星载相控阵天线的技术现状及发展趋势

阎鲁滨

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

1 引言

卫星天线用于对特定的目标或地域，发射或接收载有各种信息的信号，当需要卫星交换信息的目标是可变的时候，往往要求天线的波束也做相应的变化。对于某些卫星系统，为避免采用可变波束天线的困难，往往采用宽波束的弱方向性天线或者简单的赋形波束天线来覆盖整个变化的区域，如我国中低轨道卫星天线所采用的形式。这类天线由于增益较低，只能实现较低的数据传输率。

随着应用的发展及技术的进步，对数据传输容量的要求越来越大，原来采用的低增益天线已无法满足应用的要求。采用机械扫描天线是克服上述困难的途径之一，但机械扫描天线只能实现单波束的移动，不能改变波束的形状及实现多移动波束模式，机械可移动装置的采用又往往可能导致可靠性下降、重量增加等新问题。

采用相控阵天线是克服上述困难的最佳途径之一。相控阵天线采用现代微波集成技术，可以应用同一个辐射阵面，在有限的卫星平台空间条件下，实现独立控制的多个点波束，满足未来通信的需求。相控阵天线还可以实现波束间通信容量的调整，可以根据需要改变波束形状，使用自适应调零的抗干扰技术，已在国外星上设备中广泛采用，具有广阔的发展前景。

在本世纪初，星载Ka频段相控阵天线技术在国际上各大宇航公司尚处于在研阶段，而近年来，日本的宽带多媒体卫星通信系统“宽带联网工程与验证卫星”（WINDS），美国的宽带卫星“太空之路”（Spaceway）、“宽带全球卫星通信”卫星（WGS）和“先进极高频”（AEHF）军事通信卫星等已相继发射，均采用了大规模相控阵天线技术。在此期间，国内也开展了大型星载相控阵天线预研及研制工作。这些情况预示着今后星载相控阵天线技术将有一个跨越式的快速发展。

2 国际星载相控阵天线的发展现状

目前国际上星载相控阵天线按照波束功能的不同，可以划分为区域覆盖相控阵天线、宽角扫描区域相控阵天线和有限区域扫描相控阵。

1）区域覆盖相控阵天线

区域覆盖相控阵天线通过网络对辐射阵馈相，在覆盖区形成若干相对固定的波束，波束相对于辐射阵一般不扫描，但可进行校正及微调。最典型的应用为“铱星”（Iridium）系统［1］及“全球星”（Globalstar）系统［2］。

“铱星”系统主任务天线是发展较早而至今仍然成功运用的相控阵天线系统，它服务于低轨通信卫星星座系统。该星座由66颗卫星组成，每颗星天线由三块平板阵天线组成，每块平板阵产生16个波束覆盖的角域（见图1）。三块平板共产生48个波束覆盖±45°的角域。每个辐射单元后接发射模块或接收模块。收发共用。波束形成网络由8 个16×16的Butler矩阵连接10个8×8的Butler矩阵及功率分配网络形成。“铱星”及相控阵天线的布局如图1所示。

“全球星”相控阵天线由一个发射阵及一个接收阵布局于星上同一个向地面上，如图2（a）所示。S频段发射阵由91 个单元组成，L 频段接收阵由61个单元组成。排成六角型，单元间距0．6 个波长。单元后为发射模块或接收模块。发射波束形成网络由16层1∶91的功率分配网络组成，每层的输入口输入一个波束信号，91输出端各接1 个移相段，共1 456个移相段。每16个移相段（每层一个）通过功率合成网络连接一个功率放大器及辐射单元，共有91个合成网络，连接到91 个单元上。通过以上网络，形成16个发射波束，其覆盖图如图2（b）所示；形成16个接收波束，其波束覆盖图如图2（c）所示。

图1 “铱星”相控阵天线布局图Fig．1 Iridium phased array outline

图2 Globalstar相控阵天线布局图及波束覆盖图Fig．2 Globalstar phased array outline and beam cover contour

区域覆盖相控阵天线的特点是，波束指向基本保持固定，控制移相器主要用于阵列的幅相校正及波束的微调。为了产生多个波束实现对用户区的无缝覆盖，需要采用复杂的功率分配网络。

