星载多波束相控阵馈电反射面天线研究

摘要

星载型宽频多波束射频技术是当前卫星通信领域的重要突破性进展之一

关键词： 反射面天线 ; 多波束天线 ; 相控阵 ; 低成本

0 引言

该卫星通信系统具备广泛的应用潜力，在多个关键领域展现出显著优势：它不仅能在大范围内提供稳定的通信服务，在传输距离上也比其他技术更为出色；此外，在组网效率方面也表现出了显著提升。系统还能够在海洋、山区以及高原等地实现了几乎无缝隙的连接，在不同类型的用户之间提供了高度一致的服务保障。这使得它在商用领域具有重要意义。

卫星研制周期较长且成本高昂；然而由于在轨运行期间市场需求的变化日益复杂难以预测；因此希望对卫星的功率、频谱、覆盖范围以及带宽等资源进行灵活使用与优化，并根据具体情况作出相应调整；必要时可以根据用户的使用需求进行相应的调整与优化。

通过具备调节灵活性的数字信号转换模块以及配备多个独立控制通道的高性能射电天线系统，在入轨后可根据实时需求完成卫星参数设置工作。该系统能够支持多种通信参数（包括覆盖范围、传输容量、数据路由策略以及工作频段）的不同组合配置模式，并根据实际应用场景动态优化性能指标。综上所述，在设计高精度通信系统时必须重点考虑支持多波束同步调度的技术架构作为其核心保障机制。

该类卫星多波束天线主要分为直射型、透镜型和反射型三种基本类型。

该系统由多个天线单元组成，在波束成形网络的调控下向每个天线单元施加所需的幅度与相位信息以实现形状多样的赋形波束。其优点在于能够灵活调节波束数量与形状并支持快速转动功能；但其缺点是系统架构复杂成本高昂目前星上仅较少采用此类有源T/R组件的技术方案

透镜天线是几何光学原理在无线电频段中的一个应用实例，在多波束设计方面具有显著优势。这种设计不仅扩大了自由度选择，并且保持了高度的旋转不变性和优良的光学特性和无阻挡性。然而，在低频段应用中存在明显局限性问题：设备体积较大且能耗过高导致实际应用受限。为此欧洲航天局正致力于研究离散透镜天线技术并开发新型解决方案：其中一种创新设计采用了内置固态微波放大器的有源透镜结构并采用了非周期性排列方式以提高空间利用率。但该类天线系统目前仍面临关键性能瓶颈：其阵列单元的工作效率仅为15%导致大量能量以热能形式损耗使得散热性能成为一个亟待解决的技术难题

相较于直射型和透镜型的多波束天阵，在结构设计上更为简洁明了，在制造工艺上也更为完善可靠，并且能够显著提升增益的同时将成本支出控制得相对较低。该种技术方案广泛应用于固定多频段覆盖通信系统中以实现高效的信号传输效果。而其馈电系统一般由若干个独立的馈电单元模块组成，并根据需要可选配不同的调制方式以实现精确的方向性指向控制。其波束成形方式主要采用基本型与增强型两种基本模式进行方向性调整以满足不同场景的需求

该体制通过每束单馈源（SFB）实现多波束辐射，并采用多个天线口径形成整体覆盖区域。其核心原理在于将单个馈源照射对应反射面生成独立点波束的方式。该方法具有最为直接且最为简便的特点，在实际应用中能够方便地产生大量独立点波束，并支持灵活配置不同的覆盖范围。由于采用了固定的馈电方式，在不同方向上的极化特性较为稳定，并支持收发器共用以减少系统复杂度。然而该方案也存在一些局限性：首先需要较多反射面组件；其次在采用多个反射面组件进行多色信号复用时会占用较大的卫星表面空间；此外对安装精度和同步调制精度要求较高；最后其在提升系统灵活性方面仍有待改进

