低轨星座多波束相控阵天线研究进展与发展趋势

于 立，雷柳洁，张 凯，万继响，张乔杉，李 岩，龙 毛

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

低轨卫星星座的发展最早可以追溯到上世纪八九十年代。为了顺应采用非地球静止卫星轨道从太空提供通信服务的趋势，美国摩托罗拉公司于1987年率先提出了第一代低轨卫星星座“铱星(Iridium)”[1-2]。随后，美国LQSS公司又于1991年提出了"全球星"星座计划[3]。但是由于市场定位错误、技术复杂度高、投资过大、研发周期长及系统能力弱等多种原因，这些低轨卫星星座系统在2000年前后迎来了破产潮。近年来，随着卫星通信技术的迅速发展，特别是得益于火箭发射成本的降低、卫星制造能力的提升、集成电路技术和通信技术的进步[4]，低轨卫星星座悄然复苏，并朝着宽带、高通量方向发展，有望成为5G的有效补充。

多波束相控阵天线可以利用波束形成网络同时实现多个独立的高增益波束，是低轨卫星星座的核心载荷之一，它具有灵活度高、扫描角域宽、可靠性高等优点，不仅可以满足广域覆盖、宽带传输，而且还能实现随遇接入、多点通信等迫切需求。目前，国内已经发表了多篇关于星载相控阵天线的综述文章[5-9]。这些文献大都是对应用于中低轨道以及同步轨道卫星的相控阵天线或多波束天线进行整体的归纳和总结，鲜少有文献单独针对应用于低轨卫星星座的多波束相控阵天线展开论述。本文旨在针对应用于低轨星座的星载多波束相控阵天线进行归纳和分析。首先梳理了低轨星座多波束相控阵天线的发展历程，总结了波束形成技术，指出了相控阵天线的关键技术，并展望了低轨星载多波束相控阵天线的未来发展趋势。

1 发展历程

国外对星载多波束相控阵天线的研究已经历了40 余年的时间。早在20世纪八九十年代，美国就已经将多波束相控阵天线应用到低轨卫星星座领域。根据低轨卫星星座的发展历程，低轨星载多波束相控阵天线可以划分为3个发展阶段，如图1所示。

图1 星载多波束相控阵天线的发展历程Fig.1 Development history of low-earth-orbit spaceborne multi-beam phased array antennas

1.1 第一代低轨星载多波束相控阵天线

1987年，美国摩托罗拉公司提出并部署了第一代真正依靠低轨卫星星座提供联系的全球个人通信系统，并将之命名为“铱星(Iridium)”[1-2]。铱星星座由分布在6个极轨道平面上的66颗卫星组成，轨道高度为780公里，轨道倾角为86.4°。如图2(a)所示，每颗卫星的主任务天线由3个收发共用的L频段有源多波束相控阵天线组成，它们以一定角度面向地球，提供从卫星到地面用户的L频段链路。每副相控阵天线采用固定波束覆盖方法，其16点波束覆盖图如图2(b)所示。

如图2(c)和图2(d)所示，每副相控阵天线阵列由106个轻量贴片辐射器组成，每个辐射器由一个T/R模块驱动，这些模块又由优化的波束形成网络共同激发。贴片阵列安装在铝质蜂窝平板上，功率调节器和T/R模块也粘合在该平板结构上，以获得良好的热和机械连接。模拟波束形成网络由8个16x16 Butler矩阵组成，这些矩阵依次由10个8x8正交Butler矩阵馈送，可用于形成16个优化的接收/发射赋形波束，其中T/R模块用于在接收状态中保持高G/T并在发射状态下生成高效的EIRP。因此每颗卫星总共可以产生48个波束。

图2 铱星星座Fig.2 Iridium constellation

如图3(a)所示，卫星系统的发射和接收天线是分开设计的，且分别工作在S频段和L频段。二者皆采用固定波束覆盖方案，波束覆盖图分别如图3(b)和图3(c)所示。由61个单元组成的L频段16波束相控阵天线负责接收来自地面移动终端的信号，而由91个单元组成的S频段16波束相控阵天线用于向地面移动终端发送信号。以S频段发射天线为例，如图4所示，天线的顶部是辐射阵列，底部是由固态功率放大器和带通滤波器组成的密封模块。辐射阵列是六边形平面阵列结构，其中单元呈等边三角形排列。密封模块放置在波束形成器上方的散热器上。具有16层结构的模拟波束形成器呈圆形排列，其多波束形成策略是利用功率分配器和功率合路器组成的射频波束形成网络，形成16个波束。

