李 靖，王金海，劉彥剛，張中海，侯 睿

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.天津警備區(qū)，天津 300220；3.軍委裝備發(fā)展部裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100034)

0 引言

衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣、傳輸距離遠(yuǎn)、通信容量大、傳輸質(zhì)量好、組網(wǎng)靈活迅速和保密性高等眾多優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)今極具競(jìng)爭(zhēng)力的通信手段。隨著高通量衛(wèi)星通信的逐步應(yīng)用，衛(wèi)星的傳輸容量顯著提高，單位帶寬的成本大幅降低[1]，給人們的生活、生產(chǎn)帶來(lái)了極大的便利。相控陣天線是通過(guò)控制陣列天線中輻射單元的饋電相位來(lái)改變方向圖形狀，控制相位可以改變天線方向圖最大值的指向，已達(dá)到波束掃描的目的，也可以通過(guò)加權(quán)優(yōu)化控制副瓣電平、最小值位置等參數(shù)。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)空間段和用戶終端相控陣天線都有應(yīng)用，在空間段主要是利用相控陣天線的同時(shí)多點(diǎn)波束、敏捷波束和空域?yàn)V波能力，在用戶終端則是看中其低輪廓、靈活波束形成處理、空域自適應(yīng)調(diào)零濾波以及潛在的低成本等特點(diǎn)。

相控陣天線在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用主要有直接輻射相控陣(Direct Radiating Arrays，DRA)和陣列饋源反射面天線(Array Fed Reflectors，AFR)2種形式[2]。DRA收發(fā)信號(hào)直接輻射，通過(guò)射頻波束形成網(wǎng)絡(luò)(BFN)或數(shù)字波束形成滿足同時(shí)多點(diǎn)波束、敏捷波束、波束重構(gòu)和寬角掃描等需求，費(fèi)用和功耗較高。AFR采用賦形反射面天線結(jié)合相控陣饋源陣列的方式，利用偏焦饋電形成多個(gè)不同指向的波束，同時(shí)滿足高增益、低功耗、低成本、多點(diǎn)波束和波束掃描的需求，利用饋源焦平面陣列可以改善反射面的漏射率，提高天線輻射效率EIRP[3-4]，另外陣列激勵(lì)技術(shù)還可用于補(bǔ)償反射面加工誤差或老化造成的扭曲變形。

文獻(xiàn)[5]中描述了相控陣衛(wèi)星通信天線的主要關(guān)鍵技術(shù)，包括寬角掃描天線技術(shù)、天線-射頻集成化設(shè)計(jì)技術(shù)、高精度跟蹤技術(shù)和相控陣天線的幅相校準(zhǔn)技術(shù)。近年來(lái)，隨著研究的深入，逐步突破了這些技術(shù)并取得了一定進(jìn)展。但是，隨著寬帶衛(wèi)星通信的發(fā)展，對(duì)相控陣天線提出了新要求，涉及到超寬帶寬角掃描天線、高速傳輸處理、軟件無(wú)線電通用平臺(tái)、數(shù)字波束形成(DBF)和低成本集成等關(guān)鍵技術(shù)。本文將介紹近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的空間段和用戶終端中相控陣天線的應(yīng)用情況，并結(jié)合上述關(guān)鍵技術(shù)對(duì)相控陣天線發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 星載相控陣天線應(yīng)用

1.1 中低軌道衛(wèi)星應(yīng)用

對(duì)于LEO通信衛(wèi)星，由于軌道低，星地傳輸距離短，自由空間損耗小，同時(shí)要求天線具備較大掃描角(通常對(duì)地覆蓋角度不小于±60°)，因此，該軌道上的衛(wèi)星用戶鏈路一般都采用直接輻射相控陣配置。除了寬掃描角外，該相控陣天線還具有低輪廓、低功耗、波束數(shù)量較少(通常小于50個(gè)波束)和重量輕等特點(diǎn)，其波束形成網(wǎng)絡(luò)從早期的射頻BFN逐步發(fā)展為數(shù)字波束形成，可實(shí)現(xiàn)靈活的多波束、波束調(diào)整重構(gòu)，以及波束凝視、等通量覆蓋。數(shù)字波束形成的挑戰(zhàn)主要是利用高效的算法、以最小的計(jì)算資源得到所需的波束權(quán)值。目前，通常采用查表法讀取預(yù)先存儲(chǔ)的權(quán)值系數(shù)，未來(lái)可通過(guò)在軌重構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)權(quán)值更新或通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算自適應(yīng)更新權(quán)值系數(shù)。

