相控阵在卫星通信中的应用研究

Ｊａｎ．　２５，　２０２１　Ｖｏｌ．３８　Ｎｏ．２　Telecom Power Technology 2021年1月25日第38卷 第2期

研制开发doi：10.19399/j.cnki.tpt.2021.02.004

相控阵在卫星通信中的应用研究

王 昕，姚艳军（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230000）

摘要：随着卫星通信的快速发展，相控阵因其在多波束、快速跟踪扫描以及高可靠性方面的优势得到越来越广泛的应用。针对当前卫星通信的新型需求和相控阵适用于卫星通信的优势特点，结合相控阵典型的服务模式，详细介绍了各个服务模式下卫星通信的应用场景。关键词：相控阵；卫星通信；多波束系统

Application of Phased Array in Satellite Communication

WANG Xin, YAO Yanjun(The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Hefei 230000, China)

Abstract: With the rapid development of satellite communication, phased array has been used more and more widely because of its advantages in multi-beam, high reliability, fast tracking and scanning.In view of the new requirements of satellite communication, this paper introduces the advantages and characteristics of phased array applied to satellite communication.Combined with the typical service mode of phased array, the application scenarios of satellite communication under each service mode are introduced in detail.Keywords: phased array; satellite communication; multi-beam system

0 引 言

卫星通信因其覆盖范围广、通信距离远以及系

统容量大等优点，成为当今无线通信研究的热点[1,2]。

相控阵天线由多个天线单元组成，通过改变各个单元

的幅度和相位，可以使波束扫描到空间给定的角度上，

从而改变天线方向图最大值的指向，达到波束扫描的

目的[3]。相比于原有的机械扫描，相控阵具有扫描灵活、

可靠性高以及快速转向等优势，因此在近年来得到迅

速发展，并广泛应用在军民融合领域。

本文将重点介绍卫星通信中相控阵的特点、相

控阵在卫星通信中的典型应用以及其在卫星通信中常

用的工作模式。

1 相控阵的基本原理

相控阵天线指的是通过控制阵列天线中辐射单

元的馈电相位来改变方向图形状的天线[4-6]。根据天

线单元的分布不同，相控阵可以分为平面相控阵、曲

面相控阵以及共性相控阵等。根据场源分布方式的不

同，相控阵可分为离散元阵列和连续元阵列。此外根

据天线阵元排列方式的不同，相控阵可分为线阵、平

面阵以及立体阵。

线阵的各个阵元排列在一条直线上，原理简单常用。以线阵为例，简要介绍相控阵工作的基本原理。

如图1所示，N个沿y轴等间隔、直线排列的天线单

元组成一个线阵，间距为d。

图1 N单元线阵简图

将线阵置于图2所示的平面中，可以得到简化

的线阵天线图。

图2 简化的N单元线阵图收稿日期：2020-11-07作者简介：王 昕（1993-），女，安徽合肥人，硕士，助理工程师，主要研究方向为卫星通信；姚艳军（1986-），男，安徽六安人，博士，高级工程师，主要研究方向为卫星通信、无线通信。

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如图所示，各个阵元在θ方向上有波程差，相

邻阵元的波程差为dsinθ，则线阵相邻阵元的相位差φ为：

2πsindθφλ= （1）

当各个阵元等幅同相馈电且相控阵未做扫描时，

每个阵元在远场区域形成的电场强度相同，N单元线

阵在远场区域形成的电场强度E(θ)为：

()2πsin11jji00dNNiiiiEEeEeθφλλ

θ−−

====

∑∑ （2）

归一化处理后得到线阵的归一化方向图F(θ)为：

()

()()

()()

()00

maxmaxπsinsin

πsinsiniiNdfEFdfENθθθλθθθθλ=====∑∑

（3）

当各个阵元间等幅等相位差馈电时，有第i个阵

元在远场区域形成的电场强度Ei为：

B2πsinjidiEEeθλ−= （4）

同上，此时的归一化方向图F(θ)为：

()()

