低轨星座多波束相控阵天线研究进展与发展趋势

多波束相控阵天线是一种利用波束形成网络,同时实现多个独立的高增益波束的多波束天线,具有高灵活性和宽角度扫描等优点,是低轨通信卫星系统的核心载荷之一。旨在针对应用于低轨星座的星载多波束相控阵天线进行归纳和分析。对低轨星座多波束相控阵天线的发展历程、波束形成技术、关键技术进行了介绍,并对低轨星座多波束相控阵天线的未来发展趋势进行了分析,为我国未来低轨卫星星座建设提供技术参考。     

天基通信系统在智慧海洋中的应用研究

针对国家智慧海洋各类信息通信传输的需求和通信能力现状,综合考虑高轨和低轨通信卫星的通信能力,提出高轨+低轨天基通信系统架构,并对相控阵天线、终端网络架构和波束切换等关键技术,以及海上宽带接入、应急通信和航海监视等九大应用服务模式进行分析。最后提出了统筹规划与分步实施相结合、工程示范与商业应用相结合等通过天基通信系统后续发展智慧海洋的建议。     

星地融合网络相控阵天线应用研究进展

卫星通信网络与地面移动通信网络融合，可提供低时延、广覆盖的泛在接入服务。相控阵天线作为星地传输端到端信息获取的射频前端，具有剖面低、波束成形灵活、多维参数捷变等优点，但也面临降低成本及功耗、增加宽带传输能力、提高宽角扫描性能等方面的挑战。与现有相关综述关注相控阵天线设计流程及制造工艺不同，对相控阵天线在星地融合网络中的应用研究进行综述。首先，阐述相控阵天线的不同架构和特点。其次，总结应对挑战的若干关键技术，包括波束凝视、高精度波束指向、低成本、多波束等。最后，展望在分布式星群组网、高频段演进和通信感知融合等场景中的发展趋势和研究方向。     

面向低轨卫星的双圆极化宽带宽角扫描阵列研究

随着卫星通信技术的日益成熟，相控阵天线被广泛应用于低轨卫星系统，提出了一种面向低轨卫星通信的新型双圆极化宽带宽角扫描阵列天线。阵列天线单元采用一种金属栅格加载的对称阵子，其工作宽带为17GHz~21GHz，相对带宽超过21%，同时金属栅格加载方法可有效展宽对称阵子波束宽度，从而在工作频段内使E面和H面波束宽度均超过140°。通过上述宽带宽波束对称阵子作为阵列天线单元，形成8×8的64单元阵面。然后，阵列天线单元经过旋转组阵，实现了双圆极化特性。由于天线单元具有宽带、宽波束性能，有效拓展了阵列波束扫描角度，即在不同旋向下，均能实现二维±60°的波束扫描。阵列在低频17GHz工作时，法向波束增益为18.2dB，当扫描离轴角为60°时，增益下降2.8dB，轴比小于2dB。在高频21GHz时，法向增益为19.6dB，当扫描离轴角为60°时，增益下降3.7dB，轴比小于3dB，具备良好的宽带宽角覆盖性能，从而在低轨卫星通信中具有广阔的应用前景。     

GEO移动通信卫星合成多波束天线仿真分析

针对地球静止轨道（GEO）移动通信卫星星上多波束天线波束成形技术,研究了合成多波束对地覆盖、点波束天线增益以及波束间干扰抑制技术。利用仿真分析软件进行多波束天线的波束成形仿真分析,优化了天线系统的设计参数,改善了波束间的隔离度指标,提高了系统通信性能和局部地区的信道容量,完成了地球静止轨道移动通信卫星系统合成多波束天线的设计。     

低轨通信卫星天线系统多波束形成关键技术

对低轨通信卫星星载天线阵的多波束形成中的阵列天线结构、射频通道一致性校正,以及数字波束成形等关键技术进行了研究。给出了天线的辐射单元和阵列结构设计,根据通道接收机结构用幅相一致性模块校正通道幅相失配,通过遗传算法确定数字多波束成形网络的加权系数。研究对多波束样机研制有较大的应用价值。     

星载可移动多馈源单口径多波束天线研究

针对我国通信业务容量提升以及热点区域动态变化的保障能力需求,设计了Ka频段多馈源单口径可移动多波束天线,研究了波束馈源簇形成方式、相邻波束馈源交叠方案、天线转动方式、波束形成网络,以实现覆盖区域的高增益通信和波束灵活调整。通过高增益低旁瓣多波束天线的频率复用设计和波束形成网络技术研究,提升卫星通信系统的容量及天线覆盖的灵活性。重点改善波束扫描后的形状畸变和性能恶化问题,仿真表明,对波束幅相权值的优化可以保证天线转动前后波束增益和C/I性能稳定。     

