卫星通信移动互联天线的发展现状与趋势

+ 王海龙 赵阳 樊星（中国电子科技集团公司第二十九研究所）

由于传统通信频段卫星带宽资源的日益饱和，通信成本高，卫星通信呈现从传统的C、Ku频段同步轨道通信逐步向着具有更大容量、成本更低的高通量卫星（HTS）系统、低轨（LEO）卫星星座系统发展的趋势。随着卫星移动通信的发展，卫星移动互联天线也随之更新换代，朝着低剖面、高容量、低成本的趋势发展。

1.卫星通信的发展趋势

近年来，随着信息化建设及天地一体化网络工程的推进，卫星通信迎来了新一轮的蓬勃发展时期。卫星通信的应用范围更加广阔、诸如民航飞机、高铁、汽车及轮船等移动载体都可以通过加装卫星互联天线终端进行卫星网络接入，以满足用户通信及多媒体娱乐需求。随着信息化时代的发展及卫星宽带业务的迅速扩张，用户对移动通信传输速率的需求也越来越高，这就要求卫星拥有更大的传输带宽及更强的覆盖能力。传统频段的卫星带宽资源日益拥挤饱和，且使用资费相比于地面网络而言过于昂贵，无法满足日益增长的连接需求。因此，卫星通信向着容量更大、成本更低的高通量卫星（HTS）、低轨（LEO）卫星发展。高通量卫星、低轨卫星技术已经成为当今卫星通信的发展趋势。

1.1 高通量卫星

在国外，高通量卫星已进入较为成熟的商用阶段。高通量卫星在全球发射的地球同步轨道通信卫星中占比持续增大，在提升性能的同时，也将行业竞争推向新高点。新兴应用领域诸如航空、高铁成为高通量卫星的重要关注点，引领运营商对该领域的深度布局。

在国内，高通量卫星产业刚刚起步。2017年发射的我国首颗高通量卫星中星16号，下行和上行速率最高可达150Mbps和12Mbps，通信总容量达20Gbps，超过我国已研制发射的通信卫星容量总和。中星16号卫星的成功发射，标志着我国进入Ka频段高通量卫星通信新时代，它将与即将发射的中星18号高通量卫星一起为中国疆域提供大容量宽带互联网接入服务。

高通量卫星通信及其应用成为未来卫星通信发展的必然趋势之一，市场需求迫在眉睫。预计未来几年内，中国将迎来高通量卫星应用发展的最佳机遇期，我国将继续推进高通量卫星产业的发展，部署更多高通量卫星，形成覆盖中国全疆域及亚太地区的卫星通信网络，满足“一带一路”国家战略及“宽带中国”的通信需求。

1.2 低轨卫星

在国外，截止到目前为止，共有轨道通信（Orbcomm）、铱星（Iridium）及全球星（Globalstar）三大LEO星座系统成功进行组网。除此三大LEO星座运营商外，一网公司（OneWeb）及太空探索技术公司（SpaceX）也发布了宏大的低轨星座计划，作为新一代LEO卫星通信系统的代表，近两年来引起了业界的广泛关注。

国内低轨星座的发展处于起步阶段，中国航天科技集团公司计划于2020年建成覆盖全球的“鸿雁”星座，该星座由300颗低轨小卫星组成，能够完成全球业务处理及双向实时通信。中国航天科工集团公司提出的虹云工程，已经完成了首颗试验卫星的发射，预计总共将发射156颗卫星组网，单星座吞吐量达到4Gbps，网络峰值速率达到40Mbps，实现全球覆盖，满足中国及国际互联网欠发达地区用户的宽带互联网接入需求。

综上所述由于地球同步轨道资源的日益枯竭，且卫星发射成本高，越来越多的运营商把目光投向低轨星座。低轨星座通过使用小型化部件，轻量化技术，有低成本、易发射、周期短等优点。成为当今卫星通信的发展趋势之一。