2）宽角扫描区域相控阵天线

为了提高低轨卫星的传输数率，近年来已开始采用大角域扫描天线取代简单的赋形波束天线。美国资源卫星采用的X 频段相控阵天线，可以扫描±60°的角域。星载相控阵天线的频段正在向高端发展，特别是采用Ka频段的相控阵天线。如美国SATCOM 公司采用了20／44GHz频段，形成单波束宽角扫描的相控阵天线。美国Harris公司为“跟踪与数据中继卫星”（TDRS）系统的用户星研制了Ka频段的单波束相控阵天线，采用了240个有源单元，可以扫描±60°的空域。大角域扫描相控阵天线的特点是，为了实现大角域扫描采用较小的单元间距，整个系统需要实现较高的集成度。

3）有限区域扫描相控阵

对于地球静止轨道卫星以及某些特殊的应用，对天线扫描区域的要求是有限的，可以利用这一特点，加大天线单元的间隔及增益，从而简化天线的规模，提高天线的性能，并降低天线的成本。

第一代“跟踪与数据中继卫星”相控阵天线采用螺旋单元天线阵，如图3所示，天线收发共用，接收采用地面数字多波束形成，发射一个点波束，可进行时分的多点扫描。接收20个点波束，扫描视场±13．5°。前向数据率10kbit／s，返向数据率50kbit／s。

图3 “跟踪与数据中继卫星”及相控阵天线布局图Fig．3 TDRS satellite and phased array outline

美国第二代“跟踪与数据中继卫星”的多波束相控阵天线天线阵元为微带贴片子阵，收发阵分开，波束由地面形成改为星上形成，采用模拟技术实现多波束。天线接收链路单元数为32个，波束为6个，使得返向数传速率提高到3Mbit／s。天线发射采用15个阵元，前向波束为2个，传输速率为300kbit／s。

美国休斯公司2007 年发射了宽带卫星Spaceway，星上采用大规模Ka频段发射相控阵天线，采用1 500 单元，2m 直径，利用移相器控制波束快速跳动，形成多跳波束；接收天线采用多波束反射面天线。该卫星太阳能电池阵可提供13kW 的功率。

日本的WINDS［3］卫星于2008年2月23日发射，星上安装了用于大容量、高速通信的Ka频段有源相控阵天线，如图4所示，实现2个独立可控移动点波束，每个波束可跳变8 个区域，实现时分多址（TDMA）的通信模式。发射天线、接收天线各包含128个天线单元（2波束），天线的辐射单元为角锥喇叭天线形式，其排列考虑到了对地扫描的需求，确保天线波束栅瓣在地球之外，采用三角形网络，单元间距2．7波长。为了得到最大增益，采取等幅馈电。

图4 日本WINDS卫星相控阵天线Fig．4 WINDS satellite phased array

美国于2010年8月发射了AEHF卫星，AEHF卫星有两个发射相控阵，采用271个单元，单元间距2．4波长，工作在Ka频段。采用跳波束相控阵天线独有的“超敏捷”服务，可以为指挥部和160个实时移动的孤立用户之间提供即时通信覆盖。接收相控阵一个，采用了先进的自适应抗干扰技术。

3 国内星载相控阵天线发展现状

国内已有星载S频段相控阵天线的成功先例。采用螺旋单元的相控阵天线作为搭载在“神舟”飞船上进行了飞行试验。星载SAR 天线可以看为具有一定扫描能力的有限扫描相控阵天线，S频段微带平面SAR 天线已经得到了在轨应用，天线可以实现一维小角度电扫描。X 频段SAR 正在研制中，天线采用波导缝隙阵列天线，具有一定的电扫描能力。

近年来，已经进行了星载Ka频段有源相控阵天线子阵的研制；已经研制了机电热一体化的相控阵部分阵样机，并进行了电性测试及热试验，为星载相控阵天线的工程化提供了基础数据。为了适应星座各种高度轨道间星间链路的需要，我国也开展了大扫描角星间链路相控阵天线的研制。

4 星载相控阵天线的关键技术

1）系统设计

系统设计对相控阵的性能具有重要的影响［4-5］。系统设计要根据卫星对天线的功能及指标要求确定相控阵天线的主要设计参数。主要包括：

（1）根据扫描范围的要求，确定单元间距。为了将栅瓣推出扫描区之外，对大扫描角天线选用小的单元间距，如通常对可扫描±60°角相控阵天线选择约半个波长的单元间距，对位于地球同步轨道对地扫描±8°的相控阵天线选择2～3个波长的单元间距。

