低轨星座多波束相控阵天线研究进展与发展趋势（1）

低轨卫星星座的发展经历了从早期的Iridium到现代星座的演变。多波束相控阵天线作为核心载荷，通过灵活的波束形成技术实现了高增益、宽角度扫描等优点。其发展历程可分为三代：第一代采用固定波束覆盖技术，第二代引入模拟波束形成网络，第三代则向高频率和数字波束形成技术迈进。当前，多波束相控阵天线在低轨星座中的应用已较为成熟，但数字波束形成技术仍是其未来发展的重点方向。

摘 要

关键词

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1.1 第一代低轨星载多波束相控阵天线

1987 年,美国摩托罗拉公司提出并部署了第一代真正依靠低轨卫星星座提供联系的全球个人通信系统,并将之命名为“钺星(Iridium)”[1-2]。星星座由分布在 6 个极轨道平面上的 66 颗卫星组成轨道高度为 780 公里,轨道倾角为 86.4。如图 2(a)所示,每颗卫星的主任务天线由 3 个收发共用的 L 频段有源多波束相控阵天线组成,它们以一定角度面向地球,提供从卫星到地面用户的 L 频段链路。每副相控阵天线采用固定波束覆盖方法,其 16点波束覆盖图如图 2(b)所示。
如图 2(c)和图 2(d)所示,每副相控阵天线阵列由 106 个轻量贴片辐射器组成,每个辐射器由一个 T/R 模块驱动,这些模块又由优化的波束形成网络共同激发。贴片阵列安装在铝质蜂窝平板上，功率调节器和 T/R 模块也粘合在该平板结构上，以获得良好的热和机械连接。模拟波束形成网终由 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 个优化的接收/发射赋形波束，其中 T/R 模块用于在接收状态 中保持高 G/T 并在发射状态下生成高效的 EIRP因此每颗卫星总共可以产生 48 个波束。

1991年，美国LOSS公司向美国联邦通信委员会(FCC)提出了全球星（Globalstar）系统[3]。该系统旨在为全球用户提供卫星语音和数据移动服务，由分布在8个轨道平面上的48颗LEO卫星构成，可实现全球南北纬70°的全覆盖。

如图3(a)所示，卫星系统的发射和接收天线是分开设计的，分别工作在S频段和L频段。二者均采用固定波束覆盖方案，其波束覆盖图分别如图3(b)和图3(c)所示。由61个单元组成的L频段16波束相控阵天线负责接收来自地面移动终端的信号，而由91个单元组成的S频段16波束相控阵天线则用于向地面移动终端发送信号。以S频段发射天线为例，如图4所示，天线顶部为辐射阵列，底部由固态功率放大器和带通滤波器组成的密封模块支撑。辐射阵列采用六边形平面阵列结构，单元呈等边三角形排列。密封模块放置于波束形成器上方的散热器上。该系统具有16层结构的模拟波束形成器呈圆形排列，其多波束形成策略通过功率分配器和功率合路器组成的射频波束形成网络实现16个波束。

第一代低轨星载多波束相控阵天线工作在 L/S等较低频段,带宽较窄:采用模拟波束形成网络实现固定波束覆盖，且波束数量一般不超过 16 个1.2 第二代低轨星载多波束相控阵天线
新依星公司于 2007 年提出的星二代( IridiumNEXT)计划是第二代星系统，可以提供高质量的语音和数据通信[0。它由 66 颗 LEO 卫星和另外 9颗在轨备用卫星以及 6 颗地面备份卫星组成。星二代的轨道参数与星的轨道参数是一致的。如图 5 所示,卫星的主任务天线是一个 L 频段由 120 个单元组成的平板相控阵天线,可产生 48 个发射和接收波束，用于与用户终端通信。同时,每颗卫星还使用两个 Ka 波段馈线链路天线生成两个20/30 GHz 的可移动波束以与地面网关相连接。此外,该系统还支持星间链路功能,可通过两个固定天线和两个可动天线实现同一轨道前后及相邻轨道亚面左右共 4 颗卫星之间的通信连接。

