衛通天線的創新——平板天線

作者：楊紅俊(中國電科10所）

過去10年中，用戶要求衛通終端的天線更小、更輕、功能更強、更通用，包括要求天線能與GEO、MEO、LEO軌道的衛星通信，工作在多個頻段。採用拋物面地面天線有時可以做到這一點，採用平板天線卻極有挑戰性且極為複雜。但是新技術層出不窮，不久平板天線將大量使用，且可用於不同的應用。

一、平板天線的決定因素

決定平板天線需求的最重要因素是外形。平板天線小巧、緊湊、便攜，所需功率小，提供的數據量卻極大。目前新湧現的技術還能實現高頻譜效率，用於LEO和MEO衛星操控時可以從一個波束移到另一個波束，也可同時跟蹤2顆衛星。另外，軟體無線電和輻射方向圖重構的發展可以實現用一個終端與多顆具有多個頻段和多個軌道的衛星通信。

另一個決定因素是移動部件極少甚至沒有。雖然採用機械控制的天線因為有時會出現機械問題而被大家輕視，但是許多機械控制天線使用幾十年也沒有問題。機械控制對於拋物面天線和平板天線是有利的，因為它能實現較寬的仰角，因此可以工作在更偏遠的地方，應用範圍更廣。即便如此，對電控平板天線仍有需求，如果配備多個協同的平板天線，可以實現近半球或全半球覆蓋，沒有任何移動部件。

通中動（COTM）是平板天線技術的另一個重要決定因素。與移動的飛機、艦船或車輛連續通信的需求推動了對適應環境而不是受限於環境的技術投資。

平板天線採用了幾種不同的技術，有些出現在20世紀七、八十年代，有些是現在才湧現。大多數平板衛星通信天線是：基於波導的機械控制喇叭天線或隙縫天線陣列、機械控制印製電路板（PCB）天線或有源電控陣列（ESA）天線。

二、基於波導的陣列天線

基於波導的陣列天線是最傳統的平板天線之一。波導用作饋電網路，也形成輻射陣元的基礎。常常將喇叭用作單獨的天線陣元。喇叭天線就是喇叭形狀的通過喇叭引導能量的天線。因此喇叭陣列天線是由將能量送入或送出喇叭背面饋電網路的多個喇叭組成的天線。縫隙天線的使用方法類似。由於通過這些輻射陣元放射的能量不容易改變到多個方向，因此基於波導的陣列天線必須採用機械控制。在某些情況下，根據陣元帶寬和所需的陣元間距，可將收、發陣列集成在一起或讓它們作為單獨的實體存在。

基於波導的陣列天線通常用於高頻應用，包括衛星通信和雷達，這是因為波導作為傳輸線具有損耗低的特性，尤其與基於PCB的天線和饋電網路相比。

這種陣列的局限性通常包括複雜昂貴的製造工藝，最終生產出的天線與PCB天線相比整體結構較厚。輻射陣元帶寬有限也是一個考慮因素，雖然縫隙天線通常比喇叭天線小巧，但是它們的帶寬都較窄。

三、採用機械控制的印製電路板天線

印製電路板（PCB）天線陣列在出版的技術文獻中極為普遍，陣列採用方形或圓形貼片天線作為輻射陣元構成。它的饋電網路可以由基於PCB的結構或波導分系統組成。由於改變PCB天線基礎結構的物理特性非常容易，PCB天線易於改造成不同形狀和尺寸以優化帶寬，或改造成具有異常多樣性的離散方向圖。因此PCB天線陣列成為波導陣列的傑出備選方案，因為它們更適合大批量和低成本製造。

PCB天線還易於將各種組件集成到PCB結構中，如增加相移單元實現可重構輻射圖，或增加增益和濾波單元改善天線整體性能。

PCB天線陣列的物理尺寸易於伸縮，可以滿足體積、重量和功率（SWaP）的指標要求，或滿足規定的性能要求。與基於無源波導的天線類似，PCB天線陣列可以是交織結構（收發功能共享同一個天線孔徑），也可以是分離結構。

具有固定波束的PCB天線陣列可採用與拋物面反射天線相同的機械定位系統。系統結構上的一個重要區別是PCB天線陣列的饋電網路通常放在輻射陣元後面，而拋物面反射天線則放在整個裝置的前面，使天線整個外形在使用時很相似，但是由於去掉了安裝在吊杆上的射頻饋電網路，顯得更為分離。