（2）根据等效全向辐射功率及增益噪声温度比的要求，确定天线的单元数及每单元的辐射功率。相控阵天线的增益等于天线单元数的对数与天线单元增益之和，阵辐射功率为各个单元辐射功率之和。

（3）根据副瓣电平的要求，确定阵型排列及阵列幅度锥削。为了降低副瓣电平，通常选择圆形或方形切角的布局，阵列幅度锥削越大，副瓣电平越低，但要付出一定的增益损失。

（4）相控阵单元数量大，通常采用分块可装配式的结构。满阵分为若干子阵，每个子阵可以独立进行装配，包含辐射部分、相控馈电部分、馈电网络及分控器。子阵装配成一体后，再集成到一个结构架上。

（5）要根据相控阵功能的要求，确定工作模式、设计控制方法及控制流程。通过与星上数管系统互联的相控阵数字控制系统来实现。

2）相控馈电模块

相控馈电模块［6］是组成相控阵的关键部件，由于数量大，其工作量及成本占到了整机近一半。相控馈电模块包含功率放大器、低噪声放大器、移相器、衰减器、控制等芯片以及联结它们的微带电路。星载相控阵芯片必须满足空间环境的要求，射频芯片通常采用砷化镓（GaAs）器件，抗电离总剂量辐射能力一般在100krad（Si）以上。为了降低功率损耗，控制芯片通常采用互补金属氧化物半导体（CMOS），必须采用特殊的工艺才能满足辐照总剂量及抗单粒子翻转的要求。目前Ku频段以下相控阵芯片已基本实现了国产化。Ka频段芯片在功率、效率上与国际先进水平还有一定的差距，但也在迅速提高。

相控馈电模块的集成度是实现对大扫描角小间距相控阵的必要条件，需采用低温共烧陶瓷及多功能芯片等技术。

功率放大器芯片温升较大，为保证芯片正常工作，必须采取热控措施。芯片通过热涨系数匹配的扩热板散热。热管直接通过芯片所处底板的下方，将热量高效引出。

为保证芯片长期可靠工作，必须采取密封措施，可以局部密封也可采用整体密封。密封的难点之一是高低频引线端的密封。

3）馈电网络

空间可靠性较高的馈电方式是波导馈电，由于相控阵单元数量较大，馈电网络比较复杂，需要进行一体化布局设计及工艺设计，以减轻体积及重量。微带网络重量及体积较小，但空间适应性较差，一般不大面积采用，而仅小面积局部采用。槽道线重量及体积不大，易于散热，连接也较可靠，国外在空间密集型网络中经常采用。图5所示为某两波束相控阵波导型馈电网络。

图5 相控阵波导型馈电网络Fig．5 Phased array waveguide network

4）热控制设计

相控阵天线能否上天应用，一个突出的问题是由于用户较高的EIRP值要求，使得卫星功耗较大，散热问题成为一大难点。相控阵的热量集中产生在发射馈电单元的功率放大器芯片上，在天线工作时，需要将产生的大量热量迅速导出，以保证器件的正常工作。

热控系统包含发射模块的热控，相控阵热量的收集，热量的导出及热量的辐射［7］。由于空间无法使用空气、水等方式散热，星载相控阵必须采用独特的热管技术，实现热量引出和热量传输。目前除已成熟使用槽道热管外，国内外还采用了环路热管等新技术。当需散发的热量保持在一定范围内时，可以尽量利用卫星现有的散热面。当热量超过卫星现有能力时，必须使用额外的热辐射器，如展开式辐射器，目前国外已采用，国内也已进行了若干年的预先研究。由于热控技术的长足进展，国内已具备了实现大功率星载相控阵热控的条件。图6所示为某相控阵的热控系统，包含槽道热管、环路热管、蒸发器及辐射器。

图6 相控阵的热控系统Fig．6 Phased array thermal control system

5）多级控制及幅相校正

相控阵天线常常具有几百个单元，为实现对所有移相器、衰减器的控制，需要成千上万条通路的连接，还与电源及星上计算机有众多的连接。为降低复杂性、提高连接的可靠性，采用分布式多级控制，串联总线连接，主控器控制多个分控器，分控器控制每个相控馈电模块内的控制芯片。