中低軌道衛(wèi)星的相控陣天線通信應(yīng)用可以追溯到銥星和全球星系統(tǒng)，1987年摩托羅拉提出和負(fù)責(zé)制造的銥星系統(tǒng)由66顆低軌衛(wèi)星組成，星載主任務(wù)天線(Main Mission Antenna)采用3個(gè)有源相控陣板，如圖1(a)所示，以一定的角度面向地球，提供衛(wèi)星到地面用戶的L頻段鏈路，每個(gè)有源相控陣由106個(gè)陣元和T/R，以及波束形成網(wǎng)絡(luò)組成，每個(gè)T/R組件有一個(gè)5 bit移相器和一個(gè)6 bit衰減器，功率放大器采用PHEMT FET，波束形成策略是基于兩維交叉Butler矩陣和功分器形成16個(gè)點(diǎn)波束，如圖1(b)所示，整星共計(jì)48個(gè)點(diǎn)波束指向地球[6-7]。

(a)銥星

(b)16點(diǎn)波束覆蓋

全球星1代(GB1)則采用91個(gè)發(fā)射陣元(S頻段下行鏈路)和61個(gè)接收陣元(L頻段上行鏈路)的六邊形陣列布局，采用功分器和合成器方式的射頻波束成形網(wǎng)絡(luò)來(lái)形成16個(gè)點(diǎn)波束。為提高在軌壽命(從GB1的7.5年到2代的15年)和降低費(fèi)用，2010年開始建設(shè)的全球星2代(GB2)發(fā)射天線采用半有源相控陣天線，即采用2副無(wú)源多面穹圓頂形天線(TX10，TX6)形成16個(gè)波束[8]，并由多端口功放提供信號(hào)放大，由TX10喇叭實(shí)現(xiàn)中心的波束1，TX10剩余的9個(gè)陣面形成外圍的9個(gè)波束，TX6的6個(gè)陣面(每陣面8陣元)形成中間圓的6個(gè)波束，而且多端口功放可以實(shí)現(xiàn)波束間的功率調(diào)節(jié)。L頻段接收則繼承GB1采用有源相控陣天線，把陣元數(shù)減少到52，優(yōu)化成本，波束賦形通過(guò)調(diào)節(jié)無(wú)源移相器和衰減器實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 GB2相控陣天線

國(guó)內(nèi)上海微小衛(wèi)星工程中心于2009年完成16個(gè)發(fā)射波束的有源陣列天線原理樣機(jī)研制與測(cè)試[9-10]，該S頻段有源陣列天線由61個(gè)天線陣元等三角形柵格排列組成一個(gè)正六邊形平面陣，如圖3(a)所示，采用數(shù)字波束形成網(wǎng)絡(luò)形成16“等通量”覆蓋波束，如圖3(b)和圖3(c)所示，經(jīng)測(cè)試中心波束峰值增益為10.5 dB，第2層波束峰值增益為13 dB，第3層波束峰值增益達(dá)到16.8 dB以上，中心波束指向誤差為0.4°。其數(shù)字波束形成采用查表法節(jié)約乘法器資源，利用正六邊形關(guān)于120°的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，根據(jù)波束空間陣列分解結(jié)果設(shè)計(jì)復(fù)用結(jié)構(gòu)，以各波束為中心完成波束成形乘法運(yùn)算，然后以陣元為中心進(jìn)行對(duì)應(yīng)的累加運(yùn)算，完成波束成形操作，極大地利用各子陣間共用成形系數(shù)，節(jié)省2/3的硬件資源。