PCB天線陣列的這種外形（無需饋電杆）使它成為單人可攜帶終端在系統結構上的良好選擇。例如，PCB天線陣列可以非常小，幾百個陣元既可只用於接收也可用於收發，無需操作桿裝置。這有助於使單人天線攜帶起來小而輕便，易於利用可調節高度的摺疊腿等特性部署天線和手動調節天線指向，優化天線的位置，實現全方位覆蓋。

對於飛機，PCB陣列天線可以製造成特別適合飛機的結構形狀，無論是小尺寸還是大尺寸的陣列均如此。共形可以將真正低剖面空氣動力學天線罩放在天線上，整個裝置在飛行過程中不會產生過大的阻力。固定波束的共形天線通常並不意味著是機械控制的，因此具有有限的視角。對於飛機而言，更好的方案是採用傳統機械定位的短而寬的平板天線，因此平板天線可以在處於地平線時或靠近地平線時傾斜，向衛星收發信號。

PCB天線的優勢是比基於波導的天線製造起來更容易更經濟，也可為某些應用做成共形天線。

PCB天線獨特的缺點是，與傳統拋物面反射天線的充氣式波導組件和饋源系統相比，它是有損耗的。對於LEO和MEO衛星應用，如果採用基於PCB的平板技術，損耗可以不太大，由於終端距離中低軌衛星更近，自由空間損耗的影響會減小。

四、有源電控陣列天線

有源電控天線（AESA）是每個陣元具有獨立固態收發組件的陣列天線，因此每個陣元可獨立指向或跟蹤一顆衛星進行收發，或與其它陣元協同產生更大的波束，提高增益。使用一副AESA天線，操作員可利用天線的控制系統使陣元同時指向多顆衛星。由於所有射頻能量可用電子設備控制，這些天線通常沒有移動部件。

與傳統的拋物面反射天線相比，AESA具有一些極為獨特的優勢。首先，AESA只有很少甚至沒有移動部件，沒有決定天線功能壽命的組件通常會有的磨損，這對於LEO和MEO衛星應用而言尤其重要，因為拋物面反射天線需要隨著衛星從這邊地平線飛到那邊地平線時不斷移動跟蹤衛星。一旦衛星飛出視野，可能需要多副拋物面天線進行跟蹤，這取決於天線定位系統改變指向的速度。

AESA的另一個重要優勢是，與拋物面反射天線相比，它能夠幾乎瞬時改變指向，這對於跟蹤LEO和MEO軌道上的多顆衛星來說很關鍵。另外與GEO軌道相比，LEO或MEO距離短，PCB材料的損耗更不成問題，仍可能實現高數據速率。

但是對於GEO衛星應用，AESA沒有太大優勢。傳統的拋物面天線採用機械定位系統，通常移動範圍有限，在完成初始指向後保持在最高點。因此，採用機械定位的天線系統磨損極小，對於GEO衛星應用是極佳的，因此AESA技術並不是必需的。

對AESA而言，一個極大的挑戰是當波束指向60°或距視軸更遠時會發生參數滾降或增益下降。由於隨著視角指向降低AESA的增益下降，因此需要多副AESA形成一個完整的視場。例如，在船上需要在桅杆頂上環繞放置多副天線，對任意方向提供完整覆蓋。可以將這些天線全部組合起來，形成一整條更加魯棒的數據鏈路，同時與一顆或多顆衛星通信。

AESA另一個更有前景的應用是放在移動車輛上使用。如果車輛在一個開放的地區以相對穩定的方向移動（例如從東向西穿過堪薩斯州），AESA會工作得非常好。但是如果車輛在可視能力有限的地區向南行駛，例如在有懸崖峭壁地形的地區，則會出現嚴重的信號中斷。在這種環境下將機械控制與多副天線組合可以實現更好的整體信號管理。

AESA基於PCB的製造工藝可以使這項技術更適合大批量生產。但是與傳統的PCB材料相比，Ku和Ka頻段的PCB材料目前仍很昂貴。

五、其它電控天線

另一種很有前途的新技術是採用超材料。這種方案採用可調諧的陣元散射無線電頻率的能量，此時陣元被激活，產生一個全息波束。波束的方向由被激活的陣元控制，可以實現連續波束指向或根據需要立即改變波束方向，以保持衛星信號。如果採用其它平板技術，一副天線的控制範圍是有限的，因此需要一副天線還是多副天線協同工作由應用決定。

總之，平板天線的需求由外形、極少或沒有移動部件以及動中通應用決定。新技術的出現推動新型平板天線快速投入市場以滿足這些需求。雖然拋物面天線或其它機械控制天線系統很可靠，適用於許多應用，但是平板天線的多功能性將創造新的市場和新的應用。

