任军强;邹恒光;周钠;刘骞
【期刊名称】《国际太空》
【年(卷),期】2015(000)011
载人行李箱
【总页数】6页(P55-60)
【作 者】任军强;邹恒光;周钠;刘骞
【作者单位】中国空间技术研究院通信卫星事业部;中国空间技术研究院通信卫星事业部;中国空间技术研究院通信卫星事业部;空间电子信息技术研究院
【正文语种】中 文
在通信卫星系统的设计过程中，面对大范围覆盖、高增益需求，主要有相控阵天线和固定多波束天线两种方案可供选择。相控阵天线可以实现大范围内的高增益跳变覆盖，性能相对灵 活，但技术实现难度较大；固定多波束天线可以实现大范围内的高增益常态覆盖，技术实现相对容易，但性能不够灵活。如何选择和使用这两种天线，更好地满足用户的需求，是通信卫星总体设计中面临的一个非常重要的问题。
相控阵天线是在阵列天线的基础上发展起来的一种天线体制和技术，它以一些离散的天线单元在空间以某种形式排列成一定的形状，每个天线单元的幅度和相位激励能独立控制，以使其能在空间形成一定形状的波束。波束空间指向可以通过调整每个天线单元激励信号的相位来控制，扫描过程不需要机械移动，整个天线口径始终保持固定，同时波束又能随意地扫描，因此相控阵天线具有无惯性扫描的特点。近年来，相控阵天线被越来越多地应用到航天领域，主要是用以实现雷达探测、成像、卫星通信和测距等。
国外相控阵天线的在轨应用情况
国外的星载相控阵天线主要工作在X、Ka、极高频（EHF）频段。
（1）日本“超高速互联网卫星”
日本2008年2月发射的“超高速互联网卫星”（WINDS）上装载了Ka频段有源相控阵天线，
天线收发分开，收发波束均为2个，收发阵元数均为128个。卫星上的相控阵天线实现了对亚太地区的广域高增益灵活跳变覆盖，可在大范围内实现波束电动扫描，支持时分多址（TDMA）通信方式。
（2）美国“先进极高频”卫星
美国2 0 1 0年8月发射的“先进极高频”（AEHF）卫星上装载了Ka/EHF频段相控阵天线，采用分布式馈电有源相控阵天线方案，收发分开，Ka频段（20GHz）发射、EHF频段（44GHz）接收。发射相控阵天线2副，每副的271个单元形成2个波束；接收相控阵天线1副，每副的271个单元形成4个波束。相控阵天线系统采用诺格公司研制的“波束形成网络”（BFN），可实现卫星天线在轨自适应调零，不需要地面站的控制和干涉。相控阵天线波束宽度为1°，EIRP值为50dBW（波束中心）。接收阵与发射阵总功耗为800W，接收阵与发射阵总质量为140kg。
“先进极高频”卫星的相控阵天线可直接接收来自地面终端的信号，通过电动扫描方式来改变射频波束的指向，因而能很便捷地使用户之间的波束瞬间跳变，实现波束指向的灵活跳变。
（3）美国“宽带全球卫星通信”卫星
美国2007年10月发射的“宽带全球卫星通信”（WGS）卫星上装载了X频段相控阵天线，收发分开，发射阵312个单元形成8个波束，接收阵168个单元形成8个波束。
“宽带全球卫星通信”卫星上的X频段相控阵天线是多波束有源阵列天线，具有在轨波束形状调整与操作能力，可形成任意形状和大小的独立波束，并以最小2.2°的点波束对全球进行覆盖，主要实现大范围内的离散、孤立地区的跳变覆盖。
（4）美国太空之路－3卫星
美国2 0 0 7年8月发射的太空之路－3（Spaceway－3）卫星上装载了Ka频段相控阵天线，为单一发射相控阵天线，其接收天线为112个波束的双偏置卡塞格伦反射面天线。Ka频段单一发射相控阵天线采用1500个单元形成24个波束（在784波位上跳变）。
太空之路－3卫星通过下行相控阵发射天线，根据用户的需求动态产生相对应的点波束，提供用户实际需要的卫星容量及带宽，同时根据用户需求可对某个地区进行增强，实现系统容量、覆盖的灵活动态管理。钙锌复合稳定剂
相控阵天线的特点
节能转轮除湿机相控阵天线一般具有以下优点：
1）波束快捷扫描，无需机构，采用时分复用原理可以实现多目标跟踪指向或通信。
2）可实现独立控制多个波束，每个波束实现不同的功能，满足未来军事通信的需求。
3）抗干扰能力强，可精密控制天线辐射方向图，可以实现低副瓣、自适应调零等功能，抑制各种干扰。
4）具有空间功率合成能力，相控阵天线每个辐射单元对应1个功放，多个辐射单元功放在空间合成的总功率比单个发射机的功率大得多，可以实现更高的EIRP值。
防静电水磨石5）可靠性高，相控阵天线的阵列单元数众多，并联使用，即使有少量组件失效，仍能正常工作。
