Ka波段HTS卫星地面通信系统天线技术

李燕宁，李金生，韩 雪，许晓静

（1.北京飞行控制中心，北京，102206；2.新华通讯社，北京，100803；3. 北京航天光华电子技术有限公司，北京，100854）

技术研究

Ka波段HTS卫星地面通信系统天线技术

李燕宁1，李金生2，韩 雪3，许晓静3

（1.北京飞行控制中心，北京，102206；2.新华通讯社，北京，100803；3. 北京航天光华电子技术有限公司，北京，100854）

本文介绍了用于Ka波段HTS卫星的通信天线技术，总结了Ka波段关口站天线及小口径固定安装用户终端通信天线、各类“动中通”天线系统的技术现状、关键技术和发展趋势，最后讨论了各类“动中通”系统的技术指标及发展前景。

Ka波段；HTS卫星；卫星天线；动中通

1 引言

对于任何卫星通信系统来说，天线子系统均是一个卫星通信子系统的关键部分。近年来，卫星通信的发展呈现出高端业务向“动中通”应用延伸，低端应用向广大消费者个体和家庭普及的趋势，卫星传输的技术体制日趋成熟，卫星信道调制编码技术基本接近“香农定理”理论值极限；对于卫星天线技术而言，几十年来，C波段/Ku波段抛物面天线在大家眼中基本上是卫星通信的象征和符号。但是，近年来，随着无源相位合成平板阵列天线技术、有源相控阵列天线技术以及超材料天线技术的发展和成熟应用，卫星通信天线的形态正在发生深刻的变化，继而对卫星通信终端形态向小型化、一体化、低成本化、移动化的变革产生深刻的影响。对于Ka波段HTS卫星来说，其关口站天线、用户端各种形态天线的性能、形式、成本，关系到整个Ka宽带卫星系统的运营成败，也关系到系统中成千上万个用户小站的稳定和可靠运行。

概括起来，Ka波段卫星通信天线可以分为四大类：大口径、自动跟踪关口站通信天线；小口径固定安装用户终端用通信天线；便携式自动对星天线；船载、机载、车载“动中通”天线。

相对于C波段和Ku波段的卫星通信天线，Ka波段的天线技术需要解决以下挑战：

⊙ 在毫米波领域实现更高的天线效率，一般小口径天线的效率要求达到65%以上，对卫星天线的设计和加工工艺提出近乎苛刻的要求。

⊙ 天线必须具有更好的主旁瓣和极化隔离度特性，避免在一颗多波束HTS工作时，上下行临星干扰恶化，影响整个HTS卫星网络的正常运营。

⊙ 天线需要使用高强度、低密度、温度特性好的材料，以避免在各种恶劣环境下工作的小站，还要重量轻、抗冲击，并在高低温条件下形变最小，以避免造成天线的主旁瓣特性变化，对整个卫星网络的运营造成隐患。

⊙ 天线应具备精密的俯仰和方位调整结构，以便在安装和维护时，能够对其进行准确的对星作业。

⊙ 最后，在所有技术指标均要高于C波段和Ku波段天线的前提下，Ka波段天线研发和生产商还要保证各类Ka波段天线能够大批量、低成本生产出来。

2 关口站天线技术

一般而言，现在全球范围内，Ka波段HTS卫星关口站天线口径有8米，9米和13米三个规格。根据HTS卫星与关口站馈电波束的EIRP和G/T值、关口站所处区域的雨强情况，以及关口站管理的点波束的数量和通信吞吐量，进行详细地链路计算后，HTS卫星运营商选择适当口径的关口站天线。图1为美国休斯公司的SpaceWay 3和Jupiter-1卫星在北美的关口站的分布图。

图1 休斯SpaceWay 3和Jupiter-1 HTS卫星北美关口站分布图

图2为休斯公司Eng lew ood关口站的天线系统和射频系统外观，该关口站采用了8.1米口径的卡赛格伦天线；图3为休斯公司的Missoula关口站，也采用了8.1米口径的卡赛格伦天线。

图2 休斯Englewood关口站的天线系统

图3 休斯M issoula关口站的天线系统

图4是美国ASC信号公司出品的8.1米Ka波段关口站天线外形，该关口站天线现应用于休斯的Jupiter-1号HTS卫星系统、国际海事卫星组织的三颗Ka波段HTS卫星系统。该天线的一些重要指标见表1。

表1 8.1米Ka波段天线指标

图4 ASC 8.1米Ka波段关口站天线

使用8.2米口径天线的Jupiter-1卫星关口站，无论在高寒地区，还是在强雨区，均保证了关口站与卫星馈电链路的高可靠性，图5是休斯公司对Jupiter-1号卫星关口站与天气有关的可靠性统计。

图5 休斯Jupiter 1号卫星关口站与天气有关的可靠性统计

在雨强较大，或者管理点波束较多时，为保证关口站与卫星馈电波束链路的可靠性，可以采用13米口径的天线，图6为美国通用动力公司出品的13.2米Ka波段关口站天线。

图6 通用公司13.2米Ka波段关口站天线

3 小口径固定安装用户终端用通信天线

固定用户终端，一般占据一个HTS卫星的用户数量的80%～90%，因此在保证技术性能的情况下，要求其价格低、重量轻、便于安装和对星。固定安装小站的天线一般口径有0.65米、0.74米、0.98米、1.2米等，一般家庭用户终端一般采用0.65米或者0.74米的天线；企业和政府用户一般采用0.98米或者1.2米的天线。

美国休斯公司Jupiter系统的0.98米天线和一体化馈源及2W室外射频单元的外型如图7，美国休斯公司0.74米天线和一体化馈源及2W室外射频单元的外型如图8所示。