图3 全球星系统Fig.3 Globalstar system

图4 全球星系统发射天线Fig.4 The transmitting antenna of the Globalstar system

第一代低轨星载多波束相控阵天线工作在L/S等较低频段，带宽较窄；采用模拟波束形成网络实现固定波束覆盖，且波束数量一般不超过16个。

1.2 第二代低轨星载多波束相控阵天线

新铱星公司于2007年提出的铱星二代(Iridium NEXT)计划是第二代铱星系统，可以提供高质量的语音和数据通信[10]。它由66颗LEO卫星和另外9颗在轨备用卫星以及6颗地面备份卫星组成。铱星二代的轨道参数与铱星的轨道参数是一致的。

如图5所示，卫星的主任务天线是一个L频段由120个单元组成的平板相控阵天线，可产生48个发射和接收波束，用于与用户终端通信。同时，每颗卫星还使用两个Ka波段馈线链路天线生成两个20/30 GHz的可移动波束以与地面网关相连接。此外，该系统还支持星间链路功能，可通过两个固定天线和两个可动天线实现同一轨道前后及相邻轨道平面左右共4颗卫星之间的通信连接。

2010年开始建设的全球星二代(Globalstar-2)[11]是第二代全球星系统，它继承了全球星的关键技术，采用了相似的平台，并仍然采用收发分开的固定多波束相控阵天线体制。如图6所示，为了增加在轨寿命(从Globalstar-1的7.5年增加到Globalstar-2的15年)和降低成本，S频段发射天线采用了半有源相控阵天线，即发射天线采用两个无源多面圆顶天线(TX10、TX6)组成16个波束和一个多端口放大器提供信号放大。中心波束1由TX10的喇叭生成。此外，TX10的其余9个辐射面形成9个波束，TX6的6个辐射面(每个辐射面有8个单元)在中间形成6个波束。此外，多端口功率放大器可以实现波束之间的功率调节。接收天线仍采用L波段有源16波束相控阵天线。接收天线由52个单元间距为0.6波长的辐射单元、滤波器和低噪声放大器以及波束形成网络组成。具有7个多层板的模拟波束成形网络能够使用3 dB混合分配器来提供低色散波束成形性能。

图5 铱星二代系统Fig.5 Iridium NEXT system

图6 全球星二代系统 Fig.6 Globalstar-2 system

第二代低轨星载多波束相控阵天线仍然工作在L/S等较低频段；采用模拟波束形成网络实现固定波束覆盖，单副天线产生的最大波束数量增加到48个。

1.3 第三代低轨星载多波束相控阵天线

2015年，美国SpaceX公司提出了大规模巨型星座计划Starlink，其目标是为全球提供高速、低时延宽带接入服务[12-13]。Starlink星座由分布在 550km 处的 4409 颗卫星和分布在 340km 高度处的 7518 颗卫星组成。截至2022年9月15日，SpaceX已经发射了 3293 颗卫星，其中包含两颗试验卫星，最近一次发射发生在2022年9月11日，将34颗卫星发射到低地球轨道上。

渠道混凝土衬砌施工，采用伸缩缝分块的方式进行，渠底与渠坡可采用跳仓浇筑的方式进行施工，施工单位在施工过程中，可根据实际情况优化施工浇筑次序。

Starlink卫星部署的Ku频段多波束相控阵天线代表了民商用通信卫星相控阵天线的最新水平，它采用了跳波束覆盖技术，并于2019年实现了在轨应用。如图7所示，相控阵天线采用由内向外逐渐稀布的方式。它采用瓦片式构架, 总体来说分为4层，包括天线阵面层，映射层，多工馈电层和波束形成层。波束形成部分使用仅包含移相器的 8 通道 8 波束多功能芯片，这可以降低芯片成本、尺寸和功耗。在该方案中，多个天线波束和相位扫描功能由多功能芯片实现，振幅加权由阵列排列实现。

图7 Starlink系统Fig.7 Starlink system

OneWeb星座是美国OneWeb公司建设的新一代宽带低轨卫星星座通信系统,其目标是能够向全球提供无缝且价格适宜的的宽带互联网接入服务[12,14]。根据OneWeb卫星公司于2021年1月向FCC提交的申请文件，OneWeb星座布局设计应该包括6372颗低轨卫星和1280颗中地球轨道卫星。

