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作者：杨红俊(中国电科10所） 过去10年中，用户要求卫通终端的天线更小、更轻、功能更强、更通用，包括要求天线能与GEO、MEO、LEO轨道的卫星通信，工作在多个频段。采用抛物面地面天线有时可以做到这一点，采用平板天线却极有挑战性且极为复杂。但是新技术层出不穷，不久平板天线将大量使用，且可用于不同的应用。 决定平板天线需求的最重要因素是外形。平板天线小巧、紧凑、便携，所需功率小，提供的数据量却极大。目前新涌现的技术还能实现高频谱效率，用于LEO和MEO卫星操控时可以从一个波束移到另一个波束，也可同时跟踪2颗卫星。另外，软件无线电和辐射方向图重构的发展可以实现用一个终端与多颗具有多个频段和多个轨道的卫星通信。 另一个决定因素是移动部件极少甚至没有。虽然采用机械控制的天线因为有时会出现机械问题而被大家轻视，但是许多机械控制天线使用几十年也没有问题。机械控制对于抛物面天线和平板天线是有利的，因为它能实现较宽的仰角，因此可以工作在更偏远的地方，应用范围更广。即便如此，对电控平板天线仍有需求，如果配备多个协同的平板天线，可以实现近半球或全半球覆盖，没有任何移动部件。 通中动（COTM）是平板天线技术的另一个重要决定因素。与移动的飞机、舰船或车辆连续通信的需求推动了对适应环境而不是受限于环境的技术投资。 平板天线采用了几种不同的技术，有些出现在20世纪七、八十年代，有些是现在才涌现。大多数平板卫星通信天线是：基于波导的机械控制喇叭天线或隙缝天线阵列、机械控制印制电路板（PCB）天线或有源电控阵列（ESA）天线。 基于波导的阵列天线是最传统的平板天线之一。波导用作馈电网络，也形成辐射阵元的基础。常常将喇叭用作单独的天线阵元。喇叭天线就是喇叭形状的通过喇叭引导能量的天线。因此喇叭阵列天线是由将能量送入或送出喇叭背面馈电网络的多个喇叭组成的天线。缝隙天线的使用方法类似。由于通过这些辐射阵元放射的能量不容易改变到多个方向，因此基于波导的阵列天线必须采用机械控制。在某些情况下，根据阵元带宽和所需的阵元间距，可将收、发阵列集成在一起或让它们作为单独的实体存在。 基于波导的阵列天线通常用于高频应用，包括卫星通信和雷达，这是因为波导作为传输线具有损耗低的特性，尤其与基于PCB的天线和馈电网络相比。 这种阵列的局限性通常包括复杂昂贵的制造工艺，最终生产出的天线与PCB天线相比整体结构较厚。辐射阵元带宽有限也是一个考虑因素，虽然缝隙天线通常比喇叭天线小巧，但是它们的带宽都较窄。 三、采用机械控制的印制电路板天线 印制电路板（PCB）天线阵列在出版的技术文献中极为普遍，阵列采用方形或圆形贴片天线作为辐射阵元构成。它的馈电网络可以由基于PCB的结构或波导分系统组成。由于改变PCB天线基础结构的物理特性非常容易，PCB天线易于改造成不同形状和尺寸以优化带宽，或改造成具有异常多样性的离散方向图。因此PCB天线阵列成为波导阵列的杰出备选方案，因为它们更适合大批量和低成本制造。 PCB天线还易于将各种组件集成到PCB结构中，如增加相移单元实现可重构辐射图，或增加增益和滤波单元改善天线整体性能。 PCB天线阵列的物理尺寸易于伸缩，可以满足体积、重量和功率（SWaP）的指标要求，或满足规定的性能要求。与基于无源波导的天线类似，PCB天线阵列可以是交织结构（收发功能共享同一个天线孔径），也可以是分离结构。 具有固定波束的PCB天线阵列可采用与抛物面反射天线相同的机械定位系统。系统结构上的一个重要区别是PCB天线阵列的馈电网络通常放在辐射阵元后面，而抛物面反射天线则放在整个装置的前面，使天线整个外形在使用时很相似，但是由于去掉了安装在吊杆上的射频馈电网络，显得更为分离。 PCB天线阵列的这种外形（无需馈电杆）使它成为单人可携带终端在系统结构上的良好选择。例如，PCB天线阵列可以非常小，几百个阵元既可只用于接收也可用于收发，无需操作杆装置。这有助于使单人天线携带起来小而轻便，易于利用可调节高度的折叠腿等特性部署天线和手动调节天线指向，优化天线的位置，实现全方位覆盖。 