由于器件的不一致性，装配误差等原因，相控阵的单元间存在幅相的不一致性，导致波束变形及增益下降，因此必须对相控阵进行幅相校正。目前国内外普遍采用正交调制及旋转矢量等方法［8］。

6）电源设计

大功率相控阵天线经常需要几百安培的电流，给空间应用带来很大的风险。采用分布式多个电流模块，每个模块给一部分单元供电，化大电流为小电流，同时还易于实现冗余备份，提高了可靠性。此种供电方式为国内大功率相控阵电源的优选方式。

5 星载相控阵天线的发展趋势

星载相控阵天线的频段正在向高端扩展，Ku以下频段相对比较成熟，Ka频段是目前国内外正在快速发展的领域，而毫米波段、亚毫米波段乃至丝米波段是进一步发展的领域。

早期的星载相控阵功率较小，随着星上热控技术的进步，几千瓦级相控阵技术正在发展，可以预见在应用的推动下，更高功率的相控阵技术亦将出现。

目前值得关注的几项相控阵技术的发展如下：

1）光控相控阵天线技术

影响相控阵天线带宽的主要因素，是天线阵面各个单元到达目标的渡越时间不同，频率改变时叠加相位发生变化，导致指向精度和增益下降。为克服此问题，采用了各种延时移相技术。可以采用延时芯片来实现此功能，最有发展前景的是采用光控相控阵技术。采用光纤可以达到很高的延迟及相位精度，实现超宽带的相控阵天线。

国内目前由于激光器件的效率较低，功耗较大，尚需进一步的改进。但在控制信息传输部分采用激光技术，可以简化线缆的传输，提高可靠性，有望近期在星载相控阵天线获得应用。

2）相控阵天线的抗干扰技术

根据星载相控阵的应用需求，国外在AEHF卫星等星载相控阵天线中，均采用了能力极强的抗干扰技术，将微波集成与光控技术有机结合，实现了全阵的自适应抗干扰技术。

我国在此方面的技术尚有一定的差距，还需加大研究力度，争取提高天线的抗干扰能力。

3）扫描平面反射阵技术

平面反射阵是一种新型天线，设定平面反射阵每个单元的反射相位，由馈源发射来的发散的球面波，可以校正为波前等相的平面波。如果每个单元的反射相位是可控的，可以控制已校正为平面波的反射波的方向。这也是一种特殊形式的相控阵天线。可变反射相位单元的形式是多种多样的，如图7所示，由铁电材料构成可变相位反射单元的相控阵天线，是NASA为低轨卫星数传研制的星载相控阵。采用扫描平面反射阵技术，可大幅度地减低重量与功耗。对于星载应用是一个很有吸引力的方向。

图7 以铁氧体为移相单元的平面反射阵Fig．7 Planar reflect array with ferrite phase shifter

4）相控阵新型器件的发展

随着技术的进步出现了很多新型器件，有力地推动了相控阵技术的发展。AEHF 卫星采用磷化铟材料制造的低噪声放大器可以实现小于1dB 的噪声系数，工作频率高达几十万兆赫，国内该项技术尚未开发。国外采用氮化镓材料制造的功率放大器芯片可以达到很高的效率，国内在较低频段已有采用，但在高频端仍然为空白。硅互补金属氧化物半导体器件的抗辐照问题，是空间电子技术的瓶颈之一，国外采用蓝宝石衬底等新型工艺，可以大大提高硅器件抵抗空间辐照的能力。

采用各种多功能芯片可以大大减少使用芯片的数量，将相控馈电模块内的多个芯片集成在一两个芯片上，简化馈电模块的结构，提高产品的集成度与可靠性，相控阵的成本也可大大降低。

采用微机械开关取代数字移相器中的PIN 二极管，组成新型的MEMS 移相器。MEMS 移相器的成本比通常的数字移相器低一个数量级，截止频率高达1 000GHz，优点是频带宽度宽、损耗低、隔离度高。缺点是开关时间略长，寿命稍短。

