閻魯濱
(北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)
衛(wèi)星天線用于對特定的目標或地域,發(fā)射或接收載有各種信息的信號,當需要衛(wèi)星交換信息的目標是可變的時候,往往要求天線的波束也做相應(yīng)的變化。對于某些衛(wèi)星系統(tǒng),為避免采用可變波束天線的困難,往往采用寬波束的弱方向性天線或者簡單的賦形波束天線來覆蓋整個變化的區(qū)域,如我國中低軌道衛(wèi)星天線所采用的形式。這類天線由于增益較低,只能實現(xiàn)較低的數(shù)據(jù)傳輸率。
隨著應(yīng)用的發(fā)展及技術(shù)的進步,對數(shù)據(jù)傳輸容量的要求越來越大,原來采用的低增益天線已無法滿足應(yīng)用的要求。采用機械掃描天線是克服上述困難的途徑之一,但機械掃描天線只能實現(xiàn)單波束的移動,不能改變波束的形狀及實現(xiàn)多移動波束模式,機械可移動裝置的采用又往往可能導(dǎo)致可靠性下降、重量增加等新問題。
采用相控陣天線是克服上述困難的最佳途徑之一。相控陣天線采用現(xiàn)代微波集成技術(shù),可以應(yīng)用同一個輻射陣面,在有限的衛(wèi)星平臺空間條件下,實現(xiàn)獨立控制的多個點波束,滿足未來通信的需求。相控陣天線還可以實現(xiàn)波束間通信容量的調(diào)整,可以根據(jù)需要改變波束形狀,使用自適應(yīng)調(diào)零的抗干擾技術(shù),已在國外星上設(shè)備中廣泛采用,具有廣闊的發(fā)展前景。
在本世紀初,星載Ka頻段相控陣天線技術(shù)在國際上各大宇航公司尚處于在研階段,而近年來,日本的寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)“寬帶聯(lián)網(wǎng)工程與驗證衛(wèi)星”(WINDS),美國的寬帶衛(wèi)星“太空之路”(Spaceway)、“寬帶全球衛(wèi)星通信”衛(wèi)星(WGS)和“先進極高頻”(AEHF)軍事通信衛(wèi)星等已相繼發(fā)射,均采用了大規(guī)模相控陣天線技術(shù)。在此期間,國內(nèi)也開展了大型星載相控陣天線預(yù)研及研制工作。這些情況預(yù)示著今后星載相控陣天線技術(shù)將有一個跨越式的快速發(fā)展。
目前國際上星載相控陣天線按照波束功能的不同,可以劃分為區(qū)域覆蓋相控陣天線、寬角掃描區(qū)域相控陣天線和有限區(qū)域掃描相控陣。
1)區(qū)域覆蓋相控陣天線
區(qū)域覆蓋相控陣天線通過網(wǎng)絡(luò)對輻射陣饋相,在覆蓋區(qū)形成若干相對固定的波束,波束相對于輻射陣一般不掃描,但可進行校正及微調(diào)。最典型的應(yīng)用為“銥星”(Iridium)系統(tǒng)[1]及“全球星”(Globalstar)系統(tǒng)[2]。
“銥星”系統(tǒng)主任務(wù)天線是發(fā)展較早而至今仍然成功運用的相控陣天線系統(tǒng),它服務(wù)于低軌通信衛(wèi)星星座系統(tǒng)。該星座由66顆衛(wèi)星組成,每顆星天線由三塊平板陣天線組成,每塊平板陣產(chǎn)生16個波束覆蓋的角域(見圖1)。三塊平板共產(chǎn)生48個波束覆蓋±45°的角域。每個輻射單元后接發(fā)射模塊或接收模塊。收發(fā)共用。波束形成網(wǎng)絡(luò)由8 個16×16的Butler矩陣連接10個8×8的Butler矩陣及功率分配網(wǎng)絡(luò)形成?!般炐恰奔跋嗫仃囂炀€的布局如圖1所示。