增强型成束法体制采用每束多馈源（MFB）的形式达成多组独立的传播方向。通常情况下会选用馈源阵列的布置形式来优化系统性能。借助波束成形网络向各阵列单元施加所需振幅与相位组合信息后，在空间上能够形成不同形状的独立传播方向。每个反射面即可独立完成各组之间隔离并完成赋形处理以保证信号质量。

该系统具备灵活调节波束数量及形态的能力，在覆盖不规则区域方面表现出明显优势。仅需两块或更少反射面即可独立完成收发操作的同时实现了对卫星表面空间的有效节省，并且安装过程较为简便。增强型成束法体制存在两个主要局限性：首先，在满足相同点波束覆盖需求时，MFB所使用的馈源单元数量通常远高于SFB所需数量；尤其当点波束分布分散时这一差距进一步扩大导致馈电网络的复杂度显著提升；其次在功率分配效率方面存在瓶颈必须借助多端口放大器才能实现周围射频通道的功率调配从而影响整体系统的性能表现。

该系统采用了一种创新性设计，在融合传统雷达天线优点的同时实现了多项性能突破

1 相控阵馈电反射面天线

相控阵馈电反射面天Ant 采用了小型相控Ant 作为馈源组件构成了一种新型反射面Ant系统。这种设计基于光学原理通过反射面实现了对初级馈源阵口径的有效放大从而获得了比传统初级馈源更高的增益水平同时降低了工作频段间的失配损耗进而实现了更窄的工作波束宽度这一特点使它既继承了相控Ant灵活多变的特点又避免了传统反射面Ant在成本和技术复杂性上的不足成为了一种高性价比的技术方案。这种技术方案不仅在保证增益需求的前提下实现了有限角度快速扫描功能还具备多波束工作能力。

基于大量国内外相关文献的研究报道可知, 相控阵馈电反射面天线主要包含双工频共焦点型、聚焦型以及单工频扫描型等多种形式。

1.1 共焦相控阵馈电反射面天线

该类天线由相控阵馈源及其配套的一对偏置反射面构成,其主副反射面均位于同一焦点位置上,从而实现信号的有效聚焦特性。由于反射面形状多样,包括抛物面、椭球面对称结构等,因此在具体应用中可根据需求选择合适的几何形式进行设计与优化,其中抛物面对称结构的工作原理如图1所示,D主面代表主反射面对应的投影口径,F主面对应该镜面对应的焦距,D副面对应副镜面对应的投影口径,F副面对应副镜面对对应焦距

近似平面波经相控阵辐射后，在两次反射面上完成了两次反射过程。这一过程实现了两次傅里叶变换的效果：即副向将平面波聚焦于焦点生成球面波；而后球面上产生的波动再次作用于主向时会形成新的平面波动。基于这种镜像关系的影响，在放大后的主反射面上形成了与原设计成比例的空间分布的馈源阵列场分布特性；这样不仅使得整体系统能够呈现出比直射情况下更窄且集中的高增益点状空间功率分布；而且通过适当调节天线加权矩阵即可实现与未经加权情况下的等效主向径向空间响应特性一致的目标；最终能够覆盖所需的扫描远场方向图谱范围。

共焦相控阵馈电反射面天线的孔径放大系数M、天线的增益G为

M=D主面/D相控阵=F主面/F副面 (1)M=D主面/D相控阵=F主面/F副面 (1)

图1

图1共焦相控阵馈电反射面天线为抛物面时的原理****

G=ηM2Ga (2)G=ηM2Ga (2)

式中，Ga为相控阵馈源的孔径增益，M为口径放大系数，η为天线效率。

馈电相控阵基于其扫描角度α与其对应的反射面天线实现的对应扫描角度β之间的关系表征为

α相控阵=Mα反射面 (3)α相控阵=Mα反射面 (3)