星载相控阵技术的进步，一直是由各种新型器件及材料所推动的，以上新型器件的进一步发展将从根本上提高星载相控阵天线的性能。

6 对我国星载相控阵技术发展的建议

1）星载相控阵天线可扩展应用的领域

星载相控阵天线的特点是，可以利用单一口径实现多个可移动的波束，很适用于具有多目标移动通信需求的战术通信卫星。对于担负提高中低轨道卫星传输效率使命的中继卫星系统，采用相控阵天线可以增加服务对象的数量，极大地提高卫星的应用效能。

星载相控阵天线采用分布式固态功率放大器系统，固态功率放大器通常具有较大的频率带宽，固态功率放大器空间功率合成，只要提供足够的功率即可实现比单发射机大得多的功率辐射，这样采用相控阵天线易于实现极大容量的通信需求。Spaceway卫星实现了这样的工作模式，这也是国内的一个应用方向。

采用小间距相控阵，可以实现很大的扫描范围，天线没有机械动作易于实现连续长寿命周期工作，这些特点对中低轨道航天器可变星地、星星链路具有广阔的应用前景，也是我国致力发展的方向。

2）集中力量突破空间环境应用的瓶颈

相控阵天线在地面已经应用多年，但扩展到空间应用也就是近年来的事情。主要障碍是空间环境适应性的瓶颈，包含的因素有热控、辐照环境、产品质量、消耗功率等。我国的环路热管技术已进行了飞行验证，目前需进一步验证的是热管的长寿命及高可靠性能。对处理更大功率热量的展开式热辐射器，需开展进一步的研究及飞行试验。相控阵天线对辐照敏感的是各种CMOS工艺电子芯片，需从工艺及材料方面入手开展进一步的研究。

3）努力发展基础工艺及关键器件

星载相控阵天线的应用性能及技术水平很大程度上取决于所采用的基础工艺及关键器件。先进的微波集成工艺，低温共烧陶瓷工艺可以大幅度地降低相控阵的体积和质量，建议加速发展航天系统微组装及微波集成工艺，这不仅可以推动星载相控阵的发展，对于推动整个航天设备的微小型化、轻量化及集成化均有重大的作用。为从根本上提高相控阵的效率，需联合国内有关院所突破磷化铟、氮化镓器件工艺难关，以填补这一技术空白。星载相控阵模块的单芯片化是相控阵技术的发展方向之一，国内已有相关院所采用国内设计、国外流片的方法进行了有益的探索，他们的经验值得借鉴。

4）开展新型相控阵体制的预先研究

光控相控阵、扫描平面反射阵、亚毫米波相控阵等新型相控阵体制牵涉的技术难度跨度较大，采用很多新型技术及新型器件，具有技术复杂综合的特点，掌握及应用周期较长，为了实现在航天领域的应用，应超前开展预先研究，以推动我国星载相控阵天线技术尽快跨上新的台阶。

（References）

［1］Schuss J J，Upton J，Myers B，et al．The Iridium main mission antenna concept［J］．IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1999，47（3）：416-424

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［3］Akira Akaishi，Masaaki Iguchi，Kenichi Hariu，et al．Ka-band active phased array antenna for Winds satellite［C］／／21st International Communications Satellite Systems Conference and Exhibit，Washington：AIAA，2003

［4］Greda1L A，Dreher A．Tx-terminal phased array for satellite communication at Ka-band［C］／／The 37th European Microwave Conference．Munich：EuMA，2007：266-269

［5］Lier E，Purd Dan，Maalouf K．Study of deployed and modular active phased-array multibeam satellite antenna［J］．IEEE Antennas and Propagation Magazine，2003，45（5）：34-45

［6］Yuen C，Balderrama E，Findley W，et al．A 20 GHz MMIC power module for transmit phased array applications［J］．IEEE MTT-S International，1996（2）：1163-1166

［7］Masayuki Nakagawa， Eihisa Morikawa， Yoshisada Koyama，et al．Development of thermal control for phased array antenna，AIAA-2003-2226［C］／／21st International Communications Satellite Systems Conference and Exhibit．Washington：AIAA，2003

［8］Purdy D S，Jacomb-Hood A．In orbit active array calibration for NASA＇s LightSAR［C］／／1999IEEE Radar Conference．New York：IEEE，1999：172-176