“全球星”相控陣天線由一個發(fā)射陣及一個接收陣布局于星上同一個向地面上,如圖2(a)所示。S頻段發(fā)射陣由91 個單元組成,L 頻段接收陣由61個單元組成。排成六角型,單元間距0.6 個波長。單元后為發(fā)射模塊或接收模塊。發(fā)射波束形成網(wǎng)絡(luò)由16層1∶91的功率分配網(wǎng)絡(luò)組成,每層的輸入口輸入一個波束信號,91輸出端各接1 個移相段,共1 456個移相段。每16個移相段(每層一個)通過功率合成網(wǎng)絡(luò)連接一個功率放大器及輻射單元,共有91個合成網(wǎng)絡(luò),連接到91 個單元上。通過以上網(wǎng)絡(luò),形成16個發(fā)射波束,其覆蓋圖如圖2(b)所示;形成16個接收波束,其波束覆蓋圖如圖2(c)所示。
圖1 “銥星”相控陣天線布局圖Fig.1 Iridium phased array outline
圖2 Globalstar相控陣天線布局圖及波束覆蓋圖Fig.2 Globalstar phased array outline and beam cover contour
區(qū)域覆蓋相控陣天線的特點是,波束指向基本保持固定,控制移相器主要用于陣列的幅相校正及波束的微調(diào)。為了產(chǎn)生多個波束實現(xiàn)對用戶區(qū)的無縫覆蓋,需要采用復(fù)雜的功率分配網(wǎng)絡(luò)。
2)寬角掃描區(qū)域相控陣天線
為了提高低軌衛(wèi)星的傳輸數(shù)率,近年來已開始采用大角域掃描天線取代簡單的賦形波束天線。美國資源衛(wèi)星采用的X 頻段相控陣天線,可以掃描±60°的角域。星載相控陣天線的頻段正在向高端發(fā)展,特別是采用Ka頻段的相控陣天線。如美國SATCOM 公司采用了20/44GHz頻段,形成單波束寬角掃描的相控陣天線。美國Harris公司為“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”(TDRS)系統(tǒng)的用戶星研制了Ka頻段的單波束相控陣天線,采用了240個有源單元,可以掃描±60°的空域。大角域掃描相控陣天線的特點是,為了實現(xiàn)大角域掃描采用較小的單元間距,整個系統(tǒng)需要實現(xiàn)較高的集成度。
3)有限區(qū)域掃描相控陣
對于地球靜止軌道衛(wèi)星以及某些特殊的應(yīng)用,對天線掃描區(qū)域的要求是有限的,可以利用這一特點,加大天線單元的間隔及增益,從而簡化天線的規(guī)模,提高天線的性能,并降低天線的成本。
第一代“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”相控陣天線采用螺旋單元天線陣,如圖3所示,天線收發(fā)共用,接收采用地面數(shù)字多波束形成,發(fā)射一個點波束,可進行時分的多點掃描。接收20個點波束,掃描視場±13.5°。前向數(shù)據(jù)率10kbit/s,返向數(shù)據(jù)率50kbit/s。
圖3 “跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”及相控陣天線布局圖Fig.3 TDRS satellite and phased array outline
美國第二代“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”的多波束相控陣天線天線陣元為微帶貼片子陣,收發(fā)陣分開,波束由地面形成改為星上形成,采用模擬技術(shù)實現(xiàn)多波束。天線接收鏈路單元數(shù)為32個,波束為6個,使得返向數(shù)傳速率提高到3Mbit/s。天線發(fā)射采用15個陣元,前向波束為2個,傳輸速率為300kbit/s。
美國休斯公司2007 年發(fā)射了寬帶衛(wèi)星Spaceway,星上采用大規(guī)模Ka頻段發(fā)射相控陣天線,采用1 500 單元,2m 直徑,利用移相器控制波束快速跳動,形成多跳波束;接收天線采用多波束反射面天線。該衛(wèi)星太陽能電池陣可提供13kW 的功率。