相控阵天线的主要优势是波束指向捷变，有多个波束独立控制能力，易于采用空间抗干扰技术，主要用于大范围、孤立分散、快速移动目标的通信。
当然，相控阵天线也有缺点，主要表现在：
1）结构复杂、造价昂贵。微波组件如发射/接收（T/R）组件、移相器、微波网络数量众多。
2）功耗和热耗较大。相控阵天线由于天线中射频通道数量较多，卫星应用不同于地面系统应用，需要卫星提供较大的质量及功率资源。
3）天线包含硬件和软件设计，技术难度高。模拟波束形成硬件复杂，数字阵波束形成软件复杂，宇航级器件获得困难。
4）对星地体制影响较大。相控阵跳波束时通信短暂中断，地面体制需要相互适应。
固定多波束天线是能够同时产生多个点波束，连续覆盖地面上所关心的某一区域的一种天线。固定多波束天线在航天上的应用越来越多，1副固定多波束天线可在一定区域内连续覆盖，大的区域可用多副固定多波束天线覆盖；波束覆盖区略有交叠，频率可以多次复用。
国外固定多波束天线的在轨应用情况
国外星载固定多波束天线一般工作在Ku和Ka频段。
（1）“互联网协议星”多波束天线
泰国“互联网协议星”（iPSTAR）在Ku频段设计了84个Ku点波束和3个赋型波束，在Ka频段设计了18个关口站波束。其天线配置主要载荷有：①安装于东板和西板的3副Ku频段多波束天线；②安装于西板的1副Ka频段多波束天线，生成指向关口站的18个点波束；③安装于对地板的3副Ku频段赋形波束天线。
“互联网协议星”通过固定多波束天线，实现较大区域内的多个波束较窄、能力集中的点波束连续覆盖，借助频率复用技术，实现了系统传输效率的提高，大大提高了系统的通信容量。
（2）阿尔卡特空间公司的多波束天线
欧洲阿尔卡特空间公司（Alcatel Space）研制了一种用于接收的多波束天线系统，该系统工作于Ka频段（上行28.35～30GHz）。整个天线系统采用2副阵馈单偏置反射面天线，每副反射器口径为1.2m，焦距为1m。该天线采用2副接收多波束天线系统共形成50个固定波
挤压爆破束覆盖欧洲和非洲，其中1副天线由171个辐射单元产生34个固定波束来覆盖北半球，1副天线由96个辐射单元产生16个固定波束来覆盖南半球，波束宽度为1.15°。
阿尔卡特空间公司通过2副接收多波束天线实现了南北半球的广域范围内多个高增益点波束连续覆盖，提高了系统的通信性能。
固定多波束天线的特点
固定多波束天线一般具有以下优点：
1）在较大的区域内用多个点波束进行覆盖，每个点波束的增益较高；
2）多个点波束可以对所关心的区域进行连续、无缝覆盖；
3）多个点波束之间进行物理隔离，可以多次频率复用，提高系统的频率利用率和系统容量；
4）固定多波束天线的增益较高，可以使地面终端小型化，降低系统应用成本。
当然，固定多波束天线也有缺点，主要表现在：
1）不够灵活。一旦天线设计完成，覆盖区位置就不能发生改变；多个点波束不能分别单独控制。
2）抗干扰能力较差。固定多波束天线缺少一定的抑制干扰的手段。
从国外的应用情况来看，相控阵天线主要满足大范围区域内孤立、离散的站点快速跳变覆盖保障需求，固定多波束天线主要满足一定区域内连续的、常态的固定覆盖保障需求。
相控阵天线与固定多波束天线在应用模式上通常有以下的差异：
1）采用固定多波束天线的卫星系统一般都会设置有信令通道，可为覆盖区内的用户终端提供24h的常态覆盖，覆盖区内任何经过鉴权认证的用户都能随时接入系统并立即得到服务，可为同一波束下的多个用户终端提供通信保障。当用户终端进行大范围机动运动时，固定多波束天线的卫星系统通过信令通道下的越区切换指令保证运动中的用户终端获得跨波束连续不中断的通信保障。
2）采用相控阵天线的卫星系统在用户终端处于静止模式下或固定波位模式下时，使用模式与固定多波束天线的卫星系统相同。当用户终端进行大范围机动时，用户终端需提前向卫
星系统管理部门申请相控阵天线某一波束的使用权。采用相控阵天线的卫星系统需预先知道用户终端的行动路线并上传至卫星，才能控制相控阵天线的某一波束始终跟随用户终端提供通信保障，此时相控阵天线的某一个波束只服务于某一个机动的用户终端。
3）采用固定多波束天线的卫星系统可以支持多种模式的通信体制，频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）任意一种都可以；采用相控阵天线的卫星系统在跳波位的过程中通信是中断的，相同波位重访需要一定时间，通信体制需要建立在TDMA基础之上。
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