对于飞机，PCB阵列天线可以制造成特别适合飞机的结构形状，无论是小尺寸还是大尺寸的阵列均如此。共形可以将真正低剖面空气动力学天线罩放在天线上，整个装置在飞行过程中不会产生过大的阻力。固定波束的共形天线通常并不意味着是机械控制的，因此具有有限的视角。对于飞机而言，更好的方案是采用传统机械定位的短而宽的平板天线，因此平板天线可以在处于地平线时或靠近地平线时倾斜，向卫星收发信号。 PCB天线的优势是比基于波导的天线制造起来更容易更经济，也可为某些应用做成共形天线。 PCB天线独特的缺点是，与传统抛物面反射天线的充气式波导组件和馈源系统相比，它是有损耗的。对于LEO和MEO卫星应用，如果采用基于PCB的平板技术，损耗可以不太大，由于终端距离中低轨卫星更近，自由空间损耗的影响会减小。 四、有源电控阵列天线 有源电控天线（AESA）是每个阵元具有独立固态收发组件的阵列天线，因此每个阵元可独立指向或跟踪一颗卫星进行收发，或与其它阵元协同产生更大的波束，提高增益。使用一副AESA天线，操作员可利用天线的控制系统使阵元同时指向多颗卫星。由于所有射频能量可用电子设备控制，这些天线通常没有移动部件。 与传统的抛物面反射天线相比，AESA具有一些极为独特的优势。首先，AESA只有很少甚至没有移动部件，没有决定天线功能寿命的组件通常会有的磨损，这对于LEO和MEO卫星应用而言尤其重要，因为抛物面反射天线需要随着卫星从这边地平线飞到那边地平线时不断移动跟踪卫星。一旦卫星飞出视野，可能需要多副抛物面天线进行跟踪，这取决于天线定位系统改变指向的速度。 AESA的另一个重要优势是，与抛物面反射天线相比，它能够几乎瞬时改变指向，这对于跟踪LEO和MEO轨道上的多颗卫星来说很关键。另外与GEO轨道相比，LEO或MEO距离短，PCB材料的损耗更不成问题，仍可能实现高数据速率。 但是对于GEO卫星应用，AESA没有太大优势。传统的抛物面天线采用机械定位系统，通常移动范围有限，在完成初始指向后保持在最高点。因此，采用机械定位的天线系统磨损极小，对于GEO卫星应用是极佳的，因此AESA技术并不是必需的。 对AESA而言，一个极大的挑战是当波束指向60°或距视轴更远时会发生参数滚降或增益下降。由于随着视角指向降低AESA的增益下降，因此需要多副AESA形成一个完整的视场。例如，在船上需要在桅杆顶上环绕放置多副天线，对任意方向提供完整覆盖。可以将这些天线全部组合起来，形成一整条更加鲁棒的数据链路，同时与一颗或多颗卫星通信。 AESA另一个更有前景的应用是放在移动车辆上使用。如果车辆在一个开放的地区以相对稳定的方向移动（例如从东向西穿过堪萨斯州），AESA会工作得非常好。但是如果车辆在可视能力有限的地区向南行驶，例如在有悬崖峭壁地形的地区，则会出现严重的信号中断。在这种环境下将机械控制与多副天线组合可以实现更好的整体信号管理。 AESA基于PCB的制造工艺可以使这项技术更适合大批量生产。但是与传统的PCB材料相比，Ku和Ka频段的PCB材料目前仍很昂贵。 另一种很有前途的新技术是采用超材料。这种方案采用可调谐的阵元散射无线电频率的能量，此时阵元被激活，产生一个全息波束。波束的方向由被激活的阵元控制，可以实现连续波束指向或根据需要立即改变波束方向，以保持卫星信号。如果采用其它平板技术，一副天线的控制范围是有限的，因此需要一副天线还是多副天线协同工作由应用决定。 总之，平板天线的需求由外形、极少或没有移动部件以及动中通应用决定。新技术的出现推动新型平板天线快速投入市场以满足这些需求。虽然抛物面天线或其它机械控制天线系统很可靠，适用于许多应用，但是平板天线的多功能性将创造新的市场和新的应用。 6.2018卫星大会上展出的新型平板卫通天线 2018年3月12日～15日在美国召开的2018卫星大会是卫星行业的盛会，会上展出了多家公司的卫通平板天线。 （1）Isotropic Systems公司 Isotropic Systems公司总部在英国，是主营低成本全电扫卫星天线的下一代卫星终端供货商。会上Isotropic系统公司宣布将为OneWeb开发兼容的超低成本用户宽带终端，并展出了采用转换光学技术生产出的首个低成本、全电扫终端。