星载天线发展之路

VS
“数字波束形成”
完成信号采样、信道化、正交化、波束 形成处理、幅相一致性调整和数模转换 等功能 优点： 功耗和重量取决于总处理带宽和辐 射部件的数目，与波束的数目无关
1 2 3
便于实现对由于网络器件引起的 相位误差和幅度误差进行校正和 补偿 在多波束天线的相关信号处理上不 受空间的限制
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馈电网络
相控阵辐射单元数量大，馈电在空间完成，所以其馈电网络设计和 电源的选择，幅度相位校正等技术都至关重要。
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波束形成技术
“模拟波束形成”
功率分配器和移相器分别调整各个输
出端口的振幅和相位，在单口径天线 中采用模拟波束形成技术可以获得较 好的增益和旁瓣性能 Ka 频段MFB 成束的阵馈反射面天线，其 无源波束形成网络基本都采用模拟波束形 成技术。美国在2007 年发射的 Spaceway3 卫星，星上的这副Ka 频段卡 塞格伦接收天线采用的是模拟波束形成技 术。
倍地提高通信卫星容量，成为第一代卫星通信以后星载天线领域研究的重点方向。
使用窄波束 使增益提高 频谱利用率提高
地面设备小型化 节约了生产成本
覆盖区域大 波束可调控 灵活性强
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反射面多波束天线
01结构组成
反射面一般采用抛物 反射面, 为避免馈源的
02工作原理
1
2
在这种天线中, 多个馈 源照射单一反射面, 从 而在服务区内形成多个
4-2 技术发展 4-3 国内意见 4-4 总结分析
整体趋势
1
频段更高
近十年来，国际上对Ka 频段高通量卫星的需求非常迫切。就
目前看来，Ku 频段下的技术已经非常成熟，Ka 频段正在成 为国内外研究的热点，而亚毫米波及丝米波频段则是星载多波 束天线进一步研究的方向。随着研究频段的进一步提高，对透 镜波导阵列及准光学波束形成网络的研究越来越受到关注。
无 源
每个单元都能独自产生和接收电磁波，当少量T /Ｒ 模块 失效时，并不会对相控阵天线的性能产生太大影响，而 且有源阵天线在带宽、信号处理和冗余度设计上都比无 源相控阵有明显的优势，因此，在L /S /X 频段星载相控 阵多波束天线基本都采用有源阵方式。
有 源
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相控阵天线的关键技术
A
系统设计
1
2
星载 天线
4 3
在相控阵多波束天线方面， 随着单片式微波集成电路 ( MMIC) 技术的发展，微 波集成技术与光控技术的 有机结合 ， 采用扫描平面 反射阵技术，普及有源相 控阵天线。
透镜天线是几何光学原理 在无线电频率范围的一种 应用。随着研究频段向毫 米波和亚毫米波的推进， 波长的缩短为小型化透镜 天线的发展带来了希望
VS
“有源相控阵”
有源相控阵天线的每个辐射单
元都与一个T /Ｒ 模块及移相 器功率、放大器一一对应，通 过控制移相器和T/R，可改变
单元天线辐射场的幅度和相位。
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无源与有源比较
早期的低频段无源相控阵因为波束形成网络体积大，损 耗大，成本高，并不适宜作卫星天线。而对于目前正在 开发的Ka 频段，因为无源阵单元结构相对简单且便于 规模化布局，所以大规模阵列天线基本采用无源方案。
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Part
2
多波束反射面天线
2-1 反射面天线 2-2 产生方式 2-3 不同频段应用
多波束天线
多波束天线是应近代卫星通信容量的快速增长及多目标区域通信的发展需求而出现的，它向 空间辐射的电磁波由多个点波束组成，并且每一个波束都有一个对应的输入( 输出) 通道。通 信卫星上采用多点波束天线技术可以通过空间隔离来实现多次频率复用和极化复用，从而成
阻挡及馈源和反射面
间的相互藕合, 多采用 偏馈反射面系统。由 偏馈的抛物面和位于
子波束。通过调整子波
束的排列方式及各馈源 的激励系数, 就可以使 合成波束对于所覆盖的
焦点处的馈源阵组成,
反射面处于馈源的远 场区。
特定服务区域赋形。
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反射面天线的多波束形成方案
反射面天线与相控阵天线、透镜天线相比，具有重量轻、结构简单、设计技术成熟、性能优良等优点。 为了在星上产生更多高增益低副瓣的点波束，通常需要电大口径的星载天线，而反射面则是之前实现 多波束这一性能的最佳方案.反射面多波束天线的馈源通常由多个喇叭单元组成，其波束的形成方式可 分为基本型成束法和增强型成束法.
