低軌星座多波束相控陣天線(xiàn)研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)

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，西安 710000)

0 引言

低軌衛(wèi)星星座的發(fā)展最早可以追溯到上世紀(jì)八九十年代。為了順應(yīng)采用非地球靜止衛(wèi)星軌道從太空提供通信服務(wù)的趨勢(shì)，美國(guó)摩托羅拉公司于1987年率先提出了第一代低軌衛(wèi)星星座“銥星(Iridium)”[1-2]。隨后，美國(guó)LQSS公司又于1991年提出了"全球星"星座計(jì)劃[3]。但是由于市場(chǎng)定位錯(cuò)誤、技術(shù)復(fù)雜度高、投資過(guò)大、研發(fā)周期長(zhǎng)及系統(tǒng)能力弱等多種原因，這些低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)在2000年前后迎來(lái)了破產(chǎn)潮。近年來(lái)，隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是得益于火箭發(fā)射成本的降低、衛(wèi)星制造能力的提升、集成電路技術(shù)和通信技術(shù)的進(jìn)步[4]，低軌衛(wèi)星星座悄然復(fù)蘇，并朝著寬帶、高通量方向發(fā)展，有望成為5G的有效補(bǔ)充。

多波束相控陣天線(xiàn)可以利用波束形成網(wǎng)絡(luò)同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)獨(dú)立的高增益波束，是低軌衛(wèi)星星座的核心載荷之一，它具有靈活度高、掃描角域?qū)?、可靠性高等?yōu)點(diǎn)，不僅可以滿(mǎn)足廣域覆蓋、寬帶傳輸，而且還能實(shí)現(xiàn)隨遇接入、多點(diǎn)通信等迫切需求。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)發(fā)表了多篇關(guān)于星載相控陣天線(xiàn)的綜述文章[5-9]。這些文獻(xiàn)大都是對(duì)應(yīng)用于中低軌道以及同步軌道衛(wèi)星的相控陣天線(xiàn)或多波束天線(xiàn)進(jìn)行整體的歸納和總結(jié)，鮮少有文獻(xiàn)單獨(dú)針對(duì)應(yīng)用于低軌衛(wèi)星星座的多波束相控陣天線(xiàn)展開(kāi)論述。本文旨在針對(duì)應(yīng)用于低軌星座的星載多波束相控陣天線(xiàn)進(jìn)行歸納和分析。首先梳理了低軌星座多波束相控陣天線(xiàn)的發(fā)展歷程，總結(jié)了波束形成技術(shù)，指出了相控陣天線(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，并展望了低軌星載多波束相控陣天線(xiàn)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 發(fā)展歷程

國(guó)外對(duì)星載多波束相控陣天線(xiàn)的研究已經(jīng)歷了40 余年的時(shí)間。早在20世紀(jì)八九十年代，美國(guó)就已經(jīng)將多波束相控陣天線(xiàn)應(yīng)用到低軌衛(wèi)星星座領(lǐng)域。根據(jù)低軌衛(wèi)星星座的發(fā)展歷程，低軌星載多波束相控陣天線(xiàn)可以劃分為3個(gè)發(fā)展階段，如圖1所示。

圖1 星載多波束相控陣天線(xiàn)的發(fā)展歷程Fig.1 Development history of low-earth-orbit spaceborne multi-beam phased array antennas

1.1 第一代低軌星載多波束相控陣天線(xiàn)

1987年，美國(guó)摩托羅拉公司提出并部署了第一代真正依靠低軌衛(wèi)星星座提供聯(lián)系的全球個(gè)人通信系統(tǒng)，并將之命名為“銥星(Iridium)”[1-2]。銥星星座由分布在6個(gè)極軌道平面上的66顆衛(wèi)星組成，軌道高度為780公里，軌道傾角為86.4°。如圖2(a)所示，每顆衛(wèi)星的主任務(wù)天線(xiàn)由3個(gè)收發(fā)共用的L頻段有源多波束相控陣天線(xiàn)組成，它們以一定角度面向地球，提供從衛(wèi)星到地面用戶(hù)的L頻段鏈路。每副相控陣天線(xiàn)采用固定波束覆蓋方法，其16點(diǎn)波束覆蓋圖如圖2(b)所示。