通常情况下，在设计相控阵馈源系统时会优先考虑将口径放大系数M设置得较大以减少整体设备尺寸。然而，在实际应用中这一策略并非完美无缺：一方面当M值增大时不仅会导致相应的扫描角也会随之增大从而带来主瓣电平下降副瓣电平显著增强以及成像模糊等问题；另一方面若选择较小的M值虽然能够有效降低波束性能受到的影响但由于此时所需的副反射器尺寸明显高于主反射面尺寸这将导致与平台适装性等相关问题变得复杂起来因此在综合考虑各方面因素后建议采用2.5至3.5之间的折中方案作为合理的优化选择

基于共焦相控阵馈电设计的反射面天线因具有放大口径的特点，在保证较低的成本前提下实现了更高的系统效率和更短的工作周期；该系统通过配合相控阵馈电系统的扫描技术，在无惯性条件下实现了波束方向的快速变换。相比之下，在增益方面它略逊于传统正馈抛物面天线；然而在覆盖范围和多向通信能力上却表现出明显的优势；尽管如此，在高轨卫星通信领域中该方案仍展现出良好的适用性和性能优势。

1.2 聚焦相控阵馈电反射面天线

该种类型下的相控阵反馈放射台也由两个主要组件构成：即用于接收信号并将其导向目标点的反馈子系统以及用于放大信号并将其传递给主系统的前向子系统。相较于共轭型结构而言，在这种设计中将输入子系统安置于发散区域（即从焦点平面朝反向散射方向移动一定距离）。在此过程中, 我们将输入子系统的单元激励系数进行适当调整, 即使其实现相当于焦点平面上一个或多个虚拟输入子系统的作用, 进而达到二次聚焦效果。在此情况下, 输入子系统从前到后的位移使得所需的输入波形变为会聚型, 并且振荡幅度变化较小, 因此只需调节输入子系统的幅角分布即可实现波束扫描或者信号重构功能。

可采用单反射器或双反射器设计形式的相控阵馈电反射面天线。该相控阵馈电反射面天线的示意图如图2所示。

与共焦相控阵馈电反射面天线具有类似的特性，在应用中同样表现出色。相比于直射相控阵而言，这种聚焦型馈电反射面天线采用了相对较为简单的馈电阵结构设计，并能够获得较高的增益水平。其显著优点包括重量轻、体积收拢度高以及成本低廉等特性。该方案具备灵活实现有限视野范围内的多组笔状波束或扇形波束、连续扫描波束以及赋形波束的能力，并被广泛应用于卫星通信系统中作为优选方案之一

图2

图2聚焦相控阵馈电反射面天线示意****

1.3 一维电扫描相控阵馈电反射面天线

共聚焦和聚焦相控阵馈电反射面天线均可实现二维扫描。
然而为了确保可接受的扫描后的天线性能，
其放大系数通常受限于3倍以内（典型值为3倍）。
由此可见，在这种情况下馈电相控阵的规模仍然较大且成本较高。

通过进一步降低成本，在对天线性能要求不高的场景中，一维扫描相控阵堆叠式的线源馈电双曲反射面天线结构是一种有效的方案。

图3展示了具有1D电扫描功能的双曲反射面天线的具体结构。其一面类似于聚焦于1D扫描相控阵馈电系统的传统反射面，在该面上它能够放大来自一维扫描相控阵下的信号；另一侧面则如同常规设计的固定式反射面板，在这一面上它同样实现了对射频信号的有效放大。

基于9个相控阵线源馈电的一维电扫描相控阵双曲反射面天线，在其工作频段内能够在±4°范围内实现有效的波束扫描；同时，在馈线堆叠方向上，在不同覆盖角度下的增益变化较小