(a)陣元排列及子陣分割示意

(b)16波束賦形效果

(c)波束頻率復(fù)用及覆蓋示意

1.2 同步軌道衛(wèi)星應(yīng)用

同步軌道衛(wèi)星上的相控陣天線通信應(yīng)用主要分為2個(gè)方面：大容量/超大容量通信衛(wèi)星應(yīng)用中多采用X/Ku/Ka頻段直接輻射相控陣天線，例如Spaceway3，ViaSat，WINDS，AEHF，WGS等衛(wèi)星，需要解決寬帶、高通信速率、敏捷波束調(diào)整、自適應(yīng)調(diào)零抗干擾和高可靠等難點(diǎn)；衛(wèi)星移動(dòng)通信應(yīng)用中多采用大型L/S頻段陣列饋源反射面天線形成多點(diǎn)波束，例如AcES，Thuraya，Inmarsat-4，ICO-GEO，Terrestar-2，Skyterra-2，天通-1等衛(wèi)星。陣列饋源反射面天線的反射面為大型可展開傘狀天線，具有重量輕、增益高、低旁瓣和費(fèi)用低等特點(diǎn)，同時(shí)兼具相控陣靈活波束的優(yōu)點(diǎn)，但是，星載可展開相控陣天線存在著結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)、電磁場(chǎng)及溫度場(chǎng)之間的相互作用、相互影響，進(jìn)而影響相控陣天線的電性能[11-14]；同時(shí)，為了發(fā)揮相控陣天線靈活波束的優(yōu)點(diǎn)，需采用DBF技術(shù)，受限于星上載荷緊張的處理資源，部分衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)采用了地基波束形成(GBBF)技術(shù)。以返向鏈路為例簡(jiǎn)要說(shuō)明GBBF系統(tǒng)原理，如圖4所示，用戶終端返向信號(hào)經(jīng)星載陣列饋源反射面天線接收后，饋源相控陣各通道載波信號(hào)經(jīng)多路復(fù)用后，通過(guò)饋電鏈路發(fā)送到信關(guān)站解復(fù)用、數(shù)字波束形成所需的用戶波束，通過(guò)增加地面復(fù)雜度從而換取了載荷的高可靠、小型化，但是，由于GBBF系統(tǒng)具有通道鏈路長(zhǎng)、誤差來(lái)源復(fù)雜的特點(diǎn)，且通道間誤差隨衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)具有時(shí)變特性，需要在通信過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)補(bǔ)償。因此，星載陣列饋源反射面天線的難點(diǎn)在于：展開機(jī)構(gòu)、反射面找形、在軌熱分析、無(wú)源互調(diào)[15-16]、多點(diǎn)波束賦形、自適應(yīng)調(diào)零抗干擾、可靠性分析、GBBF星地一體校準(zhǔn)[17]等，以及為節(jié)約載荷資源急需開展的數(shù)字信道交換與波束形成一體化技術(shù)研究。

圖4 返向鏈路GBBF系統(tǒng)架構(gòu)示意

替代Milstar衛(wèi)星的AEHF星座覆蓋南北緯65°間的廣大地區(qū)，用于包括核戰(zhàn)爭(zhēng)在內(nèi)的各種規(guī)模戰(zhàn)爭(zhēng)中，為關(guān)鍵戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)部隊(duì)提供防截獲、抗干擾、高保密和高生存能力的全球衛(wèi)星通信[18-19]。鑒于功率和費(fèi)用方面考慮，AEHF的可控波束同時(shí)采用萬(wàn)向傳動(dòng)天線和相控陣天線，相控陣用于跳動(dòng)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于可能采用萬(wàn)向傳動(dòng)天線的移動(dòng)波束。2010年8月發(fā)射了第一顆先進(jìn)極高頻衛(wèi)星，如圖5所示，衛(wèi)星有2個(gè)發(fā)射相控陣，采用271個(gè)單元，單元間距2.4波長(zhǎng)，工作在Ka頻段，采用跳波束相控陣天線獨(dú)有的“超敏捷”服務(wù)，可以為指揮部和160個(gè)實(shí)時(shí)移動(dòng)的孤立用戶之間提供即時(shí)通信覆蓋，接收相控陣一個(gè)，采用了先進(jìn)的自適應(yīng)抗干擾技術(shù)。