2010 年开始建设的全球星二代( Globalstar-2)[]是第二代全球星系统,它继承了全球星的关键技术,采用了相似的平台,并仍然采用收发分开的固定多波束相控阵天线体制。如图 6 所示,为了增加在轨寿命(从 Globalstar-1 的 7.5 年增加到 Globalstar-2 的 15 年)和降低成本,S 频段发射天线采用了半有源相控阵天线,即发射天线采用两个无源多面圆顶天线(TX10、TX6)组成 16 个波束和一个多端口放大器提供信号放大。中心波束 1 由 TX10 的喇叭生成。此外,TX10 的其余9 个辐射面形成9 个波束,TX6 的6 个辐射面( 每个辐射面有 8 个单元)在中间形成 6 个波束。此外,多端口功率放大器可以实现波束之间的功率调节。接收天线仍采用 L波段有源 16 波束相控阵天线。接收天线由 52 个单元间距为 0.6 波长的辐射单元、滤波器和低噪声放大器以及波束形成网络组成。具有 7 个多层板的模拟波束成形网络能够使用 3 dB 混合分配器来提供低色散波束成形性能。

第二代低轨星载多波束相控阵天线仍然工作在 L/S 等较低频段;采用模拟波束形成网络实现固定波束覆盖,单副天线产生的最大波束数量增加到48 个
1.3 第三代低轨星载多波束相控阵天线
2015 年,美国 SpaceX 公司提出了大规模巨型星座计划 Starlink,其目标是为全球提供高速、低时延宽带接人服务[12-13]。Starlink 星座由分布在550km 处的 4409 颗卫星和分布在 340 km 高度处的 7518 颗卫星组成。截至 2022 年 9 月 15 日SpaceX 已经发射了 3293 颗卫星,其中包含两颗试验卫星,最近一次发射发生在 2022 年9 月11 日,将34 颗卫星发射到低地球轨道上。

Starlink 卫星部署的 Ku 频段多波束相控阵天线代表了民商用通信卫星相控阵天线的最新水平，它采用了跳波束覆盖技术,并于 2019 年实现了在轨应用。如图 7 所示,相控阵天线采用由内向外逐渐稀布的方式。它采用瓦片式构架，总体来说分为 4层,包括天线阵面层,映射层,多工馈电层和波束形成层。波束形成部分使用仅包含移相器的 8 通道 8波束多功能芯片,这可以降低芯片成本、尺寸和功耗。在该方案中,多个天线波束和相位扫描功能由多功能芯片实现.振幅加权由阵列排列实现。

OneWeb星座是由美国OneWeb公司开发的下一代低轨宽带卫星通信系统，旨在为全球提供无缝且价格合理的宽带接入服务[12,14]。根据OneWeb公司于2021年1月提交的申请文件，该星座规划包括6372颗低轨卫星和1280颗中地球轨道卫星。

每颗卫星能够产生16个Ku频段圆形用户波束和两个Ka频段馈电波束，从而实现对特定地面区域的灵活连续覆盖。如图8(b)和图8(c)所示，用户的天线采用了一个由16个线型馈源组成的Ku无源多波束相控阵天线，形成16个长圆形状固定波束。该天线采用了基波束形成网络来控制金属辐射器的两个极化馈电，并采用了紧凑型设计以满足对质量和成本的限制。

近年来，国内多个单位积极推进低轨通信卫星试验系统的研发[15-6]。例如，中国航天科技集团的鸿雁星座包含864颗卫星，其中72颗为L频段窄带系统，提供话音业务；792颗为Ka频段宽带系统，提供数据业务[3]。中国航天科工集团的虹云星座则由156颗Ka频段宽带低轨卫星星座组成。此外，行云星座提供窄带物联网服务，而中电科集团天地一体化信息网络星座则包含60颗综合星和60颗宽带星。2021年4月26日，中国卫星网终集团有限公司成立，其向IITU提交了两个低轨卫星星座的频谱申请[16]，总卫星数量高达12992颗，标志着我国低轨卫星星座进入快速发展阶段。同时，民营商业航天公司如银河航天和九天微星等也在积极推进低轨卫星系统的研发与设计。

其中，如图9所示，中国航天科技集团研制的鸿雁星座通信系统采用了Ka频段4波束相控阵天线，成功实现了4个独立发射波束和4个独立接收波束，并在轨验证了跳波束宽带通信技术。

第三代低轨星载多波束相控阵天线主要应用于Ku和Ka频段，并预计未来将向O/V等更高频方向发展；目前主要采用的是模拟波束成形技术，而数字波束成形技术将成为其未来发展的主要方向：随着技术的进步，跳波束覆盖方式逐渐取代了固定波束覆盖方式，以实现更加灵活的覆盖范围。