低轨星座多波束相控阵天线研究进展与发展趋势
图1星载多波束相控阵天线的发展历程
1.1第一代低轨星载多波束相控阵天线
图2铱星星座
(资料图片仅供参考)
图3全球星系统
图4全球星系统发射天线
1.2第二代低轨星载多波束相控阵天线
图5铱星二代系统
图6全球星二代系统
1.3第三代低轨星载多波束相控阵天线
图7Starlink系统
图8OneWeb系统
图9鸿雁首发星
3.1低剖面多波束相控阵天线系统架构设计技术
图10相控阵天线架构示意图
3.2高密度集成有源通道设计技术
目前低轨星载多波束相控阵天线主要集中在Ku和Ka频段，并朝着Q/V频段方向发展。通常相控阵天线单元的间距约为半个波长，如果天线工作在X频段(10GHz),则它的单元间距约为15mm；若天线工作在Ka频段(30GHz)时，则它的单元间距约为5mm。可见Ka频段相控阵天线的间距仅为X频段的30%左右，在这样一个狭小的空间内要放置功率放大器、低噪声放大器、开关、移相器、多波束芯片等难度极大。多通道集成是解决毫米波有源相控阵天线高密度集成的有效途径之一，其基本思想是以 CMOS 或 SiGe 为代表的硅基半导体工艺为基础，在一个芯片上实现一块TR组件的功能。如图11所示，这是一个基于多通道集成的瓦式相控阵天线，其TR 组件创新性地采用 GaAs 与 CMOS 工艺相结合的方法，实现了8个通道的高密度集成。随着 CMOS 工艺的发展，研究高密度集成有源通道设计技术对于实现更高频段的有源相控阵天线的高密度、小型化集成具有重要意义。
3.3多波束相控阵抗干扰技术
图11多通道集成的有源相控阵天线设计框图
图12星载相控阵天线的主要抗干扰手段
3.4多波束相控阵天线快速测试技术
表1某有源平板缝隙相控阵天线的多波束测试流程[34]
4.1工作频率朝着更高频方向发展
第一代和第二代低轨星载多波束相控阵天线工作在L/S等较低频段，近年来，随着新型低轨宽带卫星星座的蓬勃发展，第三代低轨星载多波束相控阵天线的工作频率开始采用Ku和Ka频段，并朝着Q/V 等可以提供更高的频段和更宽的带宽的毫米波频段发展。如表2所示，OneWeb、Boeing、SpaceX、Telesat 等主要航天公司均已规划了下一代 Q/V 波段低轨卫星星座计划。
表2下一代 Q/V 波段低轨卫星星座计划
4.2波束形成方式从模拟波束形成向数字波束形成技术发展
低轨星载多波束相控阵天线主要利用模拟波束形成网络来形成多波束。模拟波束形成是最经济的波束形成方式，具有成本低，宽带和功耗低的优点。但是随着波束数量的增加，其付出的成本代价也是成倍增加的，因而在实际星载工程应用中难以实现大规模的波束。数字波束形成技术是一种灵活的波束形成方式，其最显著的优点便是可以产生大规模的波束，这是因为数字波束形成网络的重量和功耗仅由信号带宽和辐射组件的数量决定，而与要产生的波束数量无关。目前，Satixfy公司已经提出了世界上第一个能够在卫星通信中实现实时卫星延迟的商用数字波束成形芯片Prime。OneWeb 和 Telesat公司也已经相继和Satixfy公司达成合作，并有望在后续的卫星发射中采用数字波束形成技术。
4.3波束覆盖方式从固定波束覆盖向跳波束覆盖转变
第一代和第二代低轨星载多波束相控阵天线均采用固定波束覆盖的方式，这种方法存在着资源损耗大，星载功率利用率低以及在用户分布不均匀的场景下资源浪费大等问题。为了提高资源分配的灵活性，第三代低轨星载多波束相控阵天线逐渐开始采用跳波束覆盖方式，比如鸿雁星座和Starlink星座上搭载的多波束相控阵天线均采用了跳波束覆盖技术以实现灵活波束覆盖。因此，跳波束覆盖技术有望在低轨卫星星座中获得广泛应用。
4.4相控阵天线朝着收发共口径、稀疏化方向发展
低轨星载多波束相控阵天线主要采用收发共用和收发分离两种天线体制，收发分离的天线形式对相控阵天线的体积、重量及安装空间又提出了更高的要求，而收发共口径相控阵天线则展现出明显的空间优势。将收发共口径天线应用于低轨卫星，可极大程度地降低天线对载荷平台的需求，提高其空间利用率。同时，若相控阵采用稀疏阵设计，则可以大大减少单元通道数，进而实现低成本。比如，Starlink卫星上搭载的多波束相控阵就采用了由内向外逐渐稀疏的稀疏阵列设计。
作者：于立，雷柳洁，张凯，万继响，张乔杉，李岩，龙毛（中国空间技术研究院西安分院）
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