每颗卫星能够产生16个Ku频段椭圆形用户波束和两个Ka频段馈电波束，可以灵活地对地面特定区域进行连续覆盖。如图8(b)和图8(c)所示，用户链路天线采用一个由16个线型馈源组成的Ku无源多波束相控阵天线，来形成16个长椭圆形状固定波束。该天线采用了紧凑型模拟波束形成网络来对金属辐射器的两个极化进行馈电。此外，该天线还采用了一种刀片型天线外形设计以满足卫星对质量和成本的限制。

近年来，国内众多单位也积极开展了低轨通信卫星试验系统的研制[15-16]。例如中国航天科技集团的鸿雁星座包含864颗卫星，其中72颗为L频段窄带系统，提供话音业务；792颗为Ka频段宽带系统，提供数据业务[15]。中国航天科工集团虹云星座包含156颗卫星组成的Ka频段宽带低轨卫星星座；行云星座包含80颗卫星，提供窄带物联网服务。中电科集团天地一体化信息网络天象星座包含60颗综合星和60颗宽带星的星座系统。2021年4月26日，中国卫星网络集团有限公司成立，其向ITU提交了两个低轨卫星星座的频谱申请[16]，总计卫星数量高为12992颗，这标志着我国低轨卫星星座正式进入如火如荼的发展阶段。此外，国内众多民营商业航天公司，如银河航天和九天微星等，也在进行低轨卫星系统的设计与研发。

其中，如图9所示，在中国航天科技集团研制的鸿雁星座通信系统中，采用Ka频段4波束相控阵天线，从而形成4个独立发射波束和4个独立接收波束，并且在轨成功验证了跳波束宽带通信技术。

图8 OneWeb系统Fig.8 OneWeb system

图9 鸿雁首发星Fig.9 Hongyan satellite

第三代低轨星载多波束相控阵天线主要工作在Ku和Ka频段，并有望朝着Q/V等更高频方向发展；目前主要采用模拟波束形成技术，但数字波束形成技术是其未来发展趋势；跳波束覆盖方式逐渐取代固定波束覆盖方式以实现灵活覆盖。

2 星载相控阵天线的多波束形成技术

波束形成网络是星载多波束相控阵天线的关键，其核心是多波束形成技术。按照波束形成方式来划分，多波束形成技术包括模拟波束形成、数字波束形成和光控波束形成3种，其中模拟波束形成技术是目前星载多波束相控阵天线最常用的一种方式。

模拟波束形成技术[9,17]具有宽带、损耗小、成本低等优点，但是随着波束数量的增加， 天线系统付出的代价也随之成倍增加，因而在实际工程中难以实现大规模的波束数量。模拟波束形成网络主要可以划分为两种类型，即电路式和移相器式模拟波束形成网络。早期的模拟波束形成网络主要是电路式模拟波束形成网络，最有代表性的便是Butler矩阵和Blass矩阵[18]。例如，Iridium系统中的星载多波束相控阵天线就采用了模拟波束形成网络，该网络由8个16x16 Butler矩阵组成，这些矩阵依次由10个8x8正交Butler矩阵馈送，可用于形成16个接收/发射波束[1,2]。后来，移相器式模拟波束形成网络开始出现并广泛应用到星载领域。它使用移相器和衰减器来调整单元信号的幅度和相位，并利用功率分配及合成网络实现波束信号的分配和合成[9]。例如，Globalstar系统中的星载多波束相控阵天线便是使用移相器式模拟波束形成网络形成了16个波束[3]。此外，随着电磁超材料技术的发展，超表面微带阵多波束技术作为一种模拟波束形成方案，在星载应用领域也具有一定的应用前景[19-20]。

数字波束形成技术[21-22]是一种使用专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)对基带信号进行加权求和运算来形成多个波束的空间滤波方法，其最显著的优点是能够产生大规模的波束，这是因为数字波束形成网络的权重和功耗仅取决于信号带宽和辐射组件的数量，与波束数量无关。但是受限于数字采样芯片采样速率，特别是星载应用，目前主要用于带宽较窄的低频段。迄今为止，数字波束形成技术已经应用在为中轨道运行的 ICO 卫星系统开发的 S 波段 163 波束接收和发射相控阵天线中[23]。Satixfy公司也已经提出了世界上第一个能够在卫星通信中实现实时卫星延迟的商用数字波束成形 ASIC 芯片，并将之命名为Prime[21]。此外，数字波束形成技术有望在OneWeb,Telesat和O3bmpower星座的后续发射计划中得以应用[12,24]。