日本的WINDS[3]衛(wèi)星于2008年2月23日發(fā)射,星上安裝了用于大容量、高速通信的Ka頻段有源相控陣天線,如圖4所示,實現(xiàn)2個獨立可控移動點波束,每個波束可跳變8 個區(qū)域,實現(xiàn)時分多址(TDMA)的通信模式。發(fā)射天線、接收天線各包含128個天線單元(2波束),天線的輻射單元為角錐喇叭天線形式,其排列考慮到了對地掃描的需求,確保天線波束柵瓣在地球之外,采用三角形網(wǎng)絡(luò),單元間距2.7波長。為了得到最大增益,采取等幅饋電。
圖4 日本W(wǎng)INDS衛(wèi)星相控陣天線Fig.4 WINDS satellite phased array
美國于2010年8月發(fā)射了AEHF衛(wèi)星,AEHF衛(wèi)星有兩個發(fā)射相控陣,采用271個單元,單元間距2.4波長,工作在Ka頻段。采用跳波束相控陣天線獨有的“超敏捷”服務(wù),可以為指揮部和160個實時移動的孤立用戶之間提供即時通信覆蓋。接收相控陣一個,采用了先進的自適應(yīng)抗干擾技術(shù)。
國內(nèi)已有星載S頻段相控陣天線的成功先例。采用螺旋單元的相控陣天線作為搭載在“神舟”飛船上進行了飛行試驗。星載SAR 天線可以看為具有一定掃描能力的有限掃描相控陣天線,S頻段微帶平面SAR 天線已經(jīng)得到了在軌應(yīng)用,天線可以實現(xiàn)一維小角度電掃描。X 頻段SAR 正在研制中,天線采用波導(dǎo)縫隙陣列天線,具有一定的電掃描能力。
近年來,已經(jīng)進行了星載Ka頻段有源相控陣天線子陣的研制;已經(jīng)研制了機電熱一體化的相控陣部分陣樣機,并進行了電性測試及熱試驗,為星載相控陣天線的工程化提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為了適應(yīng)星座各種高度軌道間星間鏈路的需要,我國也開展了大掃描角星間鏈路相控陣天線的研制。
1)系統(tǒng)設(shè)計
系統(tǒng)設(shè)計對相控陣的性能具有重要的影響[4-5]。系統(tǒng)設(shè)計要根據(jù)衛(wèi)星對天線的功能及指標要求確定相控陣天線的主要設(shè)計參數(shù)。主要包括:
(1)根據(jù)掃描范圍的要求,確定單元間距。為了將柵瓣推出掃描區(qū)之外,對大掃描角天線選用小的單元間距,如通常對可掃描±60°角相控陣天線選擇約半個波長的單元間距,對位于地球同步軌道對地掃描±8°的相控陣天線選擇2~3個波長的單元間距。
(2)根據(jù)等效全向輻射功率及增益噪聲溫度比的要求,確定天線的單元數(shù)及每單元的輻射功率。相控陣天線的增益等于天線單元數(shù)的對數(shù)與天線單元增益之和,陣輻射功率為各個單元輻射功率之和。
(3)根據(jù)副瓣電平的要求,確定陣型排列及陣列幅度錐削。為了降低副瓣電平,通常選擇圓形或方形切角的布局,陣列幅度錐削越大,副瓣電平越低,但要付出一定的增益損失。
(4)相控陣單元數(shù)量大,通常采用分塊可裝配式的結(jié)構(gòu)。滿陣分為若干子陣,每個子陣可以獨立進行裝配,包含輻射部分、相控饋電部分、饋電網(wǎng)絡(luò)及分控器。子陣裝配成一體后,再集成到一個結(jié)構(gòu)架上。
(5)要根據(jù)相控陣功能的要求,確定工作模式、設(shè)計控制方法及控制流程。通過與星上數(shù)管系統(tǒng)互聯(lián)的相控陣數(shù)字控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。
2)相控饋電模塊