6.2018衛星大會上展出的新型平板衛通天線

2018年3月12日～15日在美國召開的2018衛星大會是衛星行業的盛會，會上展出了多家公司的衛通平板天線。

（1）Isotropic Systems公司

Isotropic Systems公司總部在英國，是主營低成本全電掃衛星天線的下一代衛星終端供貨商。會上Isotropic系統公司宣布將為OneWeb開發兼容的超低成本用戶寬頻終端，並展出了採用轉換光學技術生產出的首個低成本、全電掃終端。Isotropic Systems將根據OneWeb的用戶寬頻服務需求構建一個高數據量的LEO終端，價格範圍要讓消費者能夠負擔得起。公司劃在2019年發布首批終端產品，以便OneWeb投入使用。

Isotropic Systems的開創性全電掃終端將提供無縫切換和無限的瞬時帶寬。只需要傳統終端10％的功率，Isotropic的設計是為滿足OneWeb指定的掃描指標、價格和特定的增益性能而量身定製的。它採用像蜂窩一樣的結構，在進行單元設計時，會充分考慮不同天線的應用場景，設計好單元結構和單元天線布局。在實際組裝時，根據用戶需求，如下圖這樣一個一個拼裝起來，就可以完成一個完整的陣列天線了。

同時，Inmarsat也宣布選擇Isotropic System為其生產下一代Ka頻段動中通天線，用於Global Xpress網路。而在上周，Isotropic System被SES選為其下一代MEO星座（O3b mPOWER）的終端天線供應商之一（另外2個供應商是ALCAN和Viasat）。Isotropic System還與iDirect公司宣布合作開發超集成、多功能衛星終端。

（2）SatixFy公司

SatixFy公司是英國的一家公司，會上該公司的下一代衛星通信晶元與系統設計人員介紹了一款全電控多波束陣列天線（full Electronic Steered Multi-beam Array Antenna, ESMA）。這是一款基於ESMA的硅基Ku頻段物聯網（IoT）終端天線（如下圖所示），它們分別是具有64個天線陣元和256個天線陣元的天線。

該天線具有可擴展的架構，最多可支持100萬個陣元（Ku波段則是10m×10m的陣列），通過專用射頻集成電路（RFIC）支持任意頻率、任意極化方式（包括同時支持圓極化和線性極化）、任意形狀（包括共形陣列）的設計，最多可支持32個收發波束。天線採用全數字波束形成技術，支持1GHz以上的瞬時帶寬，工作在TDD和FDD模式。預計陣列效率優於70%。天線具有ACU（天線控制單元）、自校準能力和晶元三角法計算器，用於快速跟蹤和波束控制。

天線通過L頻段介面支持外部數據機，最好是與SatixFy公司的500MHz基帶數據機晶元（Sx3000）搭配使用。根據ESMA波束的占空比，天線用電較少，如果沒有信息流，天線就不需要用電，如DVB S2X的時間限制。採用集成的數據機，天線支持不同的工作模式，如TDD（半雙工）、FDD（全雙工）、超快速捕獲與跟蹤。

SatixFy的基帶晶元還可用於另外的DVB S2X覆蓋。SatixFy公司的下一代1GHz基帶晶元可實現一副天線同時使用8個波束和8個數據機，通過一個數據機晶元和一個乙太網埠同時提供數據和控制。目前大多數相控陣天線受限於每個陣元的功率和價格。SatixFy利用先進的硅工藝設計了自己的硅晶元，這些晶元具有獨特的數字波束形成設計，使每個陣元的功率較低。天線成本主要決定於硅的經濟情況，因為所有演算法和創新的天線設計都是用硅來實現的。

目前SatixFy公司正在與新加坡技術工程公司（STE）合資研製機載終端天線。其它使用ESMA技術的應用還有太陽能無人機和小衛星的多波束載荷、自安裝固定天線、多波束DTH（直接入戶）天線、聯網汽車、汽車中衛星電視的移動只接收天線等。

（3）Kymeta公司

另一家知名平板天線廠商是Kymeta公司，其KyWay衛星終端是採用電控平板天線的衛通終端，已獲得Intelsat、Telesat、SES、HISPASAT這些國際衛星運營商的高通量衛星、常規衛星的入網許可證。這意味著KyWay終端能在他們的衛星網下放心使用，而不會有鄰星干擾的隱患。Kymeta還獲得了Eutelsat的部分認可，並正在與全球的其他衛星運營商進行天線入網的相關工作。目前KyWay終端已在10個國家7個行業的23個客戶中部署使用，包括國防用戶、油汽開採企業及商業用戶。