如圖2(c)和圖2(d)所示，每副相控陣天線(xiàn)陣列由106個(gè)輕量貼片輻射器組成，每個(gè)輻射器由一個(gè)T/R模塊驅(qū)動(dòng)，這些模塊又由優(yōu)化的波束形成網(wǎng)絡(luò)共同激發(fā)。貼片陣列安裝在鋁質(zhì)蜂窩平板上，功率調(diào)節(jié)器和T/R模塊也粘合在該平板結(jié)構(gòu)上，以獲得良好的熱和機(jī)械連接。模擬波束形成網(wǎng)絡(luò)由8個(gè)16x16 Butler矩陣組成，這些矩陣依次由10個(gè)8x8正交Butler矩陣饋送，可用于形成16個(gè)優(yōu)化的接收/發(fā)射賦形波束，其中T/R模塊用于在接收狀態(tài)中保持高G/T并在發(fā)射狀態(tài)下生成高效的EIRP。因此每顆衛(wèi)星總共可以產(chǎn)生48個(gè)波束。

圖2 銥星星座Fig.2 Iridium constellation

如圖3(a)所示，衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)射和接收天線(xiàn)是分開(kāi)設(shè)計(jì)的，且分別工作在S頻段和L頻段。二者皆采用固定波束覆蓋方案，波束覆蓋圖分別如圖3(b)和圖3(c)所示。由61個(gè)單元組成的L頻段16波束相控陣天線(xiàn)負(fù)責(zé)接收來(lái)自地面移動(dòng)終端的信號(hào)，而由91個(gè)單元組成的S頻段16波束相控陣天線(xiàn)用于向地面移動(dòng)終端發(fā)送信號(hào)。以S頻段發(fā)射天線(xiàn)為例，如圖4所示，天線(xiàn)的頂部是輻射陣列，底部是由固態(tài)功率放大器和帶通濾波器組成的密封模塊。輻射陣列是六邊形平面陣列結(jié)構(gòu)，其中單元呈等邊三角形排列。密封模塊放置在波束形成器上方的散熱器上。具有16層結(jié)構(gòu)的模擬波束形成器呈圓形排列，其多波束形成策略是利用功率分配器和功率合路器組成的射頻波束形成網(wǎng)絡(luò)，形成16個(gè)波束。

圖3 全球星系統(tǒng)Fig.3 Globalstar system

圖4 全球星系統(tǒng)發(fā)射天線(xiàn)Fig.4 The transmitting antenna of the Globalstar system

第一代低軌星載多波束相控陣天線(xiàn)工作在L/S等較低頻段，帶寬較窄；采用模擬波束形成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)固定波束覆蓋，且波束數(shù)量一般不超過(guò)16個(gè)。

1.2 第二代低軌星載多波束相控陣天線(xiàn)

新銥星公司于2007年提出的銥星二代(Iridium NEXT)計(jì)劃是第二代銥星系統(tǒng)，可以提供高質(zhì)量的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信[10]。它由66顆LEO衛(wèi)星和另外9顆在軌備用衛(wèi)星以及6顆地面?zhèn)浞菪l(wèi)星組成。銥星二代的軌道參數(shù)與銥星的軌道參數(shù)是一致的。

如圖5所示，衛(wèi)星的主任務(wù)天線(xiàn)是一個(gè)L頻段由120個(gè)單元組成的平板相控陣天線(xiàn)，可產(chǎn)生48個(gè)發(fā)射和接收波束，用于與用戶(hù)終端通信。同時(shí)，每顆衛(wèi)星還使用兩個(gè)Ka波段饋線(xiàn)鏈路天線(xiàn)生成兩個(gè)20/30 GHz的可移動(dòng)波束以與地面網(wǎng)關(guān)相連接。此外，該系統(tǒng)還支持星間鏈路功能，可通過(guò)兩個(gè)固定天線(xiàn)和兩個(gè)可動(dòng)天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)同一軌道前后及相鄰軌道平面左右共4顆衛(wèi)星之間的通信連接。

