相控阵天线应用于低轨卫星星地通信

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相控阵天线相比传统机械天线的优势


相控阵天线指通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位，来改变方向图形状的天线。控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。在特殊情况下，也可以控制副瓣电平、最小值位置和整个方向图的形状，例如获得余割平方形方向图和对方向图进行自适应控制等。用机械方法旋转天线惯性大、速度慢，相控阵天线则克服了这一缺点，波束的扫描速度很高。它的馈电相位一般用电子计算机控制，相位变化速度很快（毫秒量级），天线方向图最大值指向或其他参数的变化迅速。


相控阵天线最突出的特点：

多波束成形和快速扫描，相控阵天线可以在一个重复周期内通过转换波束形成多个指向不同的发射波束和接收波束，这些波束可相互独立，且具有快速扫描捷变能力；

波束赋形，通过调整相控阵阵列中各单元通道内信号幅度与相位，可改变天线方向图函数或天线波束形状；

抗干扰能力强，相控阵天线可集中多个辐射单元的功率形成大功率模式，也可以通过自适应控制能量和主瓣增益向不同方向发射所需能量，从而提高其抗干扰能力；

系统可靠性高，相控阵系统的阵列组件较多，且并联使用，即使部分组件功能丧失，系统仍能正常工作，这极大提高了系统的可靠性。

表1 传统机械天线与相控阵天线优缺点对比

相控阵天线分为无源相控阵天线和有源相控阵天线。相控阵天线作为阵列天线的分支，通过在每个单元天线通道中集成移相器从而实现波束的快速扫描。因其具有高增益、低旁瓣以及波束赋形等优点，一直是天线领域研究的热点。相控阵天线可以分为无源相控阵天线和有源相控阵天线。相较于无源相控阵天线，有源相控阵天线的优点是使用微波集成的方法，将移相器、滤波器、衰减器、功放和低噪放等集成在芯片中，实现了设备的小型化、轻型化，波束指向精度较高且具备一定的波束旁瓣抑制能力。


图1 无源相控阵和有源相控阵结构对比

最初相控阵天线只在雷达方向、军事范围内有所应用。有源相控阵雷达波束切换快、抗干扰能力强，输出功率为传统机械扫描雷达的 3-4 倍；同时相比无源相控阵雷达失效率低、可靠性高，在频宽、功率、效率以及冗度设计方面均有更大优势。总之，有源相控阵雷达在相同的孔径与工作波长下，反应速度、目标更新速率、多目标追踪能力、分辨率、多功能性、电子反对抗能力都更为突出。




表2 各种雷达性能对比

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相控阵天线在低轨卫星通信中发挥重要作用

随着科技的发展，相控阵天线技术开始在通信等领域发挥作用。相控阵平板天线在卫星通信领域越来越受欢迎，但同步轨道应用存在一些限制。主要是由于其扫描角度有限，通常超过 60 度会导致天线的增益损失、效率降低。相控阵天线也可以设计为曲面，提高扫描范围，但这会导致天线控制更复杂、成本更高。然而，近几年随着中轨和低轨卫星星座越来越普遍，卫星通信市场正在从静止轨道卫星转向非静止轨道卫星。相控阵天线将不再局限于指向赤道上空的固定静止轨道卫星，可在其高性能的扫描范围内，在不同的非静止轨道卫星之间进行切换，天线扫描角度受限的问题将会消失。

相控阵系统为低轨卫星“星-地”通信的标配。由于低轨卫星相对于地面终端快速移动，机扫天线只能实现单波束的移动，不能改变波束的形状及实现多移动波束模式，机械可移动装置的采用又往往可能导致可靠性下降、重量增加等新问题，因此以抛物面天线为主的传统机械天线进行持续连接非常困难。而相控阵天线主要通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状，控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的，因此相控阵天线可以实现极窄卫星信号波束快速对准，解决“星-地”实时跟踪难题，是卫星互联网规模化应用的必要设备，也是当前低轨卫星商用的重要攻关点。空间段及用户终端均采用有源相控阵天线。相控阵天线以其小型化、快速扫描、高增益、低旁瓣以及波束赋形等突出优点，已经在卫星及终端中得到广泛应用。比如美国 Space X 的 Starlink 卫星及地面终端均采用了有源相控阵天线。在空间段主要是利用相控阵天线的同时多点波束、敏捷波束和空域滤波能力，在用户终端则是看重其低轮廓、灵活波束形成处理、空域自适应调零滤波以及潜在的低成本等特点。


图2 Starlink 地面终端外形图


图3  Starlink 卫星外形图

相控阵天线非常有利于 NGSO 卫星通信。相控阵天线运用在卫星用户终端时需要考虑移动卫星通信中的发射多波束切换管理、避免干扰其他卫星、多星信号灵活接收以及 GEO 与 LEO/MEO 系统的相互操作等问题。对于 LEO/MEO 卫星通信，卫星在轨道上不停地快速运动，地面天线要保持跟踪天空中“飞行”的卫星，并能很快地从跟踪一颗卫星切换到另一颗，如果使用传统机械式天线，除非是双天线，否则无法在不造成通信中断的情况下连续跟踪卫星。相控阵天线等电扫描平板天线的应用将大大改善上述情况，由于没有机械部件，且具备低轮廓、高可靠性等特点，甚至一副天线可以支持多星同时工作，相控阵天线非常有利于 NGSO（非地球同步轨道） 卫星通信。

来源：我想我思

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