圖5 AEHF衛(wèi)星天線布局

商用高通量衛(wèi)星通信方面，截至2016年全球約40家衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商中，已經(jīng)有26個(gè)衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商投資超過(guò)60顆高通量衛(wèi)星或部分載荷[1]，并呈加速發(fā)展趨勢(shì)。高通量衛(wèi)星系統(tǒng)容量從第一代的10 Gbit/s左右發(fā)展到100 Gbit/s 左右[20]，未來(lái)HTS衛(wèi)星系統(tǒng)容量將達(dá)到Tbit/s量級(jí)，例如規(guī)劃中的ViaSat-3衛(wèi)星，單星達(dá)到1 Tbit/s的系統(tǒng)容量，可靈活地將容量動(dòng)態(tài)分配到需要的地方，預(yù)計(jì)2019發(fā)射第一顆衛(wèi)星。2007年8月發(fā)射的Spaceway3采用Ka頻段無(wú)源相控陣天線[21]，可幫助進(jìn)行功率和波束動(dòng)態(tài)調(diào)整，陣列規(guī)模為1 500，可生成24個(gè)下行波束(在784波束位置上跳變)，上行采用雙偏卡塞格倫發(fā)射面，形成112個(gè)波束，如圖6所示，Spaceway3衛(wèi)星具有很強(qiáng)的應(yīng)用適應(yīng)能力，針對(duì)小型終端用戶進(jìn)行功率和速據(jù)率優(yōu)化。

圖6 Spaceway-3衛(wèi)星波束及通信架構(gòu)

2008年2月發(fā)射的日本W(wǎng)INDS衛(wèi)星，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7所示，實(shí)現(xiàn)2個(gè)獨(dú)立可控移動(dòng)點(diǎn)波束，每個(gè)波束可跳變8個(gè)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)時(shí)分多址(TDMA)的通信模式。發(fā)射天線、接收天線各包含128個(gè)天線單元，天線的輻射單元為角錐喇叭天線形式，其排列考慮到了對(duì)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(zhǎng)。為了得到最大增益，采取等幅饋電。

圖7 Winds星載相控陣

衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)可與地面移動(dòng)通信系統(tǒng)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)個(gè)人通信全球化。用戶鏈路采用較低的UHF頻段、L和S頻段，具有傳播損耗小、雨衰影響小、穿透和繞射能力強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)，利用陣列饋源反射面天線大反射面的窄波束和相控陣的靈活性，形成100～500個(gè)點(diǎn)波束覆蓋，結(jié)合頻率和極化復(fù)用，可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的大容量和用戶終端小型化設(shè)計(jì)。2010年11月發(fā)射的Skyterra-1衛(wèi)星，如圖8所示。

圖8 Skyterra-1 L頻段大型可展開天線

采用22 m L頻段大型可展開網(wǎng)狀天線，配合相控陣饋源陣列以及GBBF技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多達(dá)500個(gè)波束，其采用的GBBF技術(shù)簡(jiǎn)化星上有效載荷設(shè)計(jì)，將復(fù)雜的星上處理工作交由地面信關(guān)站處理，并能根據(jù)用戶需求調(diào)整波束數(shù)量和形狀，靈活分配星上容量和帶寬，相比星上數(shù)字波束形成，可有效降低風(fēng)險(xiǎn)。2013年發(fā)射的Terrestar-2，同樣采用18 m金屬網(wǎng)反射面天線，配合GBBF技術(shù)，實(shí)現(xiàn)500個(gè)可變波束，系統(tǒng)能夠廣泛支持寬帶移動(dòng)接入業(yè)務(wù)。

另外，還有美國(guó)跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系列，星上采用一個(gè)S頻段多址相控陣天線，如圖9所示，30個(gè)螺旋陣列天線，接收時(shí)形成20個(gè)波束，發(fā)射時(shí)用12陣元形成1個(gè)波束；美國(guó)第二代“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”的S頻段多波束相控陣天線陣元為微帶貼片子陣，收發(fā)陣分開，星上模擬多波束形成，天線接收鏈路單元數(shù)為32個(gè)，波束為6個(gè)，使得返向數(shù)傳速率提高到3 Mbit/s，天線發(fā)射采用15個(gè)陣元，前向波束為2個(gè)，傳輸速率為300 kbit/s。