图7 休斯Jupiter系统Ka频段0.98米天线

图8 休斯Ka频段0.74米天线

美国卫讯公司Su r fbeam系统家庭用户使用的0.65米天线以及3WODU外型如图9所示，Surfbeam系统企业用户使用的1.2米天线以及3WODU外型如图10所示。

图9 卫讯Surfbeam系统Ka频段0.65米天线

图10 卫讯Surfbeam系统Ka频段1.2米天线

4 便携式自动对星天线

Ka波段卫星业务可以让用户使用小口径天线实现宽带通信业务，因此更适合政府、企业、个人用户在野外、边远地区进行日常业务通信、娱乐和应急通信。现在，Ka波段便携式宽带卫星终端基本采用了天线、射频单元、宽带卫星路由器一体化集成的形态。图11为美国休斯公司的0.45米Ka波段便携式通信终端外型和装包后的型态。

图11 休斯0.45米Ka波段便携式通信终端

近年来，随着微波缝隙阵列平板天线、超材料平板天线技术的不断进步，平板型Ka波段便携式终端开始崭露头角，图12是比尔盖茨投资的美国Kymeta公司计划2016年推出的Ka波段超材料相控阵列平板天线的设计图。

图12 美国Kamyta公司超材料Ka波段平板天线效果图

5 Ka波段“动中通”天线

移动互联网的普及，给Ka波段卫星宽带业务带来巨大的商机，在广袤的海洋和高空中，地面移动网络的服务对于那些在巨大的空间快速移动的船舶、飞机、高铁、车辆的移动互联网和物联网服务鞭长莫及，Ka波段卫星通信技术将发挥主要作用，可用频率扩展，星上采用星间链路、抗干扰技术，采用扩频、跳频技术，具有强的抗干扰能力。另外，Ka频段卫星波束可以形成移动的点波束，灵活机动；Ka频段频率抗电离层闪烁能力，电波在核爆炸后能较快恢复到正常状态，因而在军事通信领域受到高度重视。

“动中通”的宽带卫星服务主要取决于Ka波段“动中通”天线技术的成熟、低轮廓、小型化和成本的大幅降低。

图13 KNS公司Ka波段船载“动中通“天线

韩国KNS公司研发生产的1米口径的Ka波段船载“动中通“天线如图13所示，图14为美国卫讯公司开发的机载Ka波段“动中通”天线，图15为为美国TH INKOM公司开发的Ka波段车载“动中通”天线样机。

图14 卫讯机载Ka波段“动中通”天线

图15 THINKOM公司Ka波段车载“动中通”天线

6 国产Ka平板天线研发介绍

图16 Ka平板阵列天线仿真模型

图17 Ka平板阵列天线上行频率30GHz方向图（30GHz）

为满足国内Ka波段HTS卫星发射运营后，用户对便携式自动对星天线、各种车载、机载、高铁用“动中通”天线的迫切需求，北京航天光华公司正在与美国休斯公司合作，共同进行高增益Ka波段平板阵列天线的研发工作，高增益Ka波段平板阵列天线的上行频段为28.5～31GHz，下行频段为18.5～21GHz。天线可以上行左旋圆极化，下行右旋圆极化或者相反；Ka波段平板阵列天线的发射/增益设计为40/39dB。天线仿真模型如图16所示，上行频率30GHz方向图、下行频率20GHz方向图如图17，18所示。

图18 Ka平板阵列天线下行频率方向图（20GHz）

仿真中，Ka平板阵列天线采用上行左旋圆极化，下行右旋圆极化设计。电压轴比（VAR）是双圆极化频率复用制式能否实现的主要关键，只有提高极化隔离度才能解决同一频率的左旋和右旋两个圆极化波信道同时工作而又不致引起较大的干扰。

7 结束语

一颗Ka波段HTS卫星，可以容纳10万甚至上百个用户终端，也意味着一个HTS卫星需要各种形态天线数量为10万套到上百万套。全球Ka波段卫星产业正在飞速发展，预计到2020年，全球Ka波段HTS卫星的总容量将达到1.5～2Tb/s，那么将总共需要1 500万套到2 000多万套的固定安装天线、便携式天线以及各种“动中通”天线，这就给国内外的天线厂商打开了一个巨大的市场空间。尤其对于我国的天线行业来说，经过几十年的不懈努力，我国的C波段、Ku波段的各种天线技术和产品已经接近或者达到国际同类先进水平；在Ka波段卫星天线领域，由于国内缺乏Ka波段空间资源，目前与国际先进水平还有差距，随着我国Ka波段HTS卫星即将发射并投入运行，我国的天线厂家也将迎来一个前所未有的发展良机。

[1] 宋国栋，李建新，张金平．新型双极化波导缝隙天线研究[J]．现代雷达，2010,32(2):67-71．

[2] 钟顺时，孔令兵，高初．宽带双极化双波段共口径SAR 天线设计 [J]．电子学报，2012,40(3):542-545．

Ka Band HTS Satellite Antenna Technology

Li Yanning1, Li Jinsheng2, Han Xue3, Xu Xiaojing3
(1.Beijing Aerospace Control Center, Beijing, 102206; 2.Xinhua News Agency, Beijing, 100803; 3.Beijing Aerospace Guanghua Electronic Technology. Ltd., Beijing, 100854)

This article introduces the overview of the Ka band HTS satellite antenna technology and concludes the technology status quo , key technology and development of Ka band satellite gateway large antenna, small dish and a variety of the antenna system in motion.It is presented that a new type of Ka fat array antenna which is in R&D precess.

Ka band; HTS satellite; Satellite antenna; Satcom on the move

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.11.002

TN 828.5文献标示码：A

1672-7274（2014）11-0005-05