2.卫星移动互联天线发展现状

2.1 平板阵列天线

平板阵列天线由于其剖面相对较低、技术原理相对简单、成熟度高、成本相对较低等优点，在移动互联天线领域得到了广泛的应用。以下介绍三种有代表性的该类型天线。

由中国电子科技集团公司第二十九研究所推出的车载式Ku频段卫星移动互联天线（图1）是其独立研制的移动互联天线系列产品之一。该天线的系统部件与元器件选型具有严格的质量保证，动态工作能力可靠性高，满足恶劣工作环境的车载平台使用要求。天线系统可在车辆处于快速移动过程中，始终保持与通信卫星之间建立通信链路，保证高速率信息不间断地传输，充分满足军用应急通信高标准、高可靠性要求，广泛用于军事通信诸多领域。其主要技术特点有：

1) 高效率平板阵列天线设计技术，有效提高天线效率，降低天线的剖面高度。

2) 惯导、GPS/BD、信标极值跟踪及陀螺稳定方案，综合不同技术优点，实现天线系统高可靠性的自动跟踪。

3) 系统部件模块化、集成化、一体化设计，结构紧凑、易安装、易维修

Skytech公司的Ku/Ka低剖面双频段卫星“动中通”平板天线采用单元组阵形式，使用两幅天线分别工作在Ka及Ku两个频段，两幅天线呈“屋顶状”分布。

图1 中国电科二十九所Ku频段卫通天线

图2 Gilat公司ER-6000A

针对高通量卫星系统的快速发展，Gilat公司推出了ER-6000A平板天线（图2），主要针对机载宽带卫星接入这一新兴业务领域。根据欧洲咨询公司的预测，机载市场到2025年，宽带互联网络接入总需求量将超过330Gbit/s。该天线为喇叭阵列天线，每个天线单元为相同的宽频带喇叭口，通过低损耗馈电网络进行组合，可工作在Ku/Ka频段，每个频段内采用收发共面设计，减小天线外形轮廓，主要指标如表1所示。

表1 ER-6000A平板天线主要指标

2.2 VICTS、VIPA天线

VICTS、VIPA天线相比于平板阵列天线剖面更低，更加适合在对纵向尺寸要求严苛的诸如飞机、高铁等载体上应用。以下介绍两种代表性天线产品。

由中国电子科技集团公司第二十九研究所独立研制的VICTS天线（图3、图4），整个系统采用全机械制动，分层式结构，从上到下依次为极化罩、极化层、辐射层和激励层，通过转动最下边两层圆盘来实现波束的俯仰面和方位面扫描，不需要附加额外的射频器件便能实现二维扫描的功能。天线面采用收发分离式设计，在机载、车载及舰载平台中得到广泛应用。

由于该系统没有使用移相器等有源器件，故成本低廉；剖面低，易于载体共形；尺寸比传统的电子扫描相控阵小，研究表明，对于给定的G/T值，传统的相控阵口径尺寸是该体制下天线口径的2.5-4倍大；并且扫描后波束的副瓣低，可以达到-20dB以下。这种体制的天线形式可以推广到X波段、Ka波段以及W、Q波段等。

图3 中国电科二十九所VICTS天线

图4 VICTS天线装车图

国内某公司发布的VIPA600天线是一款全新设计的虚拟相控阵天线，等效口径0.6米，采用新型电磁天线面，增益高、波束扫描角度大，能够保证运动过程中对于目标卫星的稳定跟踪，其主要特点如下：

1) 通过一维的平面旋转，实现波束二维空间扫描；

2) 扫描范围宽：±60°空间扫描；

3) 低轮廓，高增益，高效率；

4) 天线尺寸：178cm×78cm×9.8cm。

2.3 相控阵天线

相控阵具有波束扫描快，可靠性高，剖面高度低等优点，适用于高机动平台。

以色列Gilat公司相控阵天线（图5），具有总高度不超过5cm的超低轮廓，采用收发分离式设计，在卫星通信市场具有很强的竞争力。同时该公司也在进行收发共面相控阵的研发。Gilat 公司的相控阵天线主要针对商业市场，因此低成本是其主要竞争力，单收天线目标价格为500美元以下。