光控波束形成技术[25-26]采用光纤或光波导作为传输线，通过有序光子真延迟控制实现波束扫描，在同时实现相控阵天线的宽带和多波束特性方面具有显著优势，但仍存在高集成小型化、对温度敏感等问题。例如，20世纪90年代, AEHF通信卫星相控阵天线在设计时就曾论证过光控波束形成方案，光控波束形成网络可以有效增加天线带宽，提高卫星的通信容量,并且具有体积小和多波束实现容易的优点，但其重量略重。AEHF通信卫星相控阵天线最终选择了模拟波束形成方案[27]。近年来，光控相控阵天线地面应用已渐趋成熟，各国正大力开展星载高频宽带通信应用及相关光电子器件的空间试验研究[28-29]。

3 低轨星载多波束相控阵天线设计的关键技术

星载多波束相控阵天线是低轨通信卫星系统的核心载荷之一，但也存在设计难度大、关键技术尚待解决等缺点。低轨星载多波束相控阵天线的主要关键技术体现在以下4个方面。

3.1 低剖面多波束相控阵天线系统架构设计技术

高密度集成相控阵天线的实现主要有“砖块”架构、 “瓦片”架构和“砖瓦混合”架构3种[30-31]，如图10所示。砖块架构指在相控阵天线结构中，微波电路模块的集成方式与阵面垂直，瓦片架构则是指在相控阵天线结构中微波电路的以多层集成方式平行于阵列表面。砖块架构纵向空间大，集成装配难度小，易于散热，更适合热耗较大的宽带相控阵天线应用，但体积大，难以实现低剖面目标。而瓦片架构纵向空间小，易于实现低剖面目标和轻量化，易于与平台共形，成本低，但其较小的空间对热控管理提出了更高的要求，工作带宽相对较窄。砖瓦混合架构的顶端部分和底端部分为瓦片架构，中间部分为砖块架构。它既可以有效降低阵列高度，又可以满足功耗较大的高密度集成相控阵天线，其剖面高度介于砖块架构和瓦片架构中间。如何实现低剖面多波束相控阵天线架构是星载多波束相控阵天线设计的关键技术。

图10 相控阵天线架构示意图Fig.10 Schematic diagram of phased array antenna architecture

3.2 高密度集成有源通道设计技术

目前低轨星载多波束相控阵天线主要集中在Ku和Ka频段，并朝着Q/V频段方向发展。通常相控阵天线单元的间距约为半个波长，如果天线工作在X频段(10GHz),则它的单元间距约为15mm；若天线工作在Ka频段(30GHz)时，则它的单元间距约为5mm。可见Ka频段相控阵天线的间距仅为X频段的30%左右，在这样一个狭小的空间内要放置功率放大器、低噪声放大器、开关、移相器、多波束芯片等难度极大。多通道集成是解决毫米波有源相控阵天线高密度集成的有效途径之一[31-32]，其基本思想是以 CMOS 或 SiGe 为代表的硅基半导体工艺为基础，在一个芯片上实现一块TR组件的功能。如图11所示，这是一个基于多通道集成的瓦式相控阵天线，其TR 组件创新性地采用 GaAs 与 CMOS 工艺相结合的方法，实现了8个通道的高密度集成。随着 CMOS 工艺的发展，研究高密度集成有源通道设计技术对于实现更高频段的有源相控阵天线的高密度、小型化集成具有重要意义。

3.3 多波束相控阵抗干扰技术

随着多个低轨星座的部署，不同星座之间的干扰、星座内不同卫星的干扰、同一卫星多个波束间的干扰等卫星通信干扰问题愈发严重。可见，抗干扰技术是提高卫星通信安全性和稳定性的关键技术[33]。如图12所示，对于星载相控阵天线，现阶段主要的抗干扰手段包括空域波束自适应调零、频域滤波、时/频信号窄带干扰消除以及空时/空频联合信号处理等。美国 Starlink 卫星便采用了基于空时频资源调度的抗干扰手段，其搭载的相控阵天线可以通过对波束和频率的灵活调度来规避多个卫星的共线干扰，显著提升频谱资源利用率。研究抗干扰技术对于未来星载多波束相控阵天线应对多维度干扰来源具有重要意义。

图11 多通道集成的有源相控阵天线设计框图[31]Fig.11 Design block diagram of multi-channel integrated active phased array antenna[31]

图12 星载相控阵天线的主要抗干扰手段Fig.12 Main anti-jamming methods of spaceborne phased array antenna

