低轨星座多波束相控阵天线研究进展与发展趋势（2）

星载多波束相控阵天线采用模拟、数字和光控三种技术，模拟波束形成成本低但波束数量增加成本上升，数字波束形成灵活但受限于频率，光控波束形成体积小但重量重。低轨设计的关键技术包括低剖面架构设计、高密度有源通道设计、抗干扰技术和快速测试技术。未来趋势显示，频率向高频发展，波束形成技术转向数字，波束覆盖转向跳波束，相控阵朝共用和稀疏化方向发展。

2、星载相控阵天线的多波束形成技术

波束形成网络是星载多波束相控阵天线的关键,其核心是多波束形成技术。按照波束形成方式来划分,多波束形成技术包括模拟波束形成、数字波束形成和光控波束形成 3 种其中模拟波束形成技术是目前星载多波束相控阵天线最常用的一种方式。
模拟波束形成技术[9,17]具有宽带、损耗小、成本低等优点,但是随着波束数量的增加，天线系统付出的代价也随之成停增加，因而在实际工程中难以实现大规模的波束数量。模拟波束形成网终主要可以划分为两种类型，即电路式和移相器式模拟波束形成网络。早期的模拟波束形成网络主要是电路式模拟波束形成网终，最有代表性的便是 Butler矩阵和 Blass 矩阵8]。例如,Iridium 系统中的星载多波束相控阵天线就采用了模拟波束形成网终，该网络由 8个 16x16 Butler 矩阵组成,这些矩阵依次由 10 个8x8 正交 Butler 矩阵馈送,可用于形成 16个接收/发射波束[,2]。后来,移相器式模拟波束形成网络开始出现并广泛应用到星载领域。它使用移相器和衰减器来调整单元信号的幅度和相位，并利用功率分配及合成网络实现波束信号的分配和合成[。例如,Globalstar 系统中的星载多波束相控阵天线便是使用移相器式模拟波束形成网终形成了 16个波束3]。此外,随着电磁超材料技术的发展,超表面微带阵多波束技术作为一种模拟波束形成方案,在星载应用领域也具有一定的应用前景[19-20]。

数字波束形成技术[21-22] 是一种使用专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)对基带信号进行加权求和运算来形成多个波束的空间滤波方法，其最显著的优点是能够产生大规模的波束这是因为数字波束形成网终的权重和功耗仅取决于信号带宽和辐射组件的数量,与波束数量无关但是受限于数字采样芯片采样速率,特别是星载应用,目前主要用于带宽较窄的低频段。迄今为止数字波束形成技术已经应用在为中轨道运行的 ICO卫星系统开发的 S 段 163 波束接收和发射相控车天线中[23]。Satixfy 公司也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 ASIC 芯片,并将之命名为 Prime[21]此外,数字波束形成技术有望在 OneWeb,Telesat 和03bmpower 星座的后续发射计划中得以应用[12,24]。

光控波束形成技术[25-26] 采用光纤或光波导作为传输线，通过有序光子真延迟控制实现波束扫描.在同时实现相控阵天线的宽带和多波束特性方面具有显著优势，但仍存在高集成小型化、对温度敏感等问题。例如,20 世纪 90 年代，AEHF 通信卫星相控阵天线在设计时就曾论证过光控波束形成方案.光控波束形成网终可以有效增加天线带宽.提高卫星的通信容量,并且具有体积小和多波束实现容易的优点，但其重量略重。AEHF 通信卫星相控阵天线最终选择了模拟波束形成方案[27]。近年来,光控相挖阵天线地面应用已 渐趋成熟，冬国正大力开展星载高频宽带通信应用及相关光电子器件的空间试验研究。

3、低轨星载多波束相控阵天线设计的关键技术
星载多波束相控阵天线是低轨通信卫星系统的核心载荷之一,但也存在设计难度大、关键技术尚待解决等缺点。低轨星载多波束相控阵天线的主要关键技术体现在以下 4 个方面。

3.1 低剖面多波束相控阵天线系统架构设计技术

高密度集成相控阵天线的实现主要有“砖块架构、“瓦片”架构和“砖瓦混合”架构 3 种30-31]如图 10 所示。砖块架构指在相控阵天线结构中，微波电路模块的集成方式与阵面垂直,瓦片架构则是指在相控阵天线结构中微波电路的以多层集成方式平行于阵列表面。砖块架构纵向空间大,集成装配难度小,易于散热,更适合热耗较大的宽带相控阵天线应用,但体积大,难以实现低剖面目标。而瓦片架构纵向空间小,易于实现低剖面目标和轻量化,易于与平台共形,成本低,但其较小的空间对热控管理提出了更高的要求，工作带宽相对较窄。砖瓦混合架构的顶端部分和底端部分为瓦片架构，中间部分为砖块架构。它既可以有效降低阵列高度又可以满足功耗较大的高密度集成相控阵天线,其剖面高度介于砖块架构和瓦片架构中间。如何实现低剖面多波束相控阵天线架构是星载多波束相控阵天线设计的关键技术。

3.2 高密度集成有源通道设计技术

3.3 多波束相控阵抗干扰技术

在多波束相控阵天线的生产流程中，天线测试环节占据着核心地位。如表1所示，在测试多波束相控阵天线的过程中，首先将多波束相控阵天线的典型远场指标测试流程划分为若干具体测试环节，每个环节又细分为与测试频率和验证角度相关的多个测试点。每个测试点都需要反复操作转台、波束控制系统和天线测试系统，使其协同工作[34-35]。这种测试方法具有多方位、高容量的特点。提高相控阵天线的测量效率和精度成为该技术领域研究的重点。

4、低轨星载多波束相控阵天线的发展趋势
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向更高频段延伸，其中 Ku 和 Ka 频段的使用标志着技术的重大进步，并进一步向 O/V 等毫米波频段发展，这些频段不仅能够提供更高的工作频率，还能实现更宽的通信带宽。参考表 2，可以看出，OneWeb、Boeing、SpaceX 和 Telesat 等主要航天公司已纷纷启动了下一代 Q/V 波段低轨卫星星座的规划项目[36]。

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

4.3波束覆盖方式从固定波束覆盖向跳波束覆盖转变

4.4相控阵天线朝着收发共口径、稀疏化方向发展