2010年開(kāi)始建設(shè)的全球星二代(Globalstar-2)[11]是第二代全球星系統(tǒng)，它繼承了全球星的關(guān)鍵技術(shù)，采用了相似的平臺(tái)，并仍然采用收發(fā)分開(kāi)的固定多波束相控陣天線(xiàn)體制。如圖6所示，為了增加在軌壽命(從Globalstar-1的7.5年增加到Globalstar-2的15年)和降低成本，S頻段發(fā)射天線(xiàn)采用了半有源相控陣天線(xiàn)，即發(fā)射天線(xiàn)采用兩個(gè)無(wú)源多面圓頂天線(xiàn)(TX10、TX6)組成16個(gè)波束和一個(gè)多端口放大器提供信號(hào)放大。中心波束1由TX10的喇叭生成。此外，TX10的其余9個(gè)輻射面形成9個(gè)波束，TX6的6個(gè)輻射面(每個(gè)輻射面有8個(gè)單元)在中間形成6個(gè)波束。此外，多端口功率放大器可以實(shí)現(xiàn)波束之間的功率調(diào)節(jié)。接收天線(xiàn)仍采用L波段有源16波束相控陣天線(xiàn)。接收天線(xiàn)由52個(gè)單元間距為0.6波長(zhǎng)的輻射單元、濾波器和低噪聲放大器以及波束形成網(wǎng)絡(luò)組成。具有7個(gè)多層板的模擬波束成形網(wǎng)絡(luò)能夠使用3 dB混合分配器來(lái)提供低色散波束成形性能。

圖5 銥星二代系統(tǒng)Fig.5 Iridium NEXT system

圖6 全球星二代系統(tǒng) Fig.6 Globalstar-2 system

第二代低軌星載多波束相控陣天線(xiàn)仍然工作在L/S等較低頻段；采用模擬波束形成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)固定波束覆蓋，單副天線(xiàn)產(chǎn)生的最大波束數(shù)量增加到48個(gè)。

1.3 第三代低軌星載多波束相控陣天線(xiàn)

2015年，美國(guó)SpaceX公司提出了大規(guī)模巨型星座計(jì)劃Starlink，其目標(biāo)是為全球提供高速、低時(shí)延寬帶接入服務(wù)[12-13]。Starlink星座由分布在 550km 處的 4409 顆衛(wèi)星和分布在 340km 高度處的 7518 顆衛(wèi)星組成。截至2022年9月15日，SpaceX已經(jīng)發(fā)射了 3293 顆衛(wèi)星，其中包含兩顆試驗(yàn)衛(wèi)星，最近一次發(fā)射發(fā)生在2022年9月11日，將34顆衛(wèi)星發(fā)射到低地球軌道上。

渠道混凝土襯砌施工，采用伸縮縫分塊的方式進(jìn)行，渠底與渠坡可采用跳倉(cāng)澆筑的方式進(jìn)行施工，施工單位在施工過(guò)程中，可根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化施工澆筑次序。

Starlink衛(wèi)星部署的Ku頻段多波束相控陣天線(xiàn)代表了民商用通信衛(wèi)星相控陣天線(xiàn)的最新水平，它采用了跳波束覆蓋技術(shù)，并于2019年實(shí)現(xiàn)了在軌應(yīng)用。如圖7所示，相控陣天線(xiàn)采用由內(nèi)向外逐漸稀布的方式。它采用瓦片式構(gòu)架, 總體來(lái)說(shuō)分為4層，包括天線(xiàn)陣面層，映射層，多工饋電層和波束形成層。波束形成部分使用僅包含移相器的 8 通道 8 波束多功能芯片，這可以降低芯片成本、尺寸和功耗。在該方案中，多個(gè)天線(xiàn)波束和相位掃描功能由多功能芯片實(shí)現(xiàn)，振幅加權(quán)由陣列排列實(shí)現(xiàn)。