3.4 多波束相控阵天线快速测试技术

天线测试是多波束相控阵天线生产环节中最重要的组成部分。如表1所示，在测试多波束相控阵天线的过程中，首先要将相控阵天线的典型多波束远场指标测试流程分解为多个测试项目，然后每一测试项目又分解为数个与测试频率和验证角度相关的测试操作点；每一测试操作点都需反复操作转台、波束控制系统、天线测试系统使其协同工作[34-35]。因此，多波束相控阵天线在测试过程中具有测试波位多，测试量大的特点。如何快速准确地对相控阵天线进行测量也成为其关键技术之一。

表1 某有源平板缝隙相控阵天线的多波束测试流程[34]

4 低轨星载多波束相控阵天线的发展趋势

4.1 工作频率朝着更高频方向发展

第一代和第二代低轨星载多波束相控阵天线工作在L/S等较低频段，近年来，随着新型低轨宽带卫星星座的蓬勃发展，第三代低轨星载多波束相控阵天线的工作频率开始采用Ku和Ka频段，并朝着Q/V 等可以提供更高的频段和更宽的带宽的毫米波频段发展。如表2所示，OneWeb、Boeing、SpaceX、Telesat 等主要航天公司均已规划了下一代 Q/V 波段低轨卫星星座计划[36]。

表2 下一代 Q/V 波段低轨卫星星座计划Tab.2 Next-generation Q/V-band low-erath-orbit satellite constellation plans

4.2 波束形成方式从模拟波束形成向数字波束形成技术发展

低轨星载多波束相控阵天线主要利用模拟波束形成网络来形成多波束。模拟波束形成是最经济的波束形成方式，具有成本低，宽带和功耗低的优点。但是随着波束数量的增加，其付出的成本代价也是成倍增加的，因而在实际星载工程应用中难以实现大规模的波束。数字波束形成技术[21-22]是一种灵活的波束形成方式，其最显著的优点便是可以产生大规模的波束，这是因为数字波束形成网络的重量和功耗仅由信号带宽和辐射组件的数量决定，而与要产生的波束数量无关。目前，Satixfy公司已经提出了世界上第一个能够在卫星通信中实现实时卫星延迟的商用数字波束成形芯片Prime[21]。 OneWeb 和 Telesat公司也已经相继和Satixfy公司达成合作，并有望在后续的卫星发射中采用数字波束形成技术。

4.3 波束覆盖方式从固定波束覆盖向跳波束覆盖转变

第一代和第二代低轨星载多波束相控阵天线均采用固定波束覆盖的方式，这种方法存在着资源损耗大，星载功率利用率低以及在用户分布不均匀的场景下资源浪费大等问题。为了提高资源分配的灵活性，第三代低轨星载多波束相控阵天线逐渐开始采用跳波束覆盖方式[37]，比如鸿雁星座和Starlink星座上搭载的多波束相控阵天线均采用了跳波束覆盖技术以实现灵活波束覆盖。因此，跳波束覆盖技术有望在低轨卫星星座中获得广泛应用。

4.4 相控阵天线朝着收发共口径、稀疏化方向发展

低轨星载多波束相控阵天线主要采用收发共用和收发分离两种天线体制，收发分离的天线形式对相控阵天线的体积、重量及安装空间又提出了更高的要求，而收发共口径相控阵天线则展现出明显的空间优势[38]。将收发共口径天线应用于低轨卫星，可极大程度地降低天线对载荷平台的需求，提高其空间利用率。同时，若相控阵采用稀疏阵设计，则可以大大减少单元通道数，进而实现低成本。比如，Starlink卫星上搭载的多波束相控阵就采用了由内向外逐渐稀疏的稀疏阵列设计[13]。

5 结论

国外对星载多波束相控阵天线的研究起步早，发展较为成熟，已在低轨卫星星座领域取得了一定的成果。近年来，我国也逐渐开展了一系列低轨卫星星座建设工作，但总体来说，星载多波束相控阵天线的技术水平与欧美等发达国家依然存在一定的差距。目前，星载多波束相控阵天线在低剖面架构设计、高密度集成有源通道设计、抗干扰技术以及天线快速测试技术等方面仍面临着诸多挑战。毫米波频段、数字相控阵、跳波束覆盖、收发共口径以及阵列稀疏化等是未来低轨星座多波束相控阵天线的发展趋势，对低轨卫星星座的发展具有重要意义。