通信卫星多波束天线的发展现状及建议

多波束天线是应近代卫星通信容量的快速增长及多目标区域通信的发展需求而出现的，它向空间辐射的电磁波由多个点波束组成，并且每一个波束都有一个对应的输入（输出） 通道。通信卫星上采用多点波束天线威廉希尔官方网站 可以通过空间隔离来实现多次频率复用和极化复用，从而成倍地提高通信卫星容量，成为今后星载天线领域研究的重点方向。

1 通信卫星多波束天线的应用状况

随着通信业务需求的迅猛增长，地球同步轨道（ GEO） 上的高通量卫星系统已成为当今空间通信威廉希尔官方网站 领域的一大研究热点，星载天线作为该系统的关键组成部分，采用多波束方案是应对这一挑战的有力措施 此外，由于多波束天线（ MBA） 在波束形成波束重构和波束扫描方面具有相当的灵活性，以及抗干扰能力等突出特点，使得这类天线在中/低轨道（ MEO/LEO） 通信卫星领域也得到了较为广泛的应用。

1.1 星载反射面多波束天线

反射面天线与相控阵天线透镜天线相比，具有重量轻结构简单英国威廉希尔公司网站 成熟性能优良等优点。为了在星上产生更多高增益低副瓣的点波束，通常需要电大口径的星载天线，而反射面则是目前实现多波束这一性能的最佳方案。

反射面多波束天线的馈源通常由多个喇叭单元组成，其波束的形成方式可分为基本型成束法和增强型成束法两类，但近些年来国际上更倾向于称之为每束单馈源（ SingleFeedper Beam，SFB） 和每束多馈源（ MultipleFeedper Beam，MFB）。

上述两种方法有各自的优缺点：SFB相对简单高效，反射面数量较多费用大；MFB对波束数目和形状进行灵活控制，对于不规则区域的覆盖具有明显优势，只要两个反射面就能分别实现对数据的收发，节约卫星表面空间，安装相对方便，且各波束的指向误差相对较小 。

处于GEO上的移动通信卫星通常采用的是L/S频段的反射面多波束天线 由于这两个频段处于微波低频端，波长相对较长，GEO卫星通常采用螺旋天线做馈源的阵元，但馈源阵的体积依然较大，如Alphasat-I-XL卫星的L频段馈源阵尺寸就超过2m。

在Ku/Ka频段，因为波长比较短，馈源便于小型化设计，所以SFB和MFB成束方式均适合于这两个频段。

1.2 星载相控阵多波束天线

相控阵天线可以通过对相位和幅度的调整来实现对波束形状的改变，波束扫描，以及波束间功率的分配，通过使用自适应调零的抗干扰威廉希尔官方网站 ，可以大大

提高通信卫星的空间生存能力 此外，相控阵天线相对于反射面天线来说，具有低轮廓的特性，便于卫星的发射相控阵天线可以分为无源相控阵和有源相控阵。

无源相控阵天线仅有一个中央发射机和一个接收机，发射机产生的高频能量由计算机自动分配给天线的各个辐射单元，目标反射信号经接收机统一放大，如图4所示。

有源相控阵天线的每个辐射单元都单独配备有一个T/Ｒ模块，如图5所示 。每个单元都能独自产生和接收电磁波，当少量T/Ｒ模块失效时，并不会对相控阵天线的性能产生太大影响，而且有源阵天线在带宽信号处理和冗余度设计上都比无源相控阵有明显的优势，因此，在L/S/X频段的星载相控阵多波束天线基本都采用有源阵方式，如表2所示。

2.3 星载透镜式多波束天线

透镜天线是几何光学原理在无线电频率范围的一种应用 与反射面天线相比，多波束透镜天线的优点在于有更大的设计自由度，具有很好的旋转对称性，保留了良好的光学特性，无口径遮挡，但这类天线在低频段也具有重量大，损耗大等致命缺点，导致其在星上应用严重受限。而随着研究频段向毫米波和亚毫米波的推进，波长的缩短为小型化透镜天线的发展带来了希望，欧洲国家也将更多的目光投向该领域。

2.4 不同轨道通信卫星多波束天线配置的选择

对于GEO通信卫星，由于所处轨道高，传输路径长，路径损耗大，要求用更窄波束来提高星载天线增益，所以一般采用反射面方案，但也有少数军用通信卫星开始采用相控阵天线配置，见表3：

对于采用MFB成束方式的GEO卫星多波束天线来说，通常采用单块大口径反射面天线，口径一般超过10m，第四代通信卫星口径则更大 如美国劳拉公司研制的TeereStar-1，作为世界上首颗可以与地面手持终端直接通信的卫星，星上采用的是直径达18m的超大型S频段金属网反射面天线，而美国SkyTerra-/-2的天线口径更是达到了22m。

对于LEO通信卫星，由于轨道低，星上的用户端天线传输距离短，具有比GEO卫星更小的自由空间损耗，因此，从增益上来讲，反射面和相控阵配置都适合该轨道卫星 但由于卫星轨道太低，视角宽，要求天线具备较大扫描角，而反射面天线在这方面难以胜任，因此，到目前为止，该轨道上的卫星一般都采用相控阵配置，如处于LEO上的美国Iridium/-NEXT星座，其每颗卫星上都安装有三块工作于L频段的有源相控阵天线，每块相控阵均能产生16个波束 。