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总结
星载天线的发展伴随着卫星通信系统的进步而进步。希 望未来天线技术有更多突破。演讲内容来源于论文资料 和网站文献资料，如有错误，还望老师和同学指正。
对于MEO 轨道上的卫星 则主要采用反射面形式 。 如处于 MEO 轨道的 ICO 星座，其卫星上采用两副 反射面天线，可形成 163 个点波束。
LEO 通信卫星，卫星轨道 太低，视角宽，要求天线 具备较大扫描角 ， 采 用 的 是相控阵天线。
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4-1 整体趋势
Part
4
星载来自百度文库线未来趋势
01 SFB
02 MFB
基本型成束法，国际上也称每束单 馈源( Single Feed per Beam，SFB) 增强型成束法，国际上也称每束多 馈源( Multiple Feed per Beam，MFB)
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基本成束法
SFB 是一种最直接最 简单的成束方式，每 个从天线口径中辐射 出来的点波束都是由 一个特定的馈源照射 一块反射面后形成的
不同轨道通信卫星多波束天线配置的选择
GEO 通信卫星，所处轨道 高，传输路径长，路径损 耗大，要求用更窄波束来 提高星载天线 增 益，一般 采用大型可展开反射面天 线，目前也有通信卫星开 始采用相控阵天线配置
1
2
星载 天线
4 3
采用MFB 成束方式的 GEO 卫星多波束天线来说， 通常采用单块大口径反射 面天线。美国 SkyTerra/-2 的天线口径达到了 22m。
01无源相控阵天线
02 有源相控阵天线
星载无源相控阵天线 Passive networks 星载有源相控阵天线 active networks
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无源和有源相控阵原理
“无源相控阵”
无源相控阵天线仅有一个中央 发射机和一个接收机。发射机 产生高频能量由计算机自动分 配给天线的各个辐射单元，目 标反射信号经接收机统一放大
01原理
03优点
节约卫星表面空间，安装 相对方便，且各波束的指
向误差相对较小
MFB
02结构 04缺点
MFB 所需要的馈源单元 数量通常是SFB 所需的
数倍，使得馈电网络要
02结构
比SFB 成束方式复杂
MFB 四色复用波束形成方案
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不同频段反射面天线的波束形成方案选择
L/S两个频段多波束天线通常采用MFB的成束方式
2
集成度更高
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，提高天线的集成度与可靠性。
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技术发展
反射面天线方面，对于Ka 频段的通信卫星，其反射 面将淘汰单一固面结构形 式，大力推广可展开式网 状反射面形式及更先进的 拓展形式
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Part
3
星载相控阵天线
3-1特点分类
3-2 波束形成
3-3 未来趋势
星载多波束相控阵天线
相控阵天线可以通过对相位和幅度的调整来实现对波束形状的改变，波束扫描，以及波束间功率的分配， 通过电子手段使得波束旋转实现扫描而不是机械式的改变天线的架设结构。通过使用自适应调零的抗干 扰技术，可以大大提高通信卫星的空间生存能力。此外，相控阵天线相对于反射面天线来说，具有低轮 廓的特性，便于卫星的发射。
相控阵
着力开发有源相控阵技
术，并引入数字波束形 成技术，以满足低轨卫 星的宽角度扫描及抗干 扰的要求。
国内 天线
ka频 段
加强地基波束形成技术研 究，减轻空间环境对卫星 的影响。研制更大口径的 反射面，为发展我国甚小
GBBF
加强Ka 频段的研究 力度，大力开发微型 有源器件走在世界前 列
口径终端创造条件。
名称定义
装载在人造地球卫星上的 天线称为星载天线,是卫星 信号的输入和输出器,卫星 通信正是通过星载天线与地 球站天线之间互相传输电磁
研究价值
星载天线
天线技术一直是卫星通信发 展历程中的关键技术之一， 随着全球卫星综合通信网的 建立，星载天线需要不断的 突破和创新，以支持，促进
波来实现信息传递。
卫星通信的发展。
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主要发展历程
简单天线
主要是第一代卫星通信系统所用的天线，多为标准圆 或椭圆波束，70年代以前大多采用线状天线。