Isotropic Systems将根据OneWeb的用户宽带服务需求构建一个高数据量的LEO终端，价格范围要让消费者能够负担得起。公司划在2019年发布首批终端产品，以便OneWeb投入使用。 Isotropic Systems的开创性全电扫终端将提供无缝切换和无限的瞬时带宽。只需要传统终端10％的功率，Isotropic的设计是为满足OneWeb指定的扫描指标、价格和特定的增益性能而量身定制的。它采用像蜂窝一样的结构，在进行单元设计时，会充分考虑不同天线的应用场景，设计好单元结构和单元天线布局。在实际组装时，根据用户需求，如下图这样一个一个拼装起来，就可以完成一个完整的阵列天线了。 同时，Inmarsat也宣布选择Isotropic System为其生产下一代Ka频段动中通天线，用于Global Xpress网络。而在上周，Isotropic System被SES选为其下一代MEO星座（O3b mPOWER）的终端天线供应商之一（另外2个供应商是ALCAN和Viasat）。Isotropic System还与iDirect公司宣布合作开发超集成、多功能卫星终端。 （2）SatixFy公司 SatixFy公司是英国的一家公司，会上该公司的下一代卫星通信芯片与系统设计人员介绍了一款全电控多波束阵列天线（full Electronic Steered Multi-beam Array Antenna, ESMA）。这是一款基于ESMA的硅基Ku频段物联网（IoT）终端天线（如下图所示），它们分别是具有64个天线阵元和256个天线阵元的天线。 该天线具有可扩展的架构，最多可支持100万个阵元（Ku波段则是10m×10m的阵列），通过专用射频集成电路（RFIC）支持任意频率、任意极化方式（包括同时支持圆极化和线性极化）、任意形状（包括共形阵列）的设计，最多可支持32个收发波束。天线采用全数字波束形成技术，支持1GHz以上的瞬时带宽，工作在TDD和FDD模式。预计阵列效率优于70%。天线具有ACU（天线控制单元）、自校准能力和芯片三角法计算器，用于快速跟踪和波束控制。 天线通过L频段接口支持外部调制解调器，最好是与SatixFy公司的500MHz基带调制解调器芯片（Sx3000）搭配使用。根据ESMA波束的占空比，天线用电较少，如果没有信息流，天线就不需要用电，如DVB S2X的时间限制。采用集成的调制解调器，天线支持不同的工作模式，如TDD（半双工）、FDD（全双工）、超快速捕获与跟踪。 SatixFy的基带芯片还可用于另外的DVB S2X覆盖。SatixFy公司的下一代1GHz基带芯片可实现一副天线同时使用8个波束和8个调制解调器，通过一个调制解调器芯片和一个以太网端口同时提供数据和控制。目前大多数相控阵天线受限于每个阵元的功率和价格。SatixFy利用先进的硅工艺设计了自己的硅芯片，这些芯片具有独特的数字波束形成设计，使每个阵元的功率较低。天线成本主要决定于硅的经济情况，因为所有算法和创新的天线设计都是用硅来实现的。 目前SatixFy公司正在与新加坡技术工程公司（STE）合资研制机载终端天线。其它使用ESMA技术的应用还有太阳能无人机和小卫星的多波束载荷、自安装固定天线、多波束DTH（直接入户）天线、联网汽车、汽车中卫星电视的移动只接收天线等。 （3）Kymeta公司 另一家知名平板天线厂商是Kymeta公司，其KyWay卫星终端是采用电控平板天线的卫通终端，已获得Intelsat、Telesat、SES、HISPASAT这些国际卫星运营商的高通量卫星、常规卫星的入网许可证。这意味着KyWay终端能在他们的卫星网下放心使用，而不会有邻星干扰的隐患。Kymeta还获得了Eutelsat的部分认可，并正在与全球的其他卫星运营商进行天线入网的相关工作。目前KyWay终端已在10个国家7个行业的23个客户中部署使用，包括国防用户、油汽开采企业及商业用户。 下图是Kymeta公司推出的一款可快速部署的便携式移动卫通终端KyWay Go，从打开盒子到发射信号只需4分钟就可架设好开始使用。它最初的生产套量很有限，用户可租用3～6个月，也可购买。