星载天线发展之路

演讲者：席强丽星载天线发展之路目录CONTENTS多波束天线全向波束天线赋形天线星载天线未来趋势星载天线背景Part1绪论1-1卫星通信历史1-2星载天线定义1-3星载天线价值第4页卫星通信星载天线研究价值天线技术一直是卫星通信发展历程中的关键技术之一，随着全球卫星综合通信网的建立，星载天线需要不断的突破和创新，以支持，促进卫星通信的发展。名称定义装载在人造地球卫星上的天线称为星载天线,是卫星信号的输入和输出器,卫星通信正是通过星载天线与地球站天线之间互相传输电磁波来实现信息传递。星载天线的背景卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站，转发无线电信号，在两个或多个地球站之间进行卫星通信。自20世纪40年代提出如今已成为区域与跨洋通信、国家基础干线通信、国际军事通信、行业及企业专网通信乃至个人通信的主要通信方式之一。未来全球无缝隙覆盖的天地一体化的海、陆、空、天共用的能够提供各种宽带和多种业务的综合通信网是必然，这也促进了卫星上天线技术的更新发展。第5页主要发展历程主要是第一代卫星通信系统所用的天线，多为标准圆或椭圆波束，70年代以前大多采用线状天线。简单天线1975年以后开始第二代卫星通信，天线采用多馈源波束赋形和反射器赋形，多波束天线开始普及。赋形天线2000年以后第三代卫星通信中，广泛使用大型可展开天线和相控阵天线，开展星上波束形成和地基波束形成技术。多波束成形星载天线第6页1957年10月4日前苏联发射了第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”采用了4根鞭状天线1958年2月1日在美国发射的第一颗卫星”Explorer1“的天线是玻璃钢纤维包裹着DP天线和交叉天线，进入轨道后，卫星将旋转并释放出交叉天线1970年4月24日，中国发射的“东方红1号”采用了202MHz的单极天线以及雷达上使用了DP天线Sputink1explorer1Asterix大隅号东方红1号各国首发卫星上的天线第7页各国首发卫星第8页第一代星载天线总结第一代卫星系统各方面技术都是起步阶段，所以卫星上携带的无线设备都是最简单基本的，搭载的天线大多采用的鞭状天线和双偶极天线，都是简单的线状天线。其长度一般为工作波长的四分之一或二分之一。主要优点是：结构简单，使用方便，全方向性。之后各国的探空之旅迅速的发展，尤其美国率先开始了卫星系统中各方面技术的研发，天线技术也有了很大突破。Part2多波束反射面天线2-1反射面天线2-2产生方式2-3不同频段应用第10页使用窄波束使增益提高频谱利用率提高覆盖区域大波束可调控灵活性强地面设备小型化节约了生产成本多波束天线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技术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，成为第一代卫星通信以后星载天线领域研究的重点方向。第11页2101结构组成反射面一般采用抛物反射面,为避免馈源的阻挡及馈源和反射面间的相互藕合,多采用偏馈反射面系统。由偏馈的抛物面和位于焦点处的馈源阵组成,反射面处于馈源的远场区。02工作原理在这种天线中,多个馈源照射单一反射面,从而在服务区内形成多个子波束。通过调整子波束的排列方式及各馈源的激励系数,就可以使合成波束对于所覆盖的特定服务区域赋形。反射面多波束天线第12页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、设计技术成熟、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，而反射面则是之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.01SFB02MFB基本型成束法，国际上也称每束单馈源(SingleFeedperBeam，SFB)增强型成束法，国际上也称每束多馈源(MultipleFeedperBeam，MFB)反射面天线的多波束形成方案第13页SFBSFB是一种最直接最简单的成束方式，每个从天线口径中辐射出来的点波束都是由一个特定的馈源照射一块反射面后形成的基本成束法01原理02结构04缺点03优点SFB四色复用波束形成方案所需要的反射面数量较多费用大，在通过多块反射面来实现多色复用时，需要在卫星表面占据较大的空间，对安装精度和异步展开精度要求高，而波束指向性却相对差，并且难以实现波束重构SFB01原理02结构SFB01原理02结构SFB01原理辐射效率高，便于同时生成数量较多的点波束，馈电方便，相邻波束间具有较好的共极化和交叉极化特性，并且可以收发共用02结构01原理04缺点03优点SFB第14页MFBMFB采用馈源阵列模式排布，通过波束形成网络向阵列单元激励所需的振幅和相位，以形成不同形状的多波束，单个反射面便能实现波束间的隔离和波束赋形增强成束法02结构04缺点03优点MFB四色复用波束形成方案便于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，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MFB所需要的馈源单元数量通常是SFB所需的数倍，使得馈电网络要比SFB成束方式复杂01原理02结构第15页不同频段反射面天线的波束形成方案选择SFB/MFBL/S两个频段多波束天线通常采用MFB的成束方式Ku/Ka频段，SFB和MFB成束方式均适合表面空间足够的通信卫星考虑馈电难度，SFB适合安装空间有限、有极化复用要求的，MFB适合第16页不同频段反射面天线的波束形成方案的应用实例Alphasat-I-XL的馈源阵(尺寸2.5m×2.5m×0.6m)不同反射面天线波束形成方案应用Part3星载相控阵天线3-1特点分类3-2波束形成3-3未来趋势第18页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，通过电子手段使得波束旋转实现扫描而不是机械式的改变天线的架设结构。