星载反射阵天线应用现状与发展趋势*

2021-11-10王建晓宋大伟李小军

空间电子技术 2021年4期

王建晓，尚社，宋大伟，李小军，罗熹，李栋

(中国空间技术研究院西安分院空间微波技术重点实验室，西安 710000)

0 引言

在卫星微波通信、导航、遥感等应用场景中，星载天线都是卫星有效载荷的重要组成部分。反射面天线以其较高的辐射效率、成熟的设计分析流程，已经成为目前应用最广泛的星载天线形式。随着卫星平台对于天线波束扫描需求的不断提高，在某些需要考虑天线重量、体积的卫星平台中，反射面天线就显得缺乏竞争力。随着微波有源电路的快速发展，相控阵天线技术日益成熟，并且在快速波束扫描、赋形波束、多波束应用场景都颇具优势[1]。对于高频段、大口径相控阵而言，相控阵天线的波束形成网络的损耗较大，另外相控阵天线的成本、功耗、散热、重量等问题也限制其在卫星领域的大规模应用。因此，在卫星应用需求的驱动下，天线工程师一直在不断研究新的星载天线形式作为反射面天线、相控阵天线的补充方案[2]。

反射阵天线(reflect array antenna, RA)由反射阵列和馈源组成，是结合了反射面和相控阵若干优点的一种新型天线。反射阵天线不仅巧妙地结合了反射面与相控阵的若干优点，而且摒弃了二者的若干缺点。反射阵天线具有显著的技术优势：(1)相较于反射面而言，反射阵天线的剖面低、体积小、重量轻，便于收拢、展开，降低了天线结构的复杂度；(2)相较于相控阵而言，反射阵天线无需馈电网络，馈电损耗小，在大口径情况下易于实现较高的天线效率；(3)反射阵使用成熟的PCB工艺加工制备，成本低廉；(4)每个反射阵元的相位独立可控，设计自由度大，易于实现赋形波束、多波束等功能[3]。鉴于上述优点，反射阵天线已经受到国内外卫星、天线从业人员的广泛关注，并将其视作最具潜力的高性价比星载天线形式之一。

1 反射阵天线基本原理

反射阵天线的起源可以追溯至1963年，Berry等首次提出了反射阵的基本概念，并利用短路波导加工了反射阵的原理样机[4]。最初的反射阵原型如图1所示，采用喇叭作为馈源照射长度可调的短路波导，通过控制短路波导的长度来控制反射相位。由于反射阵原型的基本单元为波导结构，当天线的工作频率较低时，反射阵的体积、重量都会变得难以承受，相关研究工作由于缺乏应用前景而被搁置。

图1 反射阵天线设计原型[4]

直到20世纪80年代末，随着PCB工艺的日趋成熟和计算机科学的飞速发展，学者才开始重新关注反射阵，反射阵天线由此进入了空前繁荣的时期。反射阵由按照一定规律排布，具有相似拓扑结构的单元构成，通过对每个阵元的反射相位，进行独立设计来调整馈源入射波的散射相位，在反射阵的口面上形成期望的相位波前，最终产生期望的辐射波束。反射阵单元的形状千变万化，大致可以分为如下三类：连接长度可调相位延迟线的贴片；尺寸可调的贴片；旋转角度可调的开口环[5]。反射阵天线是反射面天线与相控阵天线的结合体，兼具反射面天线空间馈电的低损耗特性与相控阵天线灵活的波束控制能力。

2 星载反射阵天线应用现状

星载天线是卫星有效载荷的重要组成部分。目前，星载天线的主要实现形式为喇叭天线、反射面天线、相控阵天线和微波透镜天线。反射阵天线本身具有极大的设计自由度与灵活性，各种平面结构、共形结构都可以用作反射阵天线的载体，这使得反射阵天线在空间应用方面具有极大优势。如何将反射阵用于雷达遥感、深空探测、无线通信等领域，已经成为当前反射阵领域的研究热点之一。在卫星应用需求的牵引下，美国国家航空航天局(NASA)结合科研任务开展了大量的研究论证工作，如表1所列。本节将按照星载反射阵天线的发展历程，简要介绍并分析NASA已经实施的反射阵的论证案例与演示验证试验。

2.1 WSOA & KaRIn

卫星雷达测高技术可以提供全球海面地形信息，在大地测量学和海洋学等领域得到了广泛应用。21世纪初，美国国家大气海洋局与NASA等机构联合发起“海洋表面地形学计划”(OSTM)。作为OSTM卫星的重要试验载荷，宽刈幅海洋高度计(WSOA)将验证一种新型的高精度海洋表面地形学测量方式[6]，但是WSOA的研制由于资金问题最终被搁浅。2015年，法国国家空间研究中心与泰雷兹·阿莱尼亚航天公司签署了“地表水与海洋地形学”(SWOT)卫星研制合同。与Jason系列卫星的海洋高度计相比，SWOT卫星的性能将得到大幅提升，可以精确测量海面、湖面、河流等地表水高度，经过反演可以得到空间尺度大于10 km的中尺度、次中尺度大洋环流特征[7]。SWOT卫星的主要载荷是Ka频段雷达干涉计(KaRIn)，该干涉计包含2副位于卫星两端的5 m天线[8-9]。

