高Ka频段系统波束能力的网眼反射天线简介

+ 志英编译

一、发挥点波束系统优势的关键技术

目前，大吞吐量卫星系统的成功主要凭借了三大关键技术，通过这些技术可以充分利用点波束系统的内在优势。这三大技术是更大孔径、多波束馈送以及更强的卫星总线能力技术。本文主要介绍可用来支持大吞吐量卫星系统的更大孔径方面的技术需求。

更大孔径是未来大吞吐量卫星系统实现更小点波束以及通过更小的赋形反射天线来提高性能的关键性赋能技术。更小点波束可以实现大容量频率复用策略，而且还能提高增益，可以使所需的用户地面终端孔径实现最小化。对于更大型的反射天线孔径来说，其所要面对的主要技术挑战是在Ka频段工作时的性能及指向准确性问题。目前有两种反射天线技术可以用来支持Ka频段的操作，并可以解决上述挑战。第一种技术是现有技术的延伸版本——已经通过了飞行测试的放射状伞骨式可展开网眼反射天线技术；另一种则是非展开固定式网眼反射天线技术。这两种反射天线都能实现更小点波束和更高的增益，可以支持高级频率复用策略。

二、放射状伞骨式可展开网眼反射天线

可展开网眼反射天线技术是广为人知的一种技术，具备可伸展的“飞行”设计思想，经过近期的调整，现在已可以用于Ka频段的多波束应用。测试证明，一副5米可展开网眼反射天线能从地球同步轨道卫星映射一个大约0.2度的点波束，从而可以用多个点波束来覆盖更小型的赋形反射天线点波束进而覆盖的相同区域，用多个点来覆盖相同的地理区域的优势是可以增加已知覆盖区域的潜在用户数量。图1即为典型的5米可展开网眼反射天线示意图。

使用5米孔径的反射天线进行Ka频段操作时，要求表面精度能够达到0.3毫米。在现有的放射状伞骨式反射天线技术上进行构建时，结合使用表面形状控制点后不仅能够提高精度，而且可以通过仔细挑选材料组合实现最佳的耐热性能。这种方法无需添加新的或者未经验证过的材料，也无需对现有热控制进行更改。对波束样式产生的射频分析显示，大型可展开网眼反射天线能够实现令人满意的性能。

放射状伞骨式可展开网眼反射天线是解决小型点波束系统指向问题的理想方式。它设计简单，沿着聚焦轴向可展开网眼反射天线结构中央的部署装置的后侧添加一个天线指向装置即可实现。天线指向装置与馈送网上的跟踪反馈信息结合使用时，能够确保精确的波束指向，从而能够满足Ka频段上的更小点波束所需的苛刻卫星指向要求。放射状伞骨式可展开网眼反射天线不仅安装机制独特，而且易于部署，因而可以大大简化所需转换及跟踪调整过程。

图2为星载典型放射状伞骨式网眼反射天线。该系统目前已作为Ka频段的跟踪与数据中继卫星（TDRS）的组成部分投入使用，有12个已经交付，在最早的跟踪与数据中继卫星上使用了28年。

放射状伞骨式的设计方案可以为业界提供最简单可靠的可用解决方案。美军在过去30年共部署了15个放射状伞骨式反射器。最近在Sirius-XM FM5卫星上也成功部署了2副9米的反射天线。

三、固定式网眼反射天线

通过利用具有知识产权的网眼技术和高精度可展开反射天线方面的技术，固定式网眼反射天线（FMR）可以取代传统的非展开反射天线系统的固定或三轴编织面，它具有由低失真碳纤维支撑结构支持的高反射网眼面，见图3所示。

网眼面反射天线在Ka频段上的射频性能优于三轴碳纤维反射天线的射频性能，目前已开发出能够达到最低运行损耗的网状材料，即将投入应用。

高反射率网眼技术能够通过V和Q频段实现星际链路的通信，还可用于网关，从而可以为用户释放出更多Ka频段的其他可用频谱。使用网面设计能够将反射天线的总成本降低一半。此外，更轻的有效载荷也降低了用来支撑大型反射天线发射时所需的接口结构要求，从而可以进一步降低航天器的成本。

一旦完成部署，由固定式网眼反射天线加载的扭距将远远低于固定或者三轴编织面反射天线，其不仅能够潜在延长卫星寿命，而且还可降低基站维护所需的燃料。此外，网眼反射天线的高透明度还能降低航天器热交互作用的影响。

固定式网眼反射天线最适合用于2.5～3.5米的反射天线系统。3.5米孔径的固定式网眼反射天线能够对指定地理区域进行更小的点波束覆盖，其性能优于2.6～2.7米标准天线的覆盖能力，同时可支持操作人员不断增长的容量需求。

总之，Ka频段可展开网眼反射天线和固定式网眼反射天线都是向Ka频段点波束大容量系统进行迁移时能够充分加以利用的可行性技术。尽管这些技术都可在Ka频段的系统上直接实现，但也可以很方便地用在任意频段（如C、X和Ku频段）来提供小型点波束，从而实现频率复用并提高系统容量。未来的卫星系统将朝着更高增益、更小波束以及更高精度的方向发展，这种最新的反射天线技术将可用来支持刚刚出现的大吞吐量卫星市场的需求。