圖9 跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星

2 相控陣天線在衛(wèi)星用戶終端的應(yīng)用

相控陣天線在衛(wèi)星用戶終端的潛在應(yīng)用主要考慮移動(dòng)衛(wèi)星通信中的發(fā)射多波束切換管理、避免干擾其他衛(wèi)星、多星信號(hào)靈活接收以及GEO與LEO/MEO系統(tǒng)的相互操作。對(duì)于LEO，MEO衛(wèi)星通信，衛(wèi)星在軌道上不停地快速運(yùn)動(dòng)，地面天線要保持跟蹤天空中“飛行”的衛(wèi)星，并能很快地從跟蹤一顆衛(wèi)星切換到另一顆，如果使用傳統(tǒng)機(jī)械式天線，除非是雙天線，否則無(wú)法在不造成通信中斷的情況下連續(xù)跟蹤衛(wèi)星。相控陣等電掃描平板電線的應(yīng)用將大大改善上述情況，由于沒有機(jī)械部件，低輪廓、高可靠性，甚至一副天線可以支持多星同時(shí)工作，非常有利于NGSO衛(wèi)星通信。但是，相控陣天線應(yīng)用有一個(gè)極大的挑戰(zhàn)，當(dāng)波束指向60°或偏離視軸更遠(yuǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生增益下降，因此需要多副天線形成一個(gè)完整視場(chǎng)。

當(dāng)前國(guó)際上幾家較有名的電掃描平板天線廠家包括Phasor公司、C-COM公司、Isotropic公司、SatixFy公司、ThinKom公司和AvL公司等，既有老牌的拋物面天線技術(shù)公司，也有像Phasor，Isotropic這樣新銳的天線企業(yè)。在高通量航空應(yīng)用中，業(yè)界通常認(rèn)為平板天線需要提供100 Mbps以上的數(shù)據(jù)傳輸能力。

Phasor公司研發(fā)的低成本相控陣天線，采用具有電子波束成形功能的專用集成電路(ASIC)，這些芯片與非常小的貼片天線組合成一個(gè)單元，超過(guò)500個(gè)單元分布在經(jīng)過(guò)射頻優(yōu)化的面板上，構(gòu)成了Phasor核心模塊的基礎(chǔ)。核心模塊可以構(gòu)成各種尺寸和配置，高度只有25～50 mm的相控陣天線，具有重量輕、面積小、精度高和擴(kuò)展能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠以非常高的增益提供超過(guò)100 Mbps的寬帶速度，如圖10所示，采用共形設(shè)計(jì)，以便在更大的180°范圍內(nèi)掃描，雙波束技術(shù)使LEO和GEO可互操作。

圖10 Phasor天線效果圖

C-COM是一家有20多年固定和移動(dòng)VSAT車頂天線生成歷史的公司，與滑鐵盧大學(xué)合作研究適應(yīng)未來(lái)應(yīng)用的相控陣技術(shù)，希望將模塊化有源相控陣系統(tǒng)推向市場(chǎng)。該公司天線采用先進(jìn)的軟件算法來(lái)控制和校準(zhǔn)模塊，并通過(guò)批量生產(chǎn)的方式大大降低開發(fā)成本。2016年5月，C-COM基于其專利移相器技術(shù)，成功測(cè)試了首款4*4 Ka頻段相控陣智能天線模塊，該模塊基于創(chuàng)新架構(gòu)的低成本多層平面電路，具有靈活度高、厚度小、模塊化、一致性和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

Isotropic公司專注于低成本、全電掃衛(wèi)星天線，作為SES，Inmasat，OneWeb的合作伙伴，該公司為OneWeb研發(fā)的兼容終端旨在通過(guò)超前的方式為新興市場(chǎng)提供超低成本的寬帶，以彌合數(shù)字鴻溝，預(yù)計(jì)Ku頻段終端低于300美元，Ka頻段終端低于450美元[22]。Isotropic在2018年美國(guó)衛(wèi)星大會(huì)發(fā)布的概念天線如圖11所示。

圖11 Isotropic天線效果圖

AvL技術(shù)公司被廣泛認(rèn)為是拋物面天線技術(shù)的龍頭，在全球部署25 000多副天線系統(tǒng)，數(shù)百萬(wàn)人用它實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信。2018年美國(guó)衛(wèi)星大會(huì)上首次展出的新型Ka頻段衛(wèi)通終端DarkWing，如圖12所示，是與L3技術(shù)公司、GCS公司聯(lián)合研制的小型平板天線，可裝入標(biāo)準(zhǔn)432 mm 筆記本電腦包中。

圖12 AvL技術(shù)公司的平板天線

國(guó)內(nèi)方面，中國(guó)電科在展會(huì)上展出其基于民航應(yīng)用的Ka頻段寬帶相控陣天線，如圖13所示。

圖13 中國(guó)電科的相控陣天線

部分新銳毫米波公司開展多通道多功能芯片集成單片的嘗試，采用硅基CMOS工藝和砷化鎵化合物工藝，集成單片發(fā)射芯片和接收芯片，并基于該多通道多功能芯片開發(fā)出Ka頻段相控陣天線樣機(jī)，如圖14所示的微波多層板相控陣天線。