图3

图3一维电扫描相控阵馈电的双曲反射面天线示意****

2 新型相控阵馈电反射面

是否选择采用相控阵馈电反射面天线架构时，需考虑的主要因素如下。

(1)系统射频性能：包括电扫描范围、EIRP、G/T、波束宽度、副瓣等。

(2)与平台的适装性：包括机械接口、收拢/展开的体积/包络等。

(3)与平台的电接口：包括射频接口、控制/数据接口、电源接口等。

(4)机械/环境设计：包括振动、热、辐照环境等。

(5)参数：体积、重量、功耗，以及成本等。

为了实现共焦相控阵馈电反射面天线的有效运行，在允许工作视场外出现栅瓣的条件下，该系统中相控阵单元的数量并未减少；然而系统的复杂度和成本依然保持高位。为了实现相控阵波束扫描功能，聚焦型相控阵馈电反射面天线采用了偏置技术以使相控阵单元的位置发生偏移；这种设计虽然能够提高系统的灵活性但同时也限制了其扫描范围并造成了较大的能量损耗。此外一维电扫描型的相控阵馈电反射面天线在覆盖区域内存在盲区问题导致其无法实现对整个覆盖区域的无死角覆盖

鉴于此,本研究致力于设计一种经济实用的宽带卫星通信多波束天线.该系统由反射面和两个模块(每个模块包含一维堆积相控阵)组成,请参考图4获取详细信息.

图4

图4系统组成模型****

该新型天线相较于传统的大规模平面相控阵技术而言，在性能方面具有显著的优势。它不仅在信号覆盖范围上有明显提升，在方向性性能方面也表现更加出色。

（1）相比多波束相控阵和PAFR，阵面规模缩小，波束数量多

基于反射面和堆积相控阵的形式设计，在满足覆盖范围需求的前提下，借助反射面天线带来的放大效应，在满足覆盖范围需求的前提下将馈源数量减少至相控阵总量的1/3以上，并显著地减少了系统复杂度和成本。

多波束相控阵受限于单元间距的影响而无法实现成百上千个波束的收发；尽管TR组件在结构上存在尺寸限制导致其收发能力有限；但通过使用反射面并结合堆积相控阵的形式，在较小的馈源规模下实现了成百上千个波束的收发能力。

（2）波束可大角度捷变，功率调度效率高

一维相控阵馈源可通过通过对每个单元的幅相进行调控，在覆盖区域内的各个方向上均可到达相应的波束，并且其扫描损耗较之少得多。

在相控阵集成多端口放大器以实现波束间功率动态调配，在每个相控阵馈源单元内采用多端口放大器配合空间功率合成技术。这种 setup 使得相控阵可将 100% 的输出功率自由分配至任何一个特定波束从而显著提升了该特定波束对于热点区域的通信性能而相比之下仅有有限数量可调用的局部波束成形网络限制了传统多馈源、多波束天线的能力。

（3）易于实现收发共口径

在支持多输入端子的多波束天线系统中, 以实现输入端子间的信号复用, 该系统采用了互不干扰的电流分布方式供电给发射波束成形网络, 这种配置导致接收区域的空间布局受到限制, 进而降低了同时满足收发端子间精确对准的需求.

本系统中采用发射馈电网络实现多端口放大器的配置仅涉及纵向正交耦合关系。横向区域预留了充足的集成空间以整合多波束天线网络。通过优化设计实现高集成度的收发共用口径。与采用分离式收发设计相比，在相同占地面积下实现了EIRP增益以及G/T性能提升超过一倍。其占用面积仅为分离式设计的一半。总体重量较之减少了约三分之一。

（4）易于实现载荷平台一体化

系统的小型化便于实现与平台的有机整合设计。在不需要采用大型塔架结构或展开机构的情况下即可完成装配过程。该系统展现出良好的适应性，在相控阵馈源模块内部集成至平台西侧面板部分后能够有效提升系统的刚度与质量比。这种设计不仅节省了空间还能确保卫星散热面能够快速、高效地转移热能。