圖7 Starlink系統(tǒng)Fig.7 Starlink system

OneWeb星座是美國(guó)OneWeb公司建設(shè)的新一代寬帶低軌衛(wèi)星星座通信系統(tǒng),其目標(biāo)是能夠向全球提供無(wú)縫且價(jià)格適宜的的寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)[12,14]。根據(jù)OneWeb衛(wèi)星公司于2021年1月向FCC提交的申請(qǐng)文件，OneWeb星座布局設(shè)計(jì)應(yīng)該包括6372顆低軌衛(wèi)星和1280顆中地球軌道衛(wèi)星。

每顆衛(wèi)星能夠產(chǎn)生16個(gè)Ku頻段橢圓形用戶(hù)波束和兩個(gè)Ka頻段饋電波束，可以靈活地對(duì)地面特定區(qū)域進(jìn)行連續(xù)覆蓋。如圖8(b)和圖8(c)所示，用戶(hù)鏈路天線(xiàn)采用一個(gè)由16個(gè)線(xiàn)型饋源組成的Ku無(wú)源多波束相控陣天線(xiàn)，來(lái)形成16個(gè)長(zhǎng)橢圓形狀固定波束。該天線(xiàn)采用了緊湊型模擬波束形成網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)金屬輻射器的兩個(gè)極化進(jìn)行饋電。此外，該天線(xiàn)還采用了一種刀片型天線(xiàn)外形設(shè)計(jì)以滿(mǎn)足衛(wèi)星對(duì)質(zhì)量和成本的限制。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)眾多單位也積極開(kāi)展了低軌通信衛(wèi)星試驗(yàn)系統(tǒng)的研制[15-16]。例如中國(guó)航天科技集團(tuán)的鴻雁星座包含864顆衛(wèi)星，其中72顆為L(zhǎng)頻段窄帶系統(tǒng)，提供話(huà)音業(yè)務(wù)；792顆為Ka頻段寬帶系統(tǒng)，提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[15]。中國(guó)航天科工集團(tuán)虹云星座包含156顆衛(wèi)星組成的Ka頻段寬帶低軌衛(wèi)星星座；行云星座包含80顆衛(wèi)星，提供窄帶物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。中電科集團(tuán)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)天象星座包含60顆綜合星和60顆寬帶星的星座系統(tǒng)。2021年4月26日，中國(guó)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司成立，其向ITU提交了兩個(gè)低軌衛(wèi)星星座的頻譜申請(qǐng)[16]，總計(jì)衛(wèi)星數(shù)量高為12992顆，這標(biāo)志著我國(guó)低軌衛(wèi)星星座正式進(jìn)入如火如荼的發(fā)展階段。此外，國(guó)內(nèi)眾多民營(yíng)商業(yè)航天公司，如銀河航天和九天微星等，也在進(jìn)行低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)。

其中，如圖9所示，在中國(guó)航天科技集團(tuán)研制的鴻雁星座通信系統(tǒng)中，采用Ka頻段4波束相控陣天線(xiàn)，從而形成4個(gè)獨(dú)立發(fā)射波束和4個(gè)獨(dú)立接收波束，并且在軌成功驗(yàn)證了跳波束寬帶通信技術(shù)。

圖8 OneWeb系統(tǒng)Fig.8 OneWeb system

圖9 鴻雁首發(fā)星Fig.9 Hongyan satellite

第三代低軌星載多波束相控陣天線(xiàn)主要工作在Ku和Ka頻段，并有望朝著Q/V等更高頻方向發(fā)展；目前主要采用模擬波束形成技術(shù)，但數(shù)字波束形成技術(shù)是其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)；跳波束覆蓋方式逐漸取代固定波束覆蓋方式以實(shí)現(xiàn)靈活覆蓋。