如处于MEO上的欧洲O3b星座，每颗卫星则是采用12副Ka频段可控反射面

天线，可以形成12个点波束。此外，处于MEO轨道的ICO星座，其卫星上采用两副反射面天线，可形成163个点波束。

2.5 多波束天线的波束形成威廉希尔官方网站

波束形成威廉希尔官方网站 主要用于赋形波束和多波束天线，在波束形成网络（ BFN） 的基础上来实现所需要的波束，该威廉希尔官方网站 按照其实现的方式不同可分为interwetten与威廉的赔率体系 波束形成和数字波束形成。

模拟波束形成威廉希尔官方网站 是通过功率分配器和移相器分别来调整各个输出端口的振幅和相位，在单口径天线中采用模拟波束形成威廉希尔官方网站 可以获得较好的增益和旁瓣性能。数字波束形成威廉希尔官方网站 主要是完成信号采样信道化正交化波束形成处理幅相一致性调整和数模转换等功能 该威廉希尔官方网站 相对于模拟波束形成威廉希尔官方网站 来说，最大的优点在于，其功耗和重量取决于总处理的带宽和辐射部件的数目，与波束的数目无关。此外，该威廉希尔官方网站 便于实现对由于网络器件引起的相位误差和幅度误差进行校正和补偿，在波束形成上也更具灵活性，这在很大程度上能够适应下一代高通量通信卫星多波束天线的发展要求 。

3 通信卫星多波束天线的发展趋势

近十年来，国际上对Ka频段高通量卫星的需求非常迫切就目前看来，Ku频段下的威廉希尔官方网站 已经非常成熟，Ka频段正在成为国内外研究的热点，而亚毫米波频段则是星载多波束天线进一步研究的方向。随着研究频段的进一步提高，对透镜波导阵列及准光学波束形成网络的研究越来越受到关注。

在反射面天线方面，对于Ka频段的通信卫星，其反射面将从当前的单一固面结构形式向可展开式网状反射面形式拓展，甚至在AＲTES5项目框架内还考虑将固面与网状相结合构造大型Ka反射面。而在L/S频段，为了满足GEO移动通信卫星天线增益的要求，星上通常采用超过10米的大型可展开式反射面天线，而在第四代及后续同类卫星上天线的口径将会更大。中国空间威廉希尔官方网站 研究院西安分院作为国内最具实力的星载天线研制单位，几年前也专门成立了相关课题组来对大型可展开式天线开展威廉希尔官方网站 攻关性研究，并已开始陆续在最新的移动通信卫星上开展应用。

在相控阵多波束天线方面，随着单片式微波集成电路（MMIC）威廉希尔官方网站 的发展，固态功率放大器低噪声功率放大器等微波有源器件都将有望逐步做到辐射元的水平，这将推动Ka频段的相控阵天线逐步从无源走向有源 而随着有源器件小型化，功耗控制及热控威廉希尔官方网站 的进步，相控阵的功率也将越来越大，千瓦级高功率的相控阵有望在后续的通信卫星上获得现实的应用 此外，将微波集成威廉希尔官方网站 与光控威廉希尔官方网站 的有机结合，采用扫描平面反射阵威廉希尔官方网站 对于未来通信卫星相控阵天线的发展来说都是非常具有吸引力的 至于国内的星载相控阵天线，最早是在“神舟”飞船上对搭载的L频段螺旋阵元相控阵天线威廉希尔官方网站 成功进行过验证，近年来又在着手对星载Ka频段有源相控阵天线的子阵开展研究2014年，随着这颗由清华大学联合信威集团（这也是一个有故事的公司，尤其是在股票市场）研制的“灵巧”通信试验卫星升空，标志着我国正式开始在低轨道上对通信卫星相控阵开展威廉希尔官方网站 验证，可见相控阵威廉希尔官方网站 在国内卫星通信威廉希尔官方网站 领域同样备受关注。

4 对我国通信卫星多波束天线的发展建议

国外对星载多波束天线的研究起步早，投入力量大，科研成果丰硕，并在通信卫星的应用领域获得了优异的表现。近年来，我国在这方面也开展了较多的研究工作，但总体来说，星载多波束天线的威廉希尔官方网站 水平与欧美国家依然存在较大差距 为此，在这对我国未来通信卫星多波束天线的发展提出以下建议：

（1）在L/S频段反射面方面，为了进一步提高波束复用率和C/I值，增大卫星的通信容量，应该加大对馈源双圆极化的研究力度 同时，提高星上的数字波束形成威廉希尔官方网站 水平，与矩阵功率放大（MPA）威廉希尔官方网站 相结合，提高功率分配的灵活性。采用地基波束形成威廉希尔官方网站 ，减轻空间环境对卫星的影响研制更大口径的反射面，为发展我国甚小口径终端（ VSAT）创造条件

（2）在L/S频段相控阵方面，为建设我国未来的低轨道移动通信卫星星座，应该着力开发有源相控阵威廉希尔官方网站 ，并引入数字波束形成威廉希尔官方网站 ，以满足低轨卫星的宽角度扫描及抗干扰的要求

（3）在当前大力开发的Ka频段，鉴于国内外在有源器件方面研发进度相对滞后，且有源阵的幅相一致性校准难度大，建议先将对多波束天线的研究重点放在无源方面 而随着我国电推进威廉希尔官方网站 逐步在通信卫星平台的应用，通信卫星正在经历瘦身，由于采用全电推进威廉希尔官方网站 的卫星整星重量一般不超过3吨，未来有望出现更多中型通信卫星，此外，市场的需求也将催生更多混合频段多功能的大型通信卫星，而这两类卫星的发展对天线载荷的体积和数量提出了限制 因此，建议我国在注重对多馈源多口径天线研发的同时，加大对多馈源单口径多波束天线的研发力度。

责任编辑：haq