下圖是Kymeta公司推出的一款可快速部署的攜帶型移動衛通終端KyWay Go，從打開盒子到發射信號只需4分鐘就可架設好開始使用。它最初的生產套量很有限，用戶可租用3～6個月，也可購買。這個終端將用於Kymeta公司創新的K?€LO衛星連接服務和預定的MIR/CIR衛星計劃。

（4）Viasat公司

Viasat開發的一款全電控相控陣平板天線被SES選擇用於其O3b mPower中軌衛星通信系統。Viasat的全電控相控陣平板天線能夠動態調整波束（沒有任何移動部件），從而快速跟蹤衛星位置，支持NGSO衛星間的無縫切換。該天線的特性還包括：頻率利用率提升、動態干擾控制、增強處理能力、運行中重配置天線特性從而支持終端在NGSO衛星和GEO衛星的混合網路中工作等。

Viasat的相控陣天線採用其專有核心技術，包括新的RF集成電路和模塊，支持多種類型用戶終端，從家用寬頻到航空機載Wi-Fi，從車載到基站中繼的各種應用，以跟上持續增長的寬頻連接需求的步伐。這款相控陣天線採用雙波束平板天線系統，工作在全Ka頻段，但也可調整定製支持Ku頻段應用。

Viasat該款相控陣天線的開發得到了歐空局（ESA）PPP項目的支持，Viasat和ESA在2017年11月宣布過雙發的合作。

（5）Phasor公司

Phasor公司的平板天線幾乎年年都在參展，今年展會期間Phasor宣布了兩項合作，分別是與低軌寬頻星座LEOSAT和高軌通信衛星運營商Hispasat。作為合作聯盟的成員，Phasor公司研製了Ka頻段非同步軌道（NGSO）中繼型低剖面電控天線，可滿足任何使用情況下的需求。這種極低剖面電控天線技術可提供大帶寬通信服務，使公司、政府及其它高端用戶以比地面光纖快1.5倍的速率接入網路，同時具備高通量、超高的安全性和極低時延，可滿足LeoSat星座對大數據和高速連接的需求。天線是固態的，沒有移動部件，可電控跟蹤衛星信號。天線可以是平板天線，也可是共形天線，可無縫嵌入移動平台，滿足海事和移動市場的多種應用需求。相同技術也非常適合支持傳統的固定衛星網路、高通量衛星和非同步衛星網路。Phasor公司的模塊化天線結構使系統適用於任何使用情況的需求，無論是固定還是移動通信。

（6）AvL技術公司

AvL技術公司被廣泛認為是拋物面天線技術的龍頭老大，尤其是採用機械定位的堅固耐用的攜帶型系統，製造得極為可靠。AvL公司在全球部署了25000多副天線系統，其產品幾乎隨處可見，數百萬人用它實現了衛星通信。

在2018美國衛星大會上首次展出的新型DarkWing Ka頻段衛通終端是AvL技術公司與L3技術公司、GCS公司聯合研製的小型平板天線，可裝入標準17英寸筆記本電腦包內。

AvL技術公司的平板天線

（7）GetSAT公司

GetSAT公司是一家以色列公司，他們研製了一種創新的輕型衛通終端，可用於地面、機載和海上通信。美國政府已選中他們的MicroSAT和MiliSAT L/M（地面/海上）型終端提供海上和地基保密動中通應用。會上展出了他們的產品系列。

GetSat的小型化通信終端採用具有專利的全交織InterFLAT平板天線技術，用同一個平板天線收發信號，大大節約了體積、重量和功率。而且這些加固的衛星動中通終端可以在惡劣環境下全天時使用。

L/M平台採用簡潔超輕的安裝裝置，是一款微小型化全集成的動中通加固終端。所有L/M終端採用內置IntelFLAT平板技術，易於部署和集成，可以根據地面、空中和海上應用的帶寬需求配備各種尺寸的天線。它獨特的一體化設計包括BUC，根據惡劣環境的指標要求優化了數據機。平台的功耗極低，可與Ka和Ku頻段應用兼容。

MicroSat L/M具有Ka和Ku頻段選項，提供10Mbps以上數據率自動收發操作。中等尺寸的終端具有前所未有的帶寬，可在任何環境下手持使用。

MiliSat L/M是一款中型輕便可便攜動中通Ka頻段衛星終端，可實現20Mbps以上的大帶寬數據率全自動收發。

低軌寬頻星座對平板相控陣天線的需求已經越來越迫切，如果都等到衛星上天，地面才開始配套肯定會影響用戶體驗，因此對於低軌寬頻衛星星座來說，找到合適的地面終端供應商也同樣重要。現在的市場上雖然有許多的廠家都在進行平板相控陣天線的研製，但留給大家的時間都同樣緊迫。

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