2 星載相控陣天線(xiàn)的多波束形成技術(shù)

波束形成網(wǎng)絡(luò)是星載多波束相控陣天線(xiàn)的關(guān)鍵，其核心是多波束形成技術(shù)。按照波束形成方式來(lái)劃分，多波束形成技術(shù)包括模擬波束形成、數(shù)字波束形成和光控波束形成3種，其中模擬波束形成技術(shù)是目前星載多波束相控陣天線(xiàn)最常用的一種方式。

模擬波束形成技術(shù)[9,17]具有寬帶、損耗小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是隨著波束數(shù)量的增加， 天線(xiàn)系統(tǒng)付出的代價(jià)也隨之成倍增加，因而在實(shí)際工程中難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的波束數(shù)量。模擬波束形成網(wǎng)絡(luò)主要可以劃分為兩種類(lèi)型，即電路式和移相器式模擬波束形成網(wǎng)絡(luò)。早期的模擬波束形成網(wǎng)絡(luò)主要是電路式模擬波束形成網(wǎng)絡(luò)，最有代表性的便是Butler矩陣和Blass矩陣[18]。例如，Iridium系統(tǒng)中的星載多波束相控陣天線(xiàn)就采用了模擬波束形成網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由8個(gè)16x16 Butler矩陣組成，這些矩陣依次由10個(gè)8x8正交Butler矩陣饋送，可用于形成16個(gè)接收/發(fā)射波束[1,2]。后來(lái)，移相器式模擬波束形成網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始出現(xiàn)并廣泛應(yīng)用到星載領(lǐng)域。它使用移相器和衰減器來(lái)調(diào)整單元信號(hào)的幅度和相位，并利用功率分配及合成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)波束信號(hào)的分配和合成[9]。例如，Globalstar系統(tǒng)中的星載多波束相控陣天線(xiàn)便是使用移相器式模擬波束形成網(wǎng)絡(luò)形成了16個(gè)波束[3]。此外，隨著電磁超材料技術(shù)的發(fā)展，超表面微帶陣多波束技術(shù)作為一種模擬波束形成方案，在星載應(yīng)用領(lǐng)域也具有一定的應(yīng)用前景[19-20]。

數(shù)字波束形成技術(shù)[21-22]是一種使用專(zhuān)用集成電路(ASIC)或現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和運(yùn)算來(lái)形成多個(gè)波束的空間濾波方法，其最顯著的優(yōu)點(diǎn)是能夠產(chǎn)生大規(guī)模的波束，這是因?yàn)閿?shù)字波束形成網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重和功耗僅取決于信號(hào)帶寬和輻射組件的數(shù)量，與波束數(shù)量無(wú)關(guān)。但是受限于數(shù)字采樣芯片采樣速率，特別是星載應(yīng)用，目前主要用于帶寬較窄的低頻段。迄今為止，數(shù)字波束形成技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在為中軌道運(yùn)行的 ICO 衛(wèi)星系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的 S 波段 163 波束接收和發(fā)射相控陣天線(xiàn)中[23]。Satixfy公司也已經(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 ASIC 芯片，并將之命名為Prime[21]。此外，數(shù)字波束形成技術(shù)有望在OneWeb,Telesat和O3bmpower星座的后續(xù)發(fā)射計(jì)劃中得以應(yīng)用[12,24]。

光控波束形成技術(shù)[25-26]采用光纖或光波導(dǎo)作為傳輸線(xiàn)，通過(guò)有序光子真延遲控制實(shí)現(xiàn)波束掃描，在同時(shí)實(shí)現(xiàn)相控陣天線(xiàn)的寬帶和多波束特性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但仍存在高集成小型化、對(duì)溫度敏感等問(wèn)題。例如，20世紀(jì)90年代, AEHF通信衛(wèi)星相控陣天線(xiàn)在設(shè)計(jì)時(shí)就曾論證過(guò)光控波束形成方案，光控波束形成網(wǎng)絡(luò)可以有效增加天線(xiàn)帶寬，提高衛(wèi)星的通信容量,并且具有體積小和多波束實(shí)現(xiàn)容易的優(yōu)點(diǎn)，但其重量略重。AEHF通信衛(wèi)星相控陣天線(xiàn)最終選擇了模擬波束形成方案[27]。近年來(lái)，光控相控陣天線(xiàn)地面應(yīng)用已漸趨成熟，各國(guó)正大力開(kāi)展星載高頻寬帶通信應(yīng)用及相關(guān)光電子器件的空間試驗(yàn)研究[28-29]。