表1 星载反射阵应用现状

图2 WSOA[10]与KaRIn[11]系统概念图

无论WSOA系统还是KaRIn系统，大口径天线都是最关键的部件之一。在天线方案论证阶段，研究人员对比分析了不同天线的优缺点。由于平面反射阵在折叠收拢与双极化双波束辐射方面具有独特的技术优势，偏馈平面反射阵天线方案最终脱颖而出。如图2所示，KaRIn继续沿用WSOA的偏馈反射阵天线方案[10-11]，工作频率由Ku频段提高至Ka频段，天线口径由2.2 m×0.35 m增大至5 m×0.26 m，两部天线之间的基线长度由6.4 m延长至10 m；随着工作频率与天线口径的提高，天线增益由39 dB提高至49 dB。在KaRIn的天线系统中，V/H双极化馈源布置在卫星的本体，具体形式为波导缝隙阵列；V/H双极化馈源分别位于反射阵的焦点两侧，通过偏焦原理实现V/H双极化波束的±3.3°指向，从而实现期望的波束覆盖；采用正方形微带贴片作为反射阵单元，通过调节贴片的边长来控制反射相位。目前，KaRIn天线已经完成研制，SWOT预计于2021年完成发射。虽然反射阵天线方案最具竞争力，但反射阵天线也存在显著缺点，如：技术成熟度较低、缺乏在轨演示验证、技术风险高等。

2.2 ISARA

作为一种全新的空间天线形式，反射阵存在巨大的技术风险。为了验证反射阵的空间适应性与技术成熟度，NASA率先选择具有低成本优势的立方星来搭载反射阵。2017年11月12日，NASA通过“小卫星技术”项目开发的ISARA立方星搭乘“天鹅座”货运飞船飞往国际太空站，并完成在轨演示验证任务。

图3 ISARA反射阵收拢、展开示意图及其测试样件[12]

如图3所示，ISARA的辐射口径为3块33.9 cm×8.26 cm，反射阵与太阳能帆板共用一个孔径；馈源安装在立方星本体，焦距为27.6 cm，馈源偏置为14.67 cm；天线增益达到33 dB。ISARA不仅是世界首颗将反射阵天线与太阳能电池板进行集成的卫星，同时也是世界首次在轨验证Ka频段反射阵天线[12]。

2.3 MarCO

基于ISARA的成功在轨演示验证，NASA尝试利用MarCO立方星搭载的反射阵天线来完成地球与火星之间的中继通信任务。2018年5月5日，NASA将“洞察号”火星着陆器以及两颗MarCO立方星送往太空[13]。如图4所示，这两颗立方星互为备份，负责完成“洞察号”EDL期间的中继通信任务。当“洞察号”实施着陆时，MarCO将从火星上空3 500 km处飞掠火星。

图4 MarCO立方星及其火星对地通信中继示意图[13]

2018年11月26日14时54分，“洞察号”在火星表面成功着陆，在“洞察号”火星着陆器EDL期间的7 min内，MarCO以8 kbit/s的速率实时向地球传输数据，并向地球传回了火星的照片。在执行中继通信任务时，MarCO调整自身姿态使X波段反射阵天线的波束朝向地球、UHF波段天线的波束朝向“洞察号”。MarCO可以始终和地球保持联系，地面控制人员只需等待几分钟，就可以获取“洞察号”的着陆信息。MarCO是历史上首次在深空任务中使用立方星来实现中继通信，验证了小型深空通信设备的可行性。MarCO首次试验了立方星具有深空探测的应用潜力，为未来利用立方星开展深空探测提供了先例。此外，该试验也证明了反射阵天线适用于低成本卫星，并有望将其推广至空间分布式应用。

2.4 OMERA

经过ISARA、MarCO的成功在轨验证，反射阵的空间适应性与技术成熟度都得到了充分的验证。为了进一步提高天线增益，NASA正在尝试利用立方星来搭载口径接近1 m的OMERA。如图5所示，OMERA的口径为81.8 cm×98.4 cm，工作在Ka频段，增益将达到48 dBi[14]。OMERA的辐射口径由15块通过铰链连接的矩形平板组成，其中，1块固定在卫星本体上，14块可以折叠展开。OMERA受到有效载荷技术演示验证(PTD)项目的资助，计划于2020年完成发射。

3 星载反射阵天线发展趋势

随着现代卫星技术的蓬勃发展，卫星平台对星载天线的要求也越来越苛刻。通常，星载天线具有赋形波束、多波束、波束扫描、高增益等不同要求。反射阵凭借其灵活的波束控制能力、简单的平面结构脱颖而出，有望在星载天线领域大放异彩。