相控饋電模塊[6]是組成相控陣的關(guān)鍵部件,由于數(shù)量大,其工作量及成本占到了整機近一半。相控饋電模塊包含功率放大器、低噪聲放大器、移相器、衰減器、控制等芯片以及聯(lián)結(jié)它們的微帶電路。星載相控陣芯片必須滿足空間環(huán)境的要求,射頻芯片通常采用砷化鎵(GaAs)器件,抗電離總劑量輻射能力一般在100krad(Si)以上。為了降低功率損耗,控制芯片通常采用互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS),必須采用特殊的工藝才能滿足輻照總劑量及抗單粒子翻轉(zhuǎn)的要求。目前Ku頻段以下相控陣芯片已基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化。Ka頻段芯片在功率、效率上與國際先進水平還有一定的差距,但也在迅速提高。
相控饋電模塊的集成度是實現(xiàn)對大掃描角小間距相控陣的必要條件,需采用低溫共燒陶瓷及多功能芯片等技術(shù)。
功率放大器芯片溫升較大,為保證芯片正常工作,必須采取熱控措施。芯片通過熱漲系數(shù)匹配的擴熱板散熱。熱管直接通過芯片所處底板的下方,將熱量高效引出。
為保證芯片長期可靠工作,必須采取密封措施,可以局部密封也可采用整體密封。密封的難點之一是高低頻引線端的密封。
3)饋電網(wǎng)絡(luò)
空間可靠性較高的饋電方式是波導(dǎo)饋電,由于相控陣單元數(shù)量較大,饋電網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜,需要進行一體化布局設(shè)計及工藝設(shè)計,以減輕體積及重量。微帶網(wǎng)絡(luò)重量及體積較小,但空間適應(yīng)性較差,一般不大面積采用,而僅小面積局部采用。槽道線重量及體積不大,易于散熱,連接也較可靠,國外在空間密集型網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常采用。圖5所示為某兩波束相控陣波導(dǎo)型饋電網(wǎng)絡(luò)。
圖5 相控陣波導(dǎo)型饋電網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Phased array waveguide network
4)熱控制設(shè)計
相控陣天線能否上天應(yīng)用,一個突出的問題是由于用戶較高的EIRP值要求,使得衛(wèi)星功耗較大,散熱問題成為一大難點。相控陣的熱量集中產(chǎn)生在發(fā)射饋電單元的功率放大器芯片上,在天線工作時,需要將產(chǎn)生的大量熱量迅速導(dǎo)出,以保證器件的正常工作。
熱控系統(tǒng)包含發(fā)射模塊的熱控,相控陣熱量的收集,熱量的導(dǎo)出及熱量的輻射[7]。由于空間無法使用空氣、水等方式散熱,星載相控陣必須采用獨特的熱管技術(shù),實現(xiàn)熱量引出和熱量傳輸。目前除已成熟使用槽道熱管外,國內(nèi)外還采用了環(huán)路熱管等新技術(shù)。當需散發(fā)的熱量保持在一定范圍內(nèi)時,可以盡量利用衛(wèi)星現(xiàn)有的散熱面。當熱量超過衛(wèi)星現(xiàn)有能力時,必須使用額外的熱輻射器,如展開式輻射器,目前國外已采用,國內(nèi)也已進行了若干年的預(yù)先研究。由于熱控技術(shù)的長足進展,國內(nèi)已具備了實現(xiàn)大功率星載相控陣熱控的條件。圖6所示為某相控陣的熱控系統(tǒng),包含槽道熱管、環(huán)路熱管、蒸發(fā)器及輻射器。
圖6 相控陣的熱控系統(tǒng)Fig.6 Phased array thermal control system
5)多級控制及幅相校正
相控陣天線常常具有幾百個單元,為實現(xiàn)對所有移相器、衰減器的控制,需要成千上萬條通路的連接,還與電源及星上計算機有眾多的連接。為降低復(fù)雜性、提高連接的可靠性,采用分布式多級控制,串聯(lián)總線連接,主控器控制多個分控器,分控器控制每個相控饋電模塊內(nèi)的控制芯片。