2.1 相控阵馈电反射面天线基本原理

该系统由反射面器以及相控阵1和相控阵2三个部分构成。每个组成部分均由多个行线阵单元构成。由于馈源排列偏移配置不当（偏焦），从而实现了对不同俯仰角度的多波束覆盖功能。相邻两个相控阵通过交错布置方式（交错布置），使得相邻两个相控阵的波束空间区域相互重叠，并有效避免了俯仰方向出现盲区现象。其中每个行线阵单元都由一套或多套可扩展模拟波束成形网络系统组成，在此基础之上形成了方位向的多波束合成效果（如图5所示）。

图5

图5相控阵馈电反射面天线多波束成形原理示意****

基于反射面偏焦扫描原理可知

图6

图6反射面天线波束扫描原理****

根据不同的取值参数d进行调节，在此系统中存在一种精确的关系模式能够实现对不同扫描方向的有效覆盖具体而言，在此系统中存在一种精确的关系模式能够实现对不同扫描方向的有效覆盖具体而言，在此系统中存在一种精确的关系模式能够实现对不同扫描方向的有效覆盖

θb=atand(d/F)×BDF (4)θb=atand(d/F)×BDF (4)

BDF=θbθf≈1+X(D4F)21+(D4F)2, X={0.3, T＞60.36, T≤6 (5)BDF=θbθf≈1+X(D4F)21+(D4F)2, X={0.3, T＞60.36, T≤6 (5)

其中，θb表示波束方向角，θf表示馈线方向角，在反射面边缘处施加的电平用于计算相邻两个主波束之间的相对位置变化因子（BDF）。

射频阵列呈三角形阵列布置，并行分布于两个相邻的射频子系统之间。这些射频子系统之间相互间呈规律性排布。其具体布局可见图7。

图7

图7相控阵布阵形式****

馈源阵经反射面后在空间生成次级波束其两组子阵交错布置即可覆盖俯仰方向的空间域从而无盲区存在。相控阵的工作范围是通过调节各单元的相位信息实现任意角度扫描功能其每一行均集成了一套可扩展的收/发型多套波束成形网络系统即可形成多组收发型波束网络系统。图8展示了馈源阵在覆盖区域内采用多波束成形效果所形成的图案特性。

图8

图8馈源阵在覆盖区域的多波束成形情况****

2.2 反射器

该系统采用了基于深度学习的自适应波束成形技术，在动态环境中有良好的应用效果。

（1）反射面口径D

根据反射面波束宽度和方向性系数的预估公式

2θ0.5=(65°~80°)λ/D (6)2θ0.5=(65°~80°)λ/D (6)

Directivity=4π(π(D2)2)eA/λ2 (7)Directivity=4π(π(D2)2)eA/λ2 (7)

其中，λ为工作波长，Directivity为方向性系数，eA为口径效率。

从式（7）可以看出，在天线工作频率下调整天线参数时存在权衡关系：当反射面直径增加时（即反射面直径增大会导致），波束宽度随之缩小并实现通信区域覆盖范围的同时阵列数量也会相应增加且成本上升；相反地，在这种情况下（即当波束宽度扩大时），阵列数量将相应减少且G/T值下降；同时天线半顶角缩小、天线饱和度相应提高以及频谱利用率得到提升。因此，在综合考虑阵列数量、天线直径以及频谱利用率等因素的基础上确定最佳反射面直径D。

（2）焦径比F/D

在进行大角度扫描时，在光学系统设计中建议采用较大的焦径比，并通常建议取值大于1以确保良好的成像效果；同时需要注意到的是，在光学系统设计中建议采用较大的焦径比以显著影响波束偏移因子BDF的大小

基于最佳张角的天线设计原理可知，在抛物面天线边缘入射电平约为-11 dB的情况下，则在此情况下抛物面天线的口径效率达到最高值。在不同 feed and receive elements采用共用方式进行优化设计时d/f ratio optimization能够使馈源在工作频段内的入射电平维持理想水平，并且in the same direction as the receiving field's first null point能够确保接收频段第一零深刚好对准反射面所对应的张角范围。这种优化方案不仅有效提升了整体系统性能还能实现收发波束宽度的一致化配置。