()i

B

Bπsinsinsin

πsinsinEEe

Nd

FdNθθλθθθλ=

−=− （5）

基于上述推导可知，通过改变相控阵各个单元

的移相器，可以改变相邻阵元之间的相位，从而改变

波束的最大值指向。

2 相控阵的特点

相控阵具有多波束快速扫描捷变能力，可同时

形成多个发射波束和接收波束，且所有波束可以独立

控制、独立扫描以及快速捷变。相控阵减少了机械式

扫描所需要的天线转动时间，可提供更为灵活的响应

能力，支持多波束在轨赋形。根据实际需求，通过高

效波束赋形算法可形成预设形状的赋形波束，实现覆

盖区域内能量按需分配的目的，提升覆盖区域内服务

质量。相控阵波束的工作频率和带宽可软件在轨实时

配置，且具备实时调整工作频率的能力，以规避干扰。

在卫星通信里主要利用相控阵快速扫描捷变、

同时多波束形成、波束赋形、强抗干扰以及高可靠性

的特点。

2.1 快速扫描捷变能力

阵列天线中各天线单元通道内信号传输相位的

快速变化，可以使天线波束具有快速扫描捷变的能力。

不同于传统的机械扫描，相扫克服了原有天线波束指向变换的惯性，从而对性能有了本质的提升。

面对卫星通信中的高动态用户，如中低轨航天器、

侦察机、民用客机以及地表重要用户等，系统需要提

供持续稳定的高速数据连接。此时通常为用户单独分

配一个波束，利用波束跟踪用户的行进轨迹来提供服

务。面对广域非集中分布的卫星用户，通过设计跳波

束方案，使波束的服务区在整个覆盖区内不断发生变

化，利用分时的方式覆盖所有服务区，相对于反射面

波束赋形技术，对波束覆盖性能改善极大。

2.2 同时多波束形成能力

抛物面天线的方向性依赖于馈源，形成的多波

束不可连续变换方向。抛物面天线通过机械伺服驱动，

转动速度慢，不能适应高速运动目标的快速捕获，不

能适应分时接收时快速跟踪及快速切换波束指向的需

求[7,8]。采用相控阵天线，通过转换波束控制信号可

以在一个重复周期内形成多个指向不同的发射波束和

接收波束。

在卫星通信里，通信双方相距较远，需要很大

的发射机才能完成功率的发射和高灵敏度的接收。相

控阵系统能够形成多个高增益的窄波束，分别覆盖目

标区域，保证每个区域内都有较强的信号功率。另外，

多波束通过空分复用可使用相同频率进行通信，在有

限频谱带宽内提高数倍的系统容量[9]。

2.3 波束赋形能力

采用相控阵天线，通过改变阵列中各单元通道

内的信号幅度与相位，可改变天线方向图函数或天线

波束形状。通过波束赋形，可以解决热点区域覆盖、

敏感地区规避以及减小干扰等问题。

2.4 强抗干扰能力

相控阵系统可以集中多个辐射单元的功率形成

大功率模式，也可以通过能量管理和主瓣增益控制分

配不同方向所需的发射能量。这些特性都使得相控

阵系统具有自适应旁瓣抑制和自适应抗各种干扰的

能力。

2.5 高可靠性

相控阵系统的阵列组件较多，且并联使用，即

使有少量组件失效仍能正常工作，突然完全失效的可

能性很小，这极大提高了系统的可靠性。

3 典型服务模式

相控阵可同时形成多波束静态覆盖固定区域，

也可以采用跳波束方案动态地服务不同区域和用户。

根据不同的用户需求，相控阵可提供馈电落地模式、

波束铰链模式以及分组交换模式等几种典型的服务

模式[10]。

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3.1 馈电落地模式

馈电落地模式主要用来提供高速数据传输和卫

星宽带互联网的接入。3.1.1 高速数据传输

空间用户如通信类卫星和信息获取类卫星，地

表重要用户如飞机、浮空平台以及舰队等，均具有分

布广、运动速度快、数据量大以及优先级高的特点。

卫星相控阵载荷可形成大范围扫描和高动态跟踪的多

波束，为用户提供连续、稳定的高速数据传输。在该

模式下，各目标返回的数据及各用户中心发送的前

向数据均需要经过运控中心及地面站的转发，如图3

所示。

用户中心4地面站舰队馈电链路

用户中心3用户中心2用户中心1浮空平台飞机航天器

图3 速数据传输示意图3.1.2 卫星宽带互联网接入

互联网接入定位用于服务一定区域内的大量用

户，解决特定区域大连接的问题，如“一带一路”区

域内地面网络覆盖不到的区域。

（1）固定接入。对于偏远落后地区或山区，无

法实现光纤到户，为了消除数字鸿沟，为这些用户提

供卫星宽带互联网，可使用相控阵形成固定的多波束

进行覆盖。多个固定小区的数据流业务通过交换设备

与卫星终端进行双向通信，卫星终端利用上下行相控

阵波束实现小区和Internet的互连。应用场景如图4

所示。

（2）动中通接入。对于航空、航海以及高铁等

无地面网络或网络差的环境，可利用移动平台安装的

动中通卫星终端，利用相控阵波束进行跟踪，提供互

联网、视频以及多媒体语音等应用服务。应用场景如

图5所示。地面控制中心

PSTN卫星终端信关站

图4 固定宽带业务

地面控制中心信关站

图5 动中通互联网接入业务

3.2 波束铰链模式

相控阵载荷可以在星上设计返向波束链路信号，

通过交换网络交换至前向波束链路，能将返向波束接

收到的数据直接通过前向波束转发落地。系统工作于

该模式时，前返向数据不再经过卫星地面站转发，而

是由卫星直接转发，示意如图6所示。

图6 波束级铰链模式示意图