由于器件的不一致性,裝配誤差等原因,相控陣的單元間存在幅相的不一致性,導(dǎo)致波束變形及增益下降,因此必須對相控陣進行幅相校正。目前國內(nèi)外普遍采用正交調(diào)制及旋轉(zhuǎn)矢量等方法[8]。
6)電源設(shè)計
大功率相控陣天線經(jīng)常需要幾百安培的電流,給空間應(yīng)用帶來很大的風險。采用分布式多個電流模塊,每個模塊給一部分單元供電,化大電流為小電流,同時還易于實現(xiàn)冗余備份,提高了可靠性。此種供電方式為國內(nèi)大功率相控陣電源的優(yōu)選方式。
星載相控陣天線的頻段正在向高端擴展,Ku以下頻段相對比較成熟,Ka頻段是目前國內(nèi)外正在快速發(fā)展的領(lǐng)域,而毫米波段、亞毫米波段乃至絲米波段是進一步發(fā)展的領(lǐng)域。
早期的星載相控陣功率較小,隨著星上熱控技術(shù)的進步,幾千瓦級相控陣技術(shù)正在發(fā)展,可以預(yù)見在應(yīng)用的推動下,更高功率的相控陣技術(shù)亦將出現(xiàn)。
目前值得關(guān)注的幾項相控陣技術(shù)的發(fā)展如下:
1)光控相控陣天線技術(shù)
影響相控陣天線帶寬的主要因素,是天線陣面各個單元到達目標的渡越時間不同,頻率改變時疊加相位發(fā)生變化,導(dǎo)致指向精度和增益下降。為克服此問題,采用了各種延時移相技術(shù)。可以采用延時芯片來實現(xiàn)此功能,最有發(fā)展前景的是采用光控相控陣技術(shù)。采用光纖可以達到很高的延遲及相位精度,實現(xiàn)超寬帶的相控陣天線。
國內(nèi)目前由于激光器件的效率較低,功耗較大,尚需進一步的改進。但在控制信息傳輸部分采用激光技術(shù),可以簡化線纜的傳輸,提高可靠性,有望近期在星載相控陣天線獲得應(yīng)用。
2)相控陣天線的抗干擾技術(shù)
根據(jù)星載相控陣的應(yīng)用需求,國外在AEHF衛(wèi)星等星載相控陣天線中,均采用了能力極強的抗干擾技術(shù),將微波集成與光控技術(shù)有機結(jié)合,實現(xiàn)了全陣的自適應(yīng)抗干擾技術(shù)。
我國在此方面的技術(shù)尚有一定的差距,還需加大研究力度,爭取提高天線的抗干擾能力。
3)掃描平面反射陣技術(shù)
平面反射陣是一種新型天線,設(shè)定平面反射陣每個單元的反射相位,由饋源發(fā)射來的發(fā)散的球面波,可以校正為波前等相的平面波。如果每個單元的反射相位是可控的,可以控制已校正為平面波的反射波的方向。這也是一種特殊形式的相控陣天線??勺兎瓷湎辔粏卧男问绞嵌喾N多樣的,如圖7所示,由鐵電材料構(gòu)成可變相位反射單元的相控陣天線,是NASA為低軌衛(wèi)星數(shù)傳研制的星載相控陣。采用掃描平面反射陣技術(shù),可大幅度地減低重量與功耗。對于星載應(yīng)用是一個很有吸引力的方向。
圖7 以鐵氧體為移相單元的平面反射陣Fig.7 Planar reflect array with ferrite phase shifter
4)相控陣新型器件的發(fā)展
隨著技術(shù)的進步出現(xiàn)了很多新型器件,有力地推動了相控陣技術(shù)的發(fā)展。AEHF 衛(wèi)星采用磷化銦材料制造的低噪聲放大器可以實現(xiàn)小于1dB 的噪聲系數(shù),工作頻率高達幾十萬兆赫,國內(nèi)該項技術(shù)尚未開發(fā)。國外采用氮化鎵材料制造的功率放大器芯片可以達到很高的效率,國內(nèi)在較低頻段已有采用,但在高頻端仍然為空白。硅互補金屬氧化物半導(dǎo)體器件的抗輻照問題,是空間電子技術(shù)的瓶頸之一,國外采用藍寶石襯底等新型工藝,可以大大提高硅器件抵抗空間輻照的能力。
采用各種多功能芯片可以大大減少使用芯片的數(shù)量,將相控饋電模塊內(nèi)的多個芯片集成在一兩個芯片上,簡化饋電模塊的結(jié)構(gòu),提高產(chǎn)品的集成度與可靠性,相控陣的成本也可大大降低。