圖14 微波多層板相控陣天線照片

3 衛(wèi)星通信相控陣天線關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

隨著高通量衛(wèi)星、衛(wèi)星移動(dòng)通信和低軌衛(wèi)星星座的蓬勃發(fā)展，個(gè)人對(duì)流量的巨大需求，推動(dòng)著相控陣天線向高頻段、寬頻帶、多功能化和低成本等方向發(fā)展。下面討論的幾項(xiàng)相控陣先進(jìn)技術(shù)代表衛(wèi)星通信相控陣天線未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，能否解決相應(yīng)的超寬帶寬角掃描、高速傳輸處理、軟件無(wú)線電通用平臺(tái)、數(shù)字波束形成和低成本集成等關(guān)鍵技術(shù)，決定著相控陣天線能否在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

微波光子傳輸。隨著衛(wèi)星通信Q/V頻段的應(yīng)用，傳輸處理的帶寬達(dá)到5 GHz，對(duì)傳統(tǒng)微波技術(shù)處理提出了新挑戰(zhàn)，采用光子技術(shù)解決微波問題，在大帶寬、低損耗、無(wú)串?dāng)_和高抗電磁干擾等方面具有突出優(yōu)勢(shì)，光學(xué)真延時(shí)能有效提高相控陣天線系統(tǒng)的瞬時(shí)帶寬，完成高速數(shù)據(jù)傳輸。目前，微波光子集成基本是分立元件，只是在實(shí)驗(yàn)室得到驗(yàn)證[23-24]，體積功耗大，難以實(shí)現(xiàn)工程化。因此，突破高集成、大帶寬的微波光子芯片，實(shí)現(xiàn)微波光子濾波、變頻、交換處理，以及基于光學(xué)真延時(shí)的波束形成網(wǎng)絡(luò)等功能，研究真延時(shí)的微波光子傳輸并應(yīng)用于寬帶相控陣天線系統(tǒng)，對(duì)相控陣天線在雷達(dá)/通信領(lǐng)域的發(fā)展和升級(jí)具有重要意義。美國(guó)2015年7月成立集成光子研究所，旨在開發(fā)新型快速的光子集成制造技術(shù)和工藝方法，促進(jìn)光子集成電路的設(shè)計(jì)、封裝、測(cè)試與互聯(lián)，構(gòu)建從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)品制造的全產(chǎn)業(yè)鏈集成光子平臺(tái)，從而解決高動(dòng)態(tài)范圍、超低損耗、寬帶光子集成芯片大規(guī)模制造難題。國(guó)內(nèi)電子科技大學(xué)和清華大學(xué)較早開展相關(guān)研究，在光真時(shí)延、光波束形成網(wǎng)絡(luò)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展；中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所在光波導(dǎo)技術(shù)方面開展研究，取得系列研究成果；中國(guó)電科14所與南京航空航天大學(xué)2017年研制出K波段(18～27 GHz)的微波光子雷達(dá)實(shí)時(shí)成像驗(yàn)證系統(tǒng)[25]。

集成桅桿[26]。雷達(dá)、通信、對(duì)抗、測(cè)控一體化系統(tǒng)的研究目標(biāo)是：瞄準(zhǔn)“偵查、干擾、探測(cè)、通信、攻擊、測(cè)控”一體化需求，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、通信和測(cè)控的硬件、軟件和波形的一體化，使雷達(dá)在探測(cè)的同時(shí)能夠進(jìn)行通信，利用相控陣?yán)走_(dá)天線陣面大尺寸高增益天線單元，產(chǎn)生通信波束，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離多用戶的接入和寬帶數(shù)據(jù)傳輸。需要研究解決超寬帶射頻前端及天饋陣列系統(tǒng)技術(shù)、一體化基帶處理架構(gòu)技術(shù)、微波光子傳輸變頻技術(shù)、精確光真時(shí)延、光波束形成網(wǎng)絡(luò)和電磁兼容等基礎(chǔ)問題。2016年5月意大利PHODIR項(xiàng)目組搭建了一個(gè)雷達(dá)/通信雙用途原型機(jī)，該原型機(jī)基于同一個(gè)天線和光子收發(fā)機(jī)完成雷達(dá)與通信信號(hào)的接收與檢測(cè)，可同時(shí)執(zhí)行監(jiān)視與通信任務(wù)，且2個(gè)分系統(tǒng)之間不會(huì)互生干擾。