3.1 赋形波束反射阵

星载天线作为沟通卫星与地面站之间的桥梁，是卫星通信载荷的关键组成部分之一。地球同步轨道卫星的通信服务区往往是地球上某一特定的区域范围，这就要求星载天线具有波束赋形能力，使卫星的通信服务范围能够覆盖指定服务区域[15]。目前，反射面天线是星载波束赋形天线的主要实现形式。微带反射阵天线为星载波束赋形天线提供了一条新的技术途径。如图6(a)所示，文献[16]采用3层矩形贴片作为基本单元，利用25 305个基本单元，设计了一款实现中国版图赋形的双频双极化微带反射阵天线，证明了利用反射阵天线来实现复杂赋形波束的可行性和有效性。

图5 OMERA示意图及其收拢、展开图[14]

(a)赋形波束反射阵[16] (b)多波束反射阵[20]

(c)大口径反射阵[21] (d)波束扫描反射阵[23]

3.2 多波束反射阵

随着通信业务需求的迅猛增长，地球同步轨道上的高通量卫星(HTS)已经成为当今空间通信技术领域的研究热点之一[17]。多波束天线(MBA)是HTS系统的关键组成部分。此外，由于在波束形成、重构、扫描方面具有较大灵活性、抗干扰能力突出，MBA在中/低轨道卫星通信领域也得到了广泛应用[18]。通常，反射面MBA的馈源由若干个喇叭天线组成，具体实现形式为每波束单馈源(SFB)和每波束多馈源(MFB)。文献[19]提出了两款基于反射阵的MBA，第一款MBA由两个反射阵组成(一个用于K频段发射，另一个用于Ka频段接收)，每个反射阵都能实现四色覆盖；第二款MBA由两个双频(接收频段与发射频段)、双极化(左旋圆极化与右旋圆极化)双反射阵天线组成，每个双反射阵天线能够覆盖一半区域。如图6(b)所示，文献[20]提出了一种用于空间应用的K/Ka双频段双圆极化反射阵天线，该天线的双频、双线极化反射阵与双频极化器都独立设计完成，因此可以独立地控制每个频段、每个极化的波束指向。虽然基于反射阵的MBA还有很多需要解决的问题，但是为K-Ka频段卫星的多点覆盖问题提供了一条新的解决途径。

3.3 大口径反射阵

由于火箭推力、整流罩包络等限制，常见的可展开结构可能无法满足未来深空探测、天文观测、战略侦察等工程所需的大口径空间天线的构建要求。为了充分发挥反射阵结构的灵活性，NASA的Huang博士深入研究基于充气式展开结构与薄膜材质的反射阵天线[21]，利用该技术可以极大程度降低反射阵的重量与收拢体积，这一点对于大口径空间天线而言至关重要。如图6(c)所示，Huang博士曾分别设计了1 m口径与3 m口径的充气式可展开反射阵天线。其中，3 m口径反射阵天线工作在Ka频段，大约有二十万个单元，增益为54.4 dBi。该天线是迄今为止实际加工完成、电尺寸最大的反射阵天线。在轨组装是将单/多次入轨的结构模块、功能模块等基本单元依序组装成期望的大型空间系统，具有结构效率高、扩展性强、可逐步升级等特性。在“Reflectarray Antennas”一书中，Huang博士介绍了一款分段拼接的在轨组装反射阵天线，该天线由7块直径3.3 m的六边形平面反射阵子口径组成，利用高精度铰链与锁定机构来展开子口径并最终形成10 m的近似抛物面口径[2]。反射阵具有低剖面与重量轻的优点，且其平面结构便于加工、包装、空间运输、在轨装配。相比于反射面天线，为了保证大口径可展开天线的形面精度，反射阵天线所需要的折叠机构会更加的简单与可靠。由此可见，反射阵天线非常适合用作空间大口径天线。

3.4 波束扫描反射阵

随着卫星通信技术的发展，对通信容量和通信速率的要求越来越高，需要装配更多的星载可动点波束天线[22]。基于新材料、新工艺、新技术的新型天线技术将为现代卫星天线带来革命性变化。随着微型电机与MEMS电机等小型化设备的快速发展，基于机械控制的可重构反射阵天线逐渐成为可重构反射阵天线的备选方案之一。如图6(d)所示，文献[23]采用微型电机对X波段的双开口圆环进行机械旋转，可以实现最大60°的波束扫描角，口径效率高达50%。文献[24]采用C波段的缝隙贴片作为基本单元，通过机械结构调节贴片到地板之间的高度来控制反射相位，可以实现最大60°的波束扫描角，口径效率高达48%。电子相位调节具有扫描速度快的优势，逐渐成为波束扫描反射阵的主要实现形式之一。目前，PIN二极管是可重构反射阵天线设计中最为常见的电子装置。文献[25]设计了一款基于PIN二极管的60 GHz反射阵天线，该天线由160×160个单元组成，基本组成单元为通过PIN二极管连接到短路枝节的矩形微带贴片。文献[26]设计了一款基于PIN二极管的双频可重构反射阵天线，该天线可以工作在11.1 GHz与14.3 GHz两个频点。具有波束扫描功能的可重构反射阵列天线是未来卫星天线技术的重要发展方向之一。