圖1星載多波束相控陣天線的發(fā)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(tǒng)

圖4全球星系統(tǒng)發(fā)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(tǒng)

圖6全球星二代系統(tǒng)

1.3第三代低軌星載多波束相控陣天線

圖7Starlink系統(tǒng)

圖8OneWeb系統(tǒng)

圖9鴻雁首發(fā)星

3.1低剖面多波束相控陣天線系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

圖10相控陣天線架構(gòu)示意圖

3.2高密度集成有源通道設(shè)計(jì)技術(shù)

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(fā)展。通常相控陣天線單元的間距約為半個(gè)波長(zhǎng)，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(shí)，則它的單元間距約為5mm?？梢奒a頻段相控陣天線的間距僅為X頻段的30%左右，在這樣一個(gè)狹小的空間內(nèi)要放置功率放大器、低噪聲放大器、開關(guān)、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(dǎo)體工藝為基礎(chǔ)，在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)一塊TR組件的功能。如圖11所示，這是一個(gè)基于多通道集成的瓦式相控陣天線，其TR 組件創(chuàng)新性地采用 GaAs 與 CMOS 工藝相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了8個(gè)通道的高密度集成。隨著 CMOS 工藝的發(fā)展，研究高密度集成有源通道設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)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(shù)

圖11多通道集成的有源相控陣天線設(shè)計(jì)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(cè)試技術(shù)

表1某有源平板縫隙相控陣天線的多波束測(cè)試流程[34]

4.1工作頻率朝著更高頻方向發(fā)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(lái)，隨著新型低軌寬帶衛(wèi)星星座的蓬勃發(fā)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(fā)展。如表2所示，OneWeb、Boeing、SpaceX、Telesat 等主要航天公司均已規(guī)劃了下一代 Q/V 波段低軌衛(wèi)星星座計(jì)劃。

表2下一代 Q/V 波段低軌衛(wèi)星星座計(jì)劃

4.2波束形成方式從模擬波束形成向數(shù)字波束形成技術(shù)發(fā)展

低軌星載多波束相控陣天線主要利用模擬波束形成網(wǎng)絡(luò)來(lái)形成多波束。模擬波束形成是最經(jīng)濟(jì)的波束形成方式，具有成本低，寬帶和功耗低的優(yōu)點(diǎn)。但是隨著波束數(shù)量的增加，其付出的成本代價(jià)也是成倍增加的，因而在實(shí)際星載工程應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的波束。數(shù)字波束形成技術(shù)是一種靈活的波束形成方式，其最顯著的優(yōu)點(diǎn)便是可以產(chǎn)生大規(guī)模的波束，這是因?yàn)閿?shù)字波束形成網(wǎng)絡(luò)的重量和功耗僅由信號(hào)帶寬和輻射組件的數(shù)量決定，而與要產(chǎn)生的波束數(shù)量無(wú)關(guān)。目前，Satixfy公司已經(jīng)提出了世界上第一個(gè)能夠在衛(wèi)星通信中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)衛(wèi)星延遲的商用數(shù)字波束成形芯片Prime。OneWeb 和 Telesat公司也已經(jīng)相繼和Satixfy公司達(dá)成合作，并有望在后續(xù)的衛(wèi)星發(fā)射中采用數(shù)字波束形成技術(shù)。

4.3波束覆蓋方式從固定波束覆蓋向跳波束覆蓋轉(zhuǎn)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(chǎng)景下資源浪費(fèi)大等問(wèn)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(shù)以實(shí)現(xiàn)靈活波束覆蓋。因此，跳波束覆蓋技術(shù)有望在低軌衛(wèi)星星座中獲得廣泛應(yīng)用。

4.4相控陣天線朝著收發(fā)共口徑、稀疏化方向發(fā)展

低軌星載多波束相控陣天線主要采用收發(fā)共用和收發(fā)分離兩種天線體制，收發(fā)分離的天線形式對(duì)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(fā)共口徑相控陣天線則展現(xiàn)出明顯的空間優(yōu)勢(shì)。將收發(fā)共口徑天線應(yīng)用于低軌衛(wèi)星，可極大程度地降低天線對(duì)載荷平臺(tái)的需求，提高其空間利用率。同時(shí)，若相控陣采用稀疏陣設(shè)計(jì)，則可以大大減少單元通道數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低成本。比如，Starlink衛(wèi)星上搭載的多波束相控陣就采用了由內(nèi)向外逐漸稀疏的稀疏陣列設(shè)計(jì)。

作者：于立，雷柳潔，張凱，萬(wàn)繼響，張喬杉，李巖，龍毛（中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院）

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