數(shù)字相控陣技術(shù)。為提高星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的單星覆蓋范圍，要求大范圍波束覆蓋(±60°左右)；為滿足用戶隨時(shí)隨地使用需求，要求衛(wèi)星可調(diào)整波束的大小、指向、功率以及波束間帶寬等，從而靈活地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分配衛(wèi)星容量；面對(duì)日益擁擠的衛(wèi)星星座和頻率使用環(huán)境，要求衛(wèi)星通信系統(tǒng)具備保護(hù)戰(zhàn)術(shù)波形能力；為滿足靈活終端應(yīng)用，要求任意極化方式、通信波形可配置、波束靈活調(diào)整和快速跟蹤；以及面對(duì)GEO與LEO/MEO星座的相互操作需求，需要用戶終端在調(diào)控發(fā)射波束管理、衛(wèi)星切換時(shí)避免干擾其他衛(wèi)星等。因此，未來(lái)相控陣天線將會(huì)越來(lái)越多地采用數(shù)字相控陣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星功率動(dòng)態(tài)分配、波束動(dòng)態(tài)重構(gòu)、敏捷調(diào)整，具備自適應(yīng)抗干擾能力，同時(shí)避免干擾其他衛(wèi)星。

新材料新工藝實(shí)現(xiàn)低成本。由于相控陣天線的成本、功耗和復(fù)雜度問題，部分天線廠家開始另辟蹊徑，不用昂貴的耗電的部件，尋求利用新材料來(lái)制作平板天線，利用液晶生產(chǎn)線來(lái)大規(guī)模生產(chǎn)以降低成本[27]。2012年成立的Kymeta公司，開發(fā)由在全息面板上完全不同材料構(gòu)成的平板天線mTenna，能產(chǎn)生全息波束，通過(guò)電控天線內(nèi)部不同單元的工作狀態(tài)，可控制天線波束方向，尋星、鎖定衛(wèi)星的時(shí)間達(dá)到μs量級(jí)。德國(guó)Alcan Systems公司基于Darmstadt技術(shù)大學(xué)的RolfJakoby教授的研究成果，采用液晶代替?zhèn)鹘y(tǒng)半導(dǎo)體制作液晶移相器，公司計(jì)劃2019年推出基于液晶材料制作的平板天線，可用于高中低軌衛(wèi)星通信。進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)多所高校和科研機(jī)構(gòu)相繼開展液晶相控陣熱點(diǎn)技術(shù)研究[28-30]，多集中在光學(xué)相控陣應(yīng)用方面。

4 結(jié)束語(yǔ)

蓬勃發(fā)展的GEO高通量衛(wèi)星和正在來(lái)臨的鴻雁、LEOSat、OneWeb[31]和SpaceX之類LEO衛(wèi)星星座，正推動(dòng)著一波衛(wèi)星通信浪潮。美國(guó)航天咨詢公司北方天空研究所(NSR)高級(jí)分析師Brad Grady說(shuō)，公司預(yù)測(cè)2017到2027年，電掃平板天線設(shè)備累計(jì)銷售量將達(dá)到180萬(wàn)塊[32]。在這即將到來(lái)的浪潮中，國(guó)內(nèi)從業(yè)者應(yīng)當(dāng)加緊超寬帶寬角掃描天線、高速傳輸處理、軟件無(wú)線電通用平臺(tái)、自適應(yīng)數(shù)字波束形成(包含調(diào)零波束、多波束和高精度測(cè)向測(cè)角等)和低成本集成等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，解決相控陣天線成本和性能2個(gè)主要痛點(diǎn)，制造出真正小型的相控陣天線和終端設(shè)備，滿足企業(yè)級(jí)和消費(fèi)級(jí)的高數(shù)據(jù)率增長(zhǎng)、隨時(shí)隨地寬帶接入需求，推動(dòng)相控陣天線在GEO/NGSO高通量衛(wèi)星、衛(wèi)星移動(dòng)通信等衛(wèi)星通信應(yīng)用中大展身手。