Phasor公司计划于2018年正式发布其相控阵天线产品，工作于Ku频段，后续将发布Ka频段的产品。该相控阵天线通过软件进行控制，不包含任何机械组件。总体厚度约为6.5厘米，主要包含天线罩、基座和电子马达。Phasor主要瞄准机载、车载等公共交通设施市场，其低廉的价格是其主要竞争力之一。

2.4 超材料天线

作为一家专注研发通信天线的创业公司，Kymeta提出的一种新型超材料天线mTenna（图6）引起了业内人士的广泛关注。该天线相比于传统材料天线而言更加轻薄、高效和廉价。该天线采用了和生产LCD显示器类似的生产技术，有利于后续的大规模、低成本生产。其主要指标如下：

图5 Gilat公司商用低成本相控阵天线

图6 Kymeta公司mTenna超材料天线

1) 工作频段：11.4GHz～12.4GHz（接收）

14GHz～14.5GHz（发射）

2) 极化方式：线极化

3) G/T值：9.5dB/K

4) 外形尺寸：

82.3 cm×82.3cm×16.5cm（室外）

44.5 cm×31.75cm×9.06cm（室内）

5) 重量：21.1kg（室外）6.35kg（室内）

3.卫星移动互联天线发展趋势

近年来，高通量卫星、低轨星座的带宽移动互联需求极大地促进了国内外卫星移动通信业务的发展，卫星通信网络将发挥重要作用。以机载、船载、车载为代表的移动应用成为拉动传统卫星通信领域的新动力，与之相伴相生的移动互联天线也出现了很多的新技术和新产品。其主要发展趋势如下：

1) 向着宽带、多频段共用趋势发展

高通量卫星大多工作在Ku/Ka 频段，具有宽带、高数据率传输和大容量的优势，代表着未来通信卫星发展的方向。着眼于Ka的终端天线发展是未来卫星通信发展的必然需求。但是Ku频段仍将在很长一段时间内被继续使用，Ku频段由于在抗雨衰方面和Ka相比具有明显的优势，并且技术和器件成熟，将在很长时间内出现Ku和Ka并存的局面。因而对于卫星终端天线而言，宽频带、多频段（Ku/Ka）共用天线是其发展的趋势之一。

图7 卫星互联天线发展趋势

2) 向着高集成度、低剖面趋势发展

由于平台载体对移动通信天线低风阻、低可探测性，低雷达散射截面（RCS）以及可共形的要求，促使卫星通信天线向高密度集成的方向发展，而高密度集成使得卫星通信天线整体结构变得更加扁平和轻薄。平板阵列天线、VICTS、VIPA、相控阵、超材料天线都是在此背景需求驱动下产生和发展起来的，代表了未来的主要发展方向。

3) 向着低成本趋势发展

与军用市场不同，民用市场对于成本控制更加敏感，是其主要市场竞争力。随着电子信息技术及材料工艺近年来的飞速发展，终端天线的成本日益降低。随着毫米波技术的突破和量产、相控阵的成本大幅下降，极大地推动了相控阵天线在民用领域的发展，成为未来通信天线发展的方向。

4.结语

由于卫星移动通信产业的快速发展，传统轨道资源的日益紧缺，卫星通信将朝着高通量、低轨星座的趋势发展。与此发展趋势相对应的卫星移动互联天线也将朝着宽频带、大容量、低剖面、低成本的方向不断迭代更新。从技术发展的趋势来看，平板阵列天线，VICTS、VIPA天线，低成本相控阵、超材料天线代表了未来移动通信天线的主要发展方向。从长期发展来看，随着毫米波、超材料技术的突破和量产，未来卫星通信天线将向着低成本相控阵及超材料天线发展。