3 低軌星載多波束相控陣天線(xiàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

星載多波束相控陣天線(xiàn)是低軌通信衛(wèi)星系統(tǒng)的核心載荷之一，但也存在設(shè)計(jì)難度大、關(guān)鍵技術(shù)尚待解決等缺點(diǎn)。低軌星載多波束相控陣天線(xiàn)的主要關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)在以下4個(gè)方面。

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

高密度集成相控陣天線(xiàn)的實(shí)現(xiàn)主要有“磚塊”架構(gòu)、 “瓦片”架構(gòu)和“磚瓦混合”架構(gòu)3種[30-31]，如圖10所示。磚塊架構(gòu)指在相控陣天線(xiàn)結(jié)構(gòu)中，微波電路模塊的集成方式與陣面垂直，瓦片架構(gòu)則是指在相控陣天線(xiàn)結(jié)構(gòu)中微波電路的以多層集成方式平行于陣列表面。磚塊架構(gòu)縱向空間大，集成裝配難度小，易于散熱，更適合熱耗較大的寬帶相控陣天線(xiàn)應(yīng)用，但體積大，難以實(shí)現(xiàn)低剖面目標(biāo)。而瓦片架構(gòu)縱向空間小，易于實(shí)現(xiàn)低剖面目標(biāo)和輕量化，易于與平臺(tái)共形，成本低，但其較小的空間對(duì)熱控管理提出了更高的要求，工作帶寬相對(duì)較窄。磚瓦混合架構(gòu)的頂端部分和底端部分為瓦片架構(gòu)，中間部分為磚塊架構(gòu)。它既可以有效降低陣列高度，又可以滿(mǎn)足功耗較大的高密度集成相控陣天線(xiàn)，其剖面高度介于磚塊架構(gòu)和瓦片架構(gòu)中間。如何實(shí)現(xiàn)低剖面多波束相控陣天線(xiàn)架構(gòu)是星載多波束相控陣天線(xiàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

圖10 相控陣天線(xiàn)架構(gòu)示意圖Fig.10 Schematic diagram of phased array antenna architecture

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(xiàn)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(xiàn)單元的間距約為半個(gè)波長(zhǎng)，如果天線(xiàn)工作在X頻段(10GHz),則它的單元間距約為15mm；若天線(xiàn)工作在Ka頻段(30GHz)時(shí)，則它的單元間距約為5mm?？梢?jiàn)Ka頻段相控陣天線(xiàn)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(kāi)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(xiàn)高密度集成的有效途徑之一[31-32]，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(xiàn)，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(xiàn)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)

隨著多個(gè)低軌星座的部署，不同星座之間的干擾、星座內(nèi)不同衛(wèi)星的干擾、同一衛(wèi)星多個(gè)波束間的干擾等衛(wèi)星通信干擾問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重?？梢?jiàn)，抗干擾技術(shù)是提高衛(wèi)星通信安全性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)[33]。如圖12所示，對(duì)于星載相控陣天線(xiàn)，現(xiàn)階段主要的抗干擾手段包括空域波束自適應(yīng)調(diào)零、頻域?yàn)V波、時(shí)/頻信號(hào)窄帶干擾消除以及空時(shí)/空頻聯(lián)合信號(hào)處理等。美國(guó) Starlink 衛(wèi)星便采用了基于空時(shí)頻資源調(diào)度的抗干擾手段，其搭載的相控陣天線(xiàn)可以通過(guò)對(duì)波束和頻率的靈活調(diào)度來(lái)規(guī)避多個(gè)衛(wèi)星的共線(xiàn)干擾，顯著提升頻譜資源利用率。研究抗干擾技術(shù)對(duì)于未來(lái)星載多波束相控陣天線(xiàn)應(yīng)對(duì)多維度干擾來(lái)源具有重要意義。