星载 天线
赋形天线
1975年以后开始第二代卫星通信，天线采用多馈源波 束赋形和反射器赋形，多波束天线开始普及。
多波束成 形
2000年以后第三代卫星通信中，广泛使用大型可展开 天线和相控阵天线，开展星上波束形成和地基波束形 成技术。
辐射效率高，便于同时生
成数量较多的点波束，馈 电方便，相邻波束间具有
01 原理 01 原理 01 原理
03 优点 03 优点
较好的共极化和交叉极化 特性，并且可以收发共用
SFB SFB SFB
02 02 结构 结构 02 结构 04 缺点 04 缺点
所需要的反射面数量较多费用
大，在通过多块反射面来实现
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各国首发卫星上的天线
Sputink1 explorer1 Asterix 大隅号 东方红1号
1957年10月4日前苏联发射了第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”采用了 4根鞭状天线
1958年2月1日在美国发射的第一颗卫星”Explorer 1“的天线是玻璃钢 纤维包裹着DP天线和交叉天线，进入轨道后，卫星将旋转并释放出交叉天线
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。确定阵型排列、工作模式、设计控制方法及控制流程
B C
相控馈电模块
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。其集成度是实 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。
多色复用时，需要在卫星表面 占据较大的空间，对安装精度 和异步展开精度要求高，而波 束指向性却相对差，并且难以
实现波束重构
SFB 四色复用波束形成方案
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增强成束法
便于对波束数目和形状进
MFB采用馈源阵列模 式排布，通过波束形 成网络向阵列单元激 励所需的振幅和相位， 以形成不同形状的多 波束，单个反射面便 能实现波束间的隔离 和波束赋形 行灵活控制，对于不规则 区域的覆盖具有明显优势，
SFB/ MFB
Ku /Ka 频段，SFB 和MFB 成束方式均适合
表面空间足够的通信卫星考虑馈电难度，SFB适合
安装空间有限、有极化复用要求的，MFB适合
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不同反射面天线波束形成方案应用
Alphasat-I-XL的馈源阵( 尺寸2.5m×2.5m×0.6m)
不同频段反射面天线的波束形成方案的应用实例
波束形成与信号处理方面， 采用地基波束形成( GBBF) 技术。它将与地面辅助组 件( ATC) 技术相结合，构 建天地融合的卫星-地面移 动通信系统
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国内星载天线发展建议
在L /S 频段反射面方面，
为了进一步提高波束复用 率，增大卫星的通信容量， 应该加大对馈源双圆极化 的研究力度。
馈源
1970年4月24日，中国发射的“东方红1号”采用了202MHz的单极天线以及雷达上使 用了DP天线
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各国首发卫星
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第一代星载天线总结
第一代卫星系统各方面技术都是起步阶段，所以卫星上携带的无线设备都是最简
单基本的，搭载的天线大多采用的鞭状天线和双偶极天线，都是简单的线状天线。 其长度一般为工作波长的四分之一或二分之一。主要优点是：结构简单，使用方 便，全方向性。之后各国的探空之旅迅速的发展，尤其美国率先开始了卫星系统 中各方面技术的研发，天线技术也有了很大突破。
目录
CONTENTS
多波束天线
全向波束天线
赋形天线
星载天线未来趋势
星载天线背景
Part
1
绪论
1-1 卫星通信历史
1-2 星载天线定义
1-3 星载天线价值
星载天线的背景
卫星通信
卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站，转发无线电信号，在两个或多个地球站之间进行卫星 通信。自20世纪40年代提出如今已成为区域与跨洋通信、国家基础干线通信、国际军事通信、行业 及企业专网通信乃至个人通信的主要通信方式之一。未来全球无缝隙覆盖的天地一体化的海、陆、 空、天共用的能够提供各种宽带和多种业务的综合通信网是必然，这也促进了卫星上天线技术的更 新发展。