通过使用自适应调零的抗干扰技术，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。01无源相控阵天线02有源相控阵天线星载无源相控阵天线Passivenetworks星载有源相控阵天线activenetworks星载多波束相控阵天线第19页VS“无源相控阵”“有源相控阵”无源和有源相控阵原理有源相控阵天线的每个辐射单元都与一个T/Ｒ模块及移相器功率、放大器一一对应，通过控制移相器和T/R，可改变单元天线辐射场的幅度和相位。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第20页早期的低频段无源相控阵因为波束形成网络体积大，损耗大，成本高，并不适宜作卫星天线。而对于目前正在开发的Ka频段，因为无源阵单元结构相对简单且便于规模化布局，所以大规模阵列天线基本采用无源方案。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频段星载相控阵多波束天线基本都采用有源阵方式。无源有源无源与有源比较第21页ABC系统设计系统设计要根据卫星对天线的功能及指标要求确定相控阵天线的主要设计参数。确定阵型排列、工作模式、设计控制方法及控制流程相控馈电模块相控阵天线的关键技术相控馈电模块包含功率放大器、低噪声放大器、移相器、衰减器、控制等芯片以及联结它们的微带电路。其集成度是实现对大扫描角小间距相控阵的必要条件，需采用低温共烧陶瓷及多功能芯片等技术。馈电网络相控阵辐射单元数量大，馈电在空间完成，所以其馈电网络设计和电源的选择，幅度相位校正等技术都至关重要。第22页功率分配器和移相器分别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技术可以获得较好的增益和旁瓣性能VS“模拟波束形成”“数字波束形成”功耗和重量取决于总处理带宽和辐射部件的数目，与波束的数目无关在多波束天线的相关信号处理上不受空间的限制优点：123波束形成技术Ka频段MFB成束的阵馈反射面天线，其无源波束形成网络基本都采用模拟波束形成技术。美国在2007年发射的Spaceway3卫星，星上的这副Ka频段卡塞格伦接收天线采用的是模拟波束形成技术。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第23页不同轨道通信卫星多波束天线配置的选择星载天线GEO通信卫星，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，一般采用大型可展开反射面天线，目前也有通信卫星开始采用相控阵天线配置采用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。美国SkyTerra-/-2的天线口径达到了22m。对于MEO轨道上的卫星则主要采用反射面形式。如处于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。LEO通信卫星，卫星轨道太低，视角宽，要求天线具备较大扫描角，采用的是相控阵天线。1243Part4星载天线未来趋势4-1整体趋势4-2技术发展4-3国内意见4-4总结分析第25页频段更高近十年来，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频段下的技术已经非常成熟，Ka频段正在成为国内外研究的热点，而亚毫米波及丝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。集成度更高采用各种多功能芯片可以大大减少使用芯片的数量，将相控馈电模块内的多个芯片集成在一两个芯片上，简化馈电模块的结构，提高天线的集成度与可靠性。12整体趋势第26页技术发展星载天线反射面天线方面，对于Ka频段的通信卫星，其反射面将淘汰单一固面结构形式，大力推广可展开式网状反射面形式及更先进的拓展形式在相控阵多波束天线方面，随着单片式微波集成电路(MMIC)技术的发展，微波集成技术与光控技术的有机结合，采用扫描平面反射阵技术，普及有源相控阵天线。透镜天线是几何光学原理在无线电频率范围的一种应用。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波束形成与信号处理方面，采用地基波束形成(GBBF)技术。它将与地面辅助组件(ATC)技术相结合，构建天地融合的卫星-地面移动通信系统1243第27页国内天线馈源ka频段在L/S频段反射面方面，为了进一步提高波束复用率，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。着力开发有源相控阵技术，并引入数字波束形成技术，以满足低轨卫星的宽角度扫描及抗干扰的要求。加强Ka频段的研究力度，大力开发微型有源器件走在世界前列加强地基波束形成技术研究，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创造条件。国内星载天线发展建议GBBF相控阵星载天线的发展伴随着卫星通信系统的进步而进步。希望未来天线技术有更多突破。演讲内容来源于论文资料和网站文献资料，如有错误，还望老师和同学指正。总结