采用微機械開關(guān)取代數(shù)字移相器中的PIN 二極管,組成新型的MEMS 移相器。MEMS 移相器的成本比通常的數(shù)字移相器低一個數(shù)量級,截止頻率高達1 000GHz,優(yōu)點是頻帶寬度寬、損耗低、隔離度高。缺點是開關(guān)時間略長,壽命稍短。
星載相控陣技術(shù)的進步,一直是由各種新型器件及材料所推動的,以上新型器件的進一步發(fā)展將從根本上提高星載相控陣天線的性能。
1)星載相控陣天線可擴展應(yīng)用的領(lǐng)域
星載相控陣天線的特點是,可以利用單一口徑實現(xiàn)多個可移動的波束,很適用于具有多目標移動通信需求的戰(zhàn)術(shù)通信衛(wèi)星。對于擔負提高中低軌道衛(wèi)星傳輸效率使命的中繼衛(wèi)星系統(tǒng),采用相控陣天線可以增加服務(wù)對象的數(shù)量,極大地提高衛(wèi)星的應(yīng)用效能。
星載相控陣天線采用分布式固態(tài)功率放大器系統(tǒng),固態(tài)功率放大器通常具有較大的頻率帶寬,固態(tài)功率放大器空間功率合成,只要提供足夠的功率即可實現(xiàn)比單發(fā)射機大得多的功率輻射,這樣采用相控陣天線易于實現(xiàn)極大容量的通信需求。Spaceway衛(wèi)星實現(xiàn)了這樣的工作模式,這也是國內(nèi)的一個應(yīng)用方向。
采用小間距相控陣,可以實現(xiàn)很大的掃描范圍,天線沒有機械動作易于實現(xiàn)連續(xù)長壽命周期工作,這些特點對中低軌道航天器可變星地、星星鏈路具有廣闊的應(yīng)用前景,也是我國致力發(fā)展的方向。
2)集中力量突破空間環(huán)境應(yīng)用的瓶頸
相控陣天線在地面已經(jīng)應(yīng)用多年,但擴展到空間應(yīng)用也就是近年來的事情。主要障礙是空間環(huán)境適應(yīng)性的瓶頸,包含的因素有熱控、輻照環(huán)境、產(chǎn)品質(zhì)量、消耗功率等。我國的環(huán)路熱管技術(shù)已進行了飛行驗證,目前需進一步驗證的是熱管的長壽命及高可靠性能。對處理更大功率熱量的展開式熱輻射器,需開展進一步的研究及飛行試驗。相控陣天線對輻照敏感的是各種CMOS工藝電子芯片,需從工藝及材料方面入手開展進一步的研究。
3)努力發(fā)展基礎(chǔ)工藝及關(guān)鍵器件
星載相控陣天線的應(yīng)用性能及技術(shù)水平很大程度上取決于所采用的基礎(chǔ)工藝及關(guān)鍵器件。先進的微波集成工藝,低溫共燒陶瓷工藝可以大幅度地降低相控陣的體積和質(zhì)量,建議加速發(fā)展航天系統(tǒng)微組裝及微波集成工藝,這不僅可以推動星載相控陣的發(fā)展,對于推動整個航天設(shè)備的微小型化、輕量化及集成化均有重大的作用。為從根本上提高相控陣的效率,需聯(lián)合國內(nèi)有關(guān)院所突破磷化銦、氮化鎵器件工藝難關(guān),以填補這一技術(shù)空白。星載相控陣模塊的單芯片化是相控陣技術(shù)的發(fā)展方向之一,國內(nèi)已有相關(guān)院所采用國內(nèi)設(shè)計、國外流片的方法進行了有益的探索,他們的經(jīng)驗值得借鑒。
4)開展新型相控陣體制的預(yù)先研究
光控相控陣、掃描平面反射陣、亞毫米波相控陣等新型相控陣體制牽涉的技術(shù)難度跨度較大,采用很多新型技術(shù)及新型器件,具有技術(shù)復(fù)雜綜合的特點,掌握及應(yīng)用周期較長,為了實現(xiàn)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用,應(yīng)超前開展預(yù)先研究,以推動我國星載相控陣天線技術(shù)盡快跨上新的臺階。
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