圖11 多通道集成的有源相控陣天線(xiàn)設(shè)計(jì)框圖[31]Fig.11 Design block diagram of multi-channel integrated active phased array antenna[31]

圖12 星載相控陣天線(xiàn)的主要抗干擾手段Fig.12 Main anti-jamming methods of spaceborne phased array antenna

3.4 多波束相控陣天線(xiàn)快速測(cè)試技術(shù)

天線(xiàn)測(cè)試是多波束相控陣天線(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中最重要的組成部分。如表1所示，在測(cè)試多波束相控陣天線(xiàn)的過(guò)程中，首先要將相控陣天線(xiàn)的典型多波束遠(yuǎn)場(chǎng)指標(biāo)測(cè)試流程分解為多個(gè)測(cè)試項(xiàng)目，然后每一測(cè)試項(xiàng)目又分解為數(shù)個(gè)與測(cè)試頻率和驗(yàn)證角度相關(guān)的測(cè)試操作點(diǎn)；每一測(cè)試操作點(diǎn)都需反復(fù)操作轉(zhuǎn)臺(tái)、波束控制系統(tǒng)、天線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)使其協(xié)同工作[34-35]。因此，多波束相控陣天線(xiàn)在測(cè)試過(guò)程中具有測(cè)試波位多，測(cè)試量大的特點(diǎn)。如何快速準(zhǔn)確地對(duì)相控陣天線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量也成為其關(guān)鍵技術(shù)之一。

表1 某有源平板縫隙相控陣天線(xiàn)的多波束測(cè)試流程[34]

4 低軌星載多波束相控陣天線(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)

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(xiàn)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(xiàn)的工作頻率開(kāi)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[36]。

表2 下一代 Q/V 波段低軌衛(wèi)星星座計(jì)劃Tab.2 Next-generation Q/V-band low-erath-orbit satellite constellation plans

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(xiàn)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)[21-22]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[21]。 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(xiàn)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(hù)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(xiàn)逐漸開(kāi)始采用跳波束覆蓋方式[37]，比如鴻雁星座和Starlink星座上搭載的多波束相控陣天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)主要采用收發(fā)共用和收發(fā)分離兩種天線(xiàn)體制，收發(fā)分離的天線(xiàn)形式對(duì)相控陣天線(xiàn)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(xiàn)則展現(xiàn)出明顯的空間優(yōu)勢(shì)[38]。將收發(fā)共口徑天線(xiàn)應(yīng)用于低軌衛(wèi)星，可極大程度地降低天線(xiàn)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)[13]。

5 結(jié)論

國(guó)外對(duì)星載多波束相控陣天線(xiàn)的研究起步早，發(fā)展較為成熟，已在低軌衛(wèi)星星座領(lǐng)域取得了一定的成果。近年來(lái)，我國(guó)也逐漸開(kāi)展了一系列低軌衛(wèi)星星座建設(shè)工作，但總體來(lái)說(shuō)，星載多波束相控陣天線(xiàn)的技術(shù)水平與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家依然存在一定的差距。目前，星載多波束相控陣天線(xiàn)在低剖面架構(gòu)設(shè)計(jì)、高密度集成有源通道設(shè)計(jì)、抗干擾技術(shù)以及天線(xiàn)快速測(cè)試技術(shù)等方面仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。毫米波頻段、數(shù)字相控陣、跳波束覆蓋、收發(fā)共口徑以及陣列稀疏化等是未來(lái)低軌星座多波束相控陣天線(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)低軌衛(wèi)星星座的發(fā)展具有重要意義。