所应用，但随着科技的发展，相控阵天线技术幵始在通信、导航等 领域发挥作用PI。
2.3相控阵天线技术类型
相控阵天线由多个天线阵元组成，通过改变阵列中 各天线阵元的信号相位关系来实现波束指向，通常没 有移动部件，具有低轮廓外形。相控阵天线有三个基本类型：无源电子扫描阵列（P assive E le c t ro n ic a lly Scanned A rra y,P E S A)、有源电子扫描阵列（A c tiv e E lectronically Scanned A rra y,AES A)以及超材料波 束形成天线。
2A1无源电子扫描阵列天线
P E S A是相控阵天线最常见的类型，所有的阵元共用 —个发射/接收（T ra n sm it/R eceive,TR )单元，结构 和功能简单。P E S A天线表面的阵元只有改变信号相位的 能力而没有发射信号的能力，信号的产生需要依靠天线后 方的信号产生器，然后利用波导管将产生的信号送到放大 器上，再传送到阵列单元上面，接收时则反向而行。
其特点是：低剖面、采用V IC T S天线形式；收发阵面分幵，采用层式结构，从上到下依次为极化罩、CTS 天线层、线源激励层•，通过转动下层圆盘实现俯仰面的波 束扫描，转动上层圆盘实现方位面的波束扫描。这种体制 的天线形式可以推广到X波段、K a波段等。
T h in k o m是美国一家从事车载和机载卫星移动通信 天线业务的公司，该公司旗下生产的ThinSat300是一款 使用K u频段，具有低轮廓、高机动性的“动中通”天线 系统，其收发天线分幵，采用V IC TS天线形式，性能优良。整个系统采用全机械制动，收发天线阵面均采用层式机构。整个系统没有使用分布式低噪放、高功放和移相器等有源 器件，故成本低廉、轮廓较低，易于载体共形，尺寸比传 统的电子扫描相控阵小，如图2所示。梨花化妆品
图2 ThinSat300天线实景图
国内某公司全新设计的虚拟相控阵天线也是无源电子 扫描阵列形式。该天线等效口径为0.6m，采用收发分离 式天线面结构。天线使用新型电磁天线面，将移相与辐射 相集成，用“电磁波”方法实现相位控制，以实现高增益 大角度波束扫描，从而保持载体运动中稳定跟踪目标卫星。
2.3.2有源电子扫描相控阵天线
A E S A相控阵的每个天线阵元都有一个独立的T R组 件，每个T R组件都包含一个移相器和放大器，通过调整 从每个天线阵元发射信号的相位和幅度来形成波束，可以 同时在多个频率上以不同方向形成多个波束，整个过程都 是电子控制完成。天线整体由三个部分组成：天线阵、馈 电网络和波束控制器。
基本原理：微波信号首先经过馈电网络，以等幅同相 的等功率分配给阵列中每个单元天线的移相器，经过一定 的移相以后再馈给天线的每个辐射单元，使相邻单元天线 的信号相位相差A中，从而实现天线波束的空间扫描。
芯片级相控阵技术利用先进的微电子和芯片设计技 术，大幅降低传统相控阵天线的成本。芯片级相控阵技 术拋弃了传统相控阵天线中所采用的由大量移相器、功 率放大器、馈电网络等电子元件组成的
架构，采用了具 有波束成形功能的专用集成电路（A S IC)微芯片。每个 A S IC芯片与一个很小的贴片天线相连组成一个基础天线 元件，采用嵌入式微处理器动态控制每个元件的信号相位，接收人线
人线柠制吶几
集成8f 40f(内置)
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在任意方向上形成波束。市场上的产品主要有P h a so r、S a tix F y以及天锐星通的产品。
英国P h a s o r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（A S IC)，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 P h a s o r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 25-50m m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。
以列S a tix F y公司相控阵天线是基于硅基芯片的 全数字波束成形天线。其优点为：高指向精度，大天线规 模以及大带宽；一体化解决方案，包含两个天线口径（接 收和发送〉、天线控制单元（ACU )、R F和调制解调器；基于数字电子可控多波束天线阵列（E S M A)技术；可 同时指向多个GEO/M EO/L E O卫星，实现高性能K u或 K a频带；轻薄小巧，采用硅基芯片，成本低。其缺点为：创新性设计的成本高；每路都有A D C/D A C，会引入额 外的功耗。
中国天锐星通研发的K a频段相控阵天线采用自主设 计的C M O S芯片，具有低轮廓、高密度、低成本的特点，可同时应用于机载、车载、船载等应用场景，可满足各领 域客户需求（见图3 )。
图3天锐星通K a频段相控阵天线实景图
台历打孔机2.3.3超材料波束成形天线
超材料是一种具有特殊结构和特性的新型材料，为小 于作用信号的波长所设计，使其能够控制无线电信号的传 播，实现对信号的阻挡、吸收、增强或弯曲等传播特性的 改变。超材料天线并不像传统抛物面天线那样反射卫星信 号，也不像相控阵天线那样产生和控制数千个独立信号，而是利用具有可调谐的材料元件结构散射无线电信号，来 创建全息波束。波朿的方向由被激活的元件控制，激活时 元件散射信号辐射的能量，通过软件控制和改变激活可调 元件的分布，可产生指定方向上的波束，并且调整激活元 件的模式可控制波朿的极化方式和任意极化角度。
K y M e ta公司是美国一家与国际海事卫星组织合作的 从事卫星移动通信的专业公司。其产品的天线剖面极低，适用于车载、机载等对外形极为苛刻的场合。其中应用的 超材料可以实现无移相器的电子波束扫描，因此天线可以与机身共形。其特点为：无转动部件，大大降低维护成本，提高可靠性；重量轻、复杂度低、便于安装（嵌入式、无 缝安装）；低功率。
10种打隐私的方法德国Alcan System s公司研制的LC D平板天线是通 过相控阵超薄天线内部的液晶层实现波束控制能力的（见 图4)。液晶层由电磁场控制，该电磁场改变了接收或发 射波束的方向，不需转动天线或移动其部件。
图4德国Alcan System s公司L C D平板天线实景图
3小结
近几年，航空、海上和陆地移动卫星互联网出现的通 信新需求推动了平板相控阵天线的创新发展。卫星通信将 继续向移动宽带接入和无处不在的物联网应用领域发展。为了实现移动化、宽带化、低时延的卫星网络接入，未来 卫星终端天线需要采用更高效的天线技术和频谱利用技 术，天线需要更多的适应性外形，将继续向低轮廓和多波 束方向发展。
性能和成本一直是制约平板天线发展的主要因素，天 线的指向精度、波束扫描的灵活性、带宽效率和干扰抑制 能力将是平板天线技术发展的重要标准，天线的规模制造 和低成本是决定新一代平板天线走向商业化成功的关键。
随着技术水平的不断提高，“动中通”天线的成本必 然会降低，应用面会更广。研究人员应本着从科研规律的 基本事实出发，积累相控阵天线在卫星通信领域中的技术 经验。K9
参考义献：
多倍频感应耐压试验装置
[11韩国栋，杜彪，陈如山.卫星移动通信相控阵天
线研究现状与技术展望[A].无线电通信技术，2013,
39(4)
[2]王莹莹.基于相控阵的卫星“动中通”天线技术
研究丨D].电子科技大学，2016
丨3]吴波洋.动中通天线在传统通信卫星系统中的应
用[J1.中国无线电，2007,(12)
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