（3）偏置高度H

在偏振反射面天线的设计过程中,确定偏置高度H的原则是基于馈源阵对反射面上边缘波束的无阻挡扫描这一前提条件。由于天线采用的是偏振反射面结构,这种结构会导致馈源产生的球面波到达反射面上下边缘时产生不同的光程差;同时,由于反射面上感应电流分布不够均匀,从而严重影响了天线的整体电性能；当H值越大时,这种影响越显著

（4）反射面长度L

反射面长度通过平台安装包络和相控阵最大扫描角时的辐射功率截获效率得以确定，并且这种设计能够有效防止反射面长度过短而导致阵面辐射功率出现严重的泄漏现象。

2.3 相控阵

相控阵是由一系列一维叠合排列的线阵单元组成的射频天线系统。其馈电网络采用可扩展的多波束成形架构以实现高效的信号处理能力。线阵单元的数量及排列布局主要取决于焦径比和覆盖角度参数。在频率范围内调整馈源间距、栅瓣角度等频率相关参数可以有效调控系统的性能特征。其中反射面边缘照射电平是影响系统性能的关键因素之一；而反射面效率直接影响系统的辐射性能；发射泄露功率则直接影响系统的天线特性。综合考虑这些因素后得出最佳配置方案以确保系统稳定运行并满足设计要求

收发波束成形网络均基于可扩展多波束成形架构构建；如图9所示；该架构由多个关键组件共同构成；包括但不限于以下几大类：首先是以实现高精度信号传输为目的的核心模块；其次是以实现信号方向性增强为目标的功能单元；最后是以实现信号能量高效分配的关键环节。具体而言；该系统主要包含以下几大部分：首先是信号发送端的主干电路系统；其次是信号接收端的核心电路组态；再次是各功能模块间的协调控制机制以及综合管理平台等

多个端口放大器通过纵向正交互联的方式连接了一维堆积线阵，并实现了整个阵列的功率调度功能。不同方向上的线阵单元通过多波束功分器实现了互联。考虑到相控阵单元之间的距离较大，在相邻单元之间的间隙处插入了接收波束成形网络模块，并且这些模块能够有效调节信号传播路径以增强特定方向的信号强度。从而形成了一个二维交叉布置的收发多波束成形网络结构。

图9所示的多端口放大器被配置用于发射波束成形网络以实现动态功率分配，在每个相控阵馈线阵中借助矩阵处理单元（MPA）以及空间功率合成技术可将全部能量自由分配至任一指定的主波束上从而显著提升了该特定主波束的通信效能

图9

图9相控阵可扩展收发波束成形网络和发射组件****

2.4 样机及测试

为了评估系统的功率调度能力和波束覆盖性能，并评估其EIRP与G/T值, 基于图10所示原理设计了一台相控阵馈电反射面天线样机, 其反射面采用碳纤维复合材料制造. 该样机采用了收发共用口径的天线系统, 其中发射端工作在K频段, 接收端工作在Ka频段. 整个反射面的总有效面积达到2平方米, 包含两个相控阵组: 第一个相控阵包含2行16列单元天线阵列, 第二个相控阵则由4行16列单元组成.

采用平面近场暗室测试系统对原理样机进行性能验证实验。实验结果经详细分析表明：EIRP输出功率与G/T信噪比指标均满足设计要求；其中通信系统工作频率下测得的功率调用效率范围为93%至97%，波束覆盖范围及方向图测试结果分别对应图11、图12和图13所示曲线数据。经对比分析发现：仰角向波束指向的最大偏差值小于波束宽度的十分之一，在方位方向上通信系统能够实现正负4.3度、0度及负2度的目标指向控制，并且与理论预期一致；同时通信系统的波束跳变时间小于100微秒。

图10

图10原理样机****

图11

图11多波束测试近场幅相分布****

图12

图12波束方向图俯仰方向覆盖和方位方向扫描情况****

图13

图13法向波束3D方向图情况****