这个终端将用于Kymeta公司创新的KÄ€LO卫星连接服务和预定的MIR/CIR卫星计划。 （4）Viasat公司 Viasat开发的一款全电控相控阵平板天线被SES选择用于其O3b mPower中轨卫星通信系统。Viasat的全电控相控阵平板天线能够动态调整波束（没有任何移动部件），从而快速跟踪卫星位置，支持NGSO卫星间的无缝切换。该天线的特性还包括：频率利用率提升、动态干扰控制、增强处理能力、运行中重配置天线特性从而支持终端在NGSO卫星和GEO卫星的混合网络中工作等。 Viasat的相控阵天线采用其专有核心技术，包括新的RF集成电路和模块，支持多种类型用户终端，从家用宽带到航空机载Wi-Fi，从车载到基站中继的各种应用，以跟上持续增长的宽带连接需求的步伐。这款相控阵天线采用双波束平板天线系统，工作在全Ka频段，但也可调整定制支持Ku频段应用。 Viasat该款相控阵天线的开发得到了欧空局（ESA）PPP项目的支持，Viasat和ESA在2017年11月宣布过双发的合作。 （5）Phasor公司 Phasor公司的平板天线几乎年年都在参展，今年展会期间Phasor宣布了两项合作，分别是与低轨宽带星座LEOSAT和高轨通信卫星运营商Hispasat。作为合作联盟的成员，Phasor公司研制了Ka频段非同步轨道（NGSO）中继型低剖面电控天线，可满足任何使用情况下的需求。这种极低剖面电控天线技术可提供大带宽通信服务，使公司、政府及其它高端用户以比地面光纤快1.5倍的速率接入网络，同时具备高通量、超高的安全性和极低时延，可满足LeoSat星座对大数据和高速连接的需求。天线是固态的，没有移动部件，可电控跟踪卫星信号。天线可以是平板天线，也可是共形天线，可无缝嵌入移动平台，满足海事和移动市场的多种应用需求。相同技术也非常适合支持传统的固定卫星网络、高通量卫星和非同步卫星网络。Phasor公司的模块化天线结构使系统适用于任何使用情况的需求，无论是固定还是移动通信。
（6）AvL技术公司 AvL技术公司被广泛认为是抛物面天线技术的龙头老大，尤其是采用机械定位的坚固耐用的便携式系统，制造得极为可靠。AvL公司在全球部署了25000多副天线系统，其产品几乎随处可见，数百万人用它实现了卫星通信。 在2018美国卫星大会上首次展出的新型DarkWing Ka频段卫通终端是AvL技术公司与L3技术公司、GCS公司联合研制的小型平板天线，可装入标准17英寸笔记本电脑包内。 AvL技术公司的平板天线 （7）GetSAT公司 GetSAT公司是一家以色列公司，他们研制了一种创新的轻型卫通终端，可用于地面、机载和海上通信。美国政府已选中他们的MicroSAT和MiliSAT L/M（地面/海上）型终端提供海上和地基保密动中通应用。会上展出了他们的产品系列。
GetSat的小型化通信终端采用具有专利的全交织InterFLAT平板天线技术，用同一个平板天线收发信号，大大节约了体积、重量和功率。而且这些加固的卫星动中通终端可以在恶劣环境下全天时使用。 L/M平台采用简洁超轻的安装装置，是一款微小型化全集成的动中通加固终端。所有L/M终端采用内置IntelFLAT平板技术，易于部署和集成，可以根据地面、空中和海上应用的带宽需求配备各种尺寸的天线。它独特的一体化设计包括BUC，根据恶劣环境的指标要求优化了调制解调器。平台的功耗极低，可与Ka和Ku频段应用兼容。
MicroSat L/M具有Ka和Ku频段选项，提供10Mbps以上数据率自动收发操作。中等尺寸的终端具有前所未有的带宽，可在任何环境下手持使用。 MiliSat L/M是一款中型轻便可便携动中通Ka频段卫星终端，可实现20Mbps以上的大带宽数据率全自动收发。 低轨宽带星座对平板相控阵天线的需求已经越来越迫切，如果都等到卫星上天，地面才开始配套肯定会影响用户体验，因此对于低轨宽带卫星星座来说，找到合适的地面终端供应商也同样重要。现在的市场上虽然有许多的厂家都在进行平板相控阵天线的研制，但留给大家的时间都同样紧迫。 |
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