Ka频段双极化低剖面卫通相控阵天线

当前国内外低轨通信互联网星座发展迅猛，面向卫通天线跨星跨波束快速切换、低剖面应用需求，提出了一种Ka频段层叠式缝隙耦合双圆极化发射相控阵天线。基于多层PCB叠层瓦式架构，将天线层、电源与控制层、功分网络层和芯片层一体化集成。基于“双线极化天线+移相控制”设计实现左右旋圆极化及其极化切换，采用子阵相位旋转排布实现天线整阵二次圆极化。测试结果表明：天线工作频段为27.5~31GHz，29.2GHz处法向等效各向同性辐射功率值为16.5dBW，可实现±60°扫描，法向轴比＜2dB，左右旋圆极化可切换，天线子阵厚度3mm。相比传统砖式相控阵天线，大幅降低了剖面和重量，对卫通天线低剖面、波束快速切换等具有重要应用意义。     

星载反射器天线用相控阵馈源的电气设计与制作

采用偏焦相控阵馈电反射器天线能实现电子波束再形成与波束扫描,可搭载在静止轨道卫星上用于移动卫星通信。本文介绍了这种相控阵馈源的电气设计;其31单元辐射阵和波束形成网络的制作;通过实验和分析验证了相控阵馈源电气设计的适当性。把这种相控阵馈源与口径13m的反射器天线组合后,证明可实现42dBi以上的覆盖增益,波束隔离达20dB以上。     

星载多波束相控阵天线设计与综合优化技术研究

针对采用CDMA协议的低轨通信卫星,设计一个19阵元7波束的六边形平面阵天线,克服了卫星波束大角度扫描带来的"边缘问题"和"远近效应"。采用粒子群优化算法分别对正六边形天线阵列进行综合优化,优化过程采用基于空间分裂的优化策略,极大地简化了波束赋形的参量数目。数值仿真结果表明,方向图各项指标均符合设计要求,有效地验证了天线设计和算法的正确性。     

Ka频段液晶相控阵天线设计与分析

随着5G通信、卫星通信、物联网的迅速发展，对于相控阵天线提出了更高的技术要求，要求其具有带宽更宽、成本更低、指标更优、尺寸更小等特点。为了满足移动卫星通信的需求，针对相控阵天线的技术指标要求，设计了一款工作于Ka频段的液晶相控阵天线。通过研究液晶相控阵天线系统的整体架构，对其各个主要功能模块进行了设计和选型，包括天线阵列规模大小评估，移相器、辐射器、馈电网络、偏置网络、波控电路等功能部件的选型，研究基于液晶移相技术的小型化相控阵天线及波束控制电路，最终完成天线设计与仿真，并完成原理样机的研制和测试。对关键技术指标进行论证，天线各项指标可满足Ka频段移动卫星通信的相关技术需求。相较于传统卫星终端，该液晶相控阵天线具备批量生产、体积小、通信位置灵活等特点，适用于各种安装平台，更符合现代化通信的需求，为军/民用移动卫星通信提供了一种有效可行的天线解决方案。     

基于DBF的波束功率控制及优化设计技术

低轨卫星系统近年来得到了广泛的关注和发展,卫星的轨道高度低,具有传输延时短、路径损耗小的特点,可以为小型化用户终端提供服务,但也存在单星覆盖区内路径差异大、卫星业务分配不均和工作动态范围大的问题。针对这些问题提出了一种适用于低轨卫星的波束优化设计方法,采用地球匹配波束设计,来实现更好的链路质量和覆盖效率。在下行波束设计中,通过唯相位加权优化设计方法,在满足波束增益要求及波束间C/I的基础上,实现了单波束功率由0%~100%的调整能力。针对低轨卫星移动通信业务随时间变化,导致发射组件输出功率长时间工作于回退状态的特点,提出了一种通过卫星业务处理器实现业务量变化与功放的最佳效率供电电压匹配调整的星上自适应功放功率随动技术,使得功放平均效率有效提高,减少了天线的平均功耗和热耗。     

超宽带相控阵天线的发展现状及星载应用展望

面向卫星载荷小型化、集成化和多功能一体化的发展趋势，具有超宽带、高增益和波束灵活特性的天线是目前星载天线领域的研究热点，其可满足通信、干扰、侦察、探测等多种不同应用场景，具有十分迫切的需求。首先对不同形式的超宽带天线单元进行了归纳梳理，根据天线的机电特性和空间环境适应性情况，给出了星载应用选型建议；其次对不同的超宽带波束形成方式进行了阐述，重点分析了不同波束形成方式的优缺点及其在卫星平台上的适用性；总结了超宽带相控阵天线涉及到的关键技术，对主要的技术途径进行了介绍；最后对超宽带相控阵天线的星载应用技术发展提出了建议，可为我国后续开展星载超宽带相控阵天线的技术研究和工程应用提供参考。     

国外中继卫星对航天器交会对接的测控通信支持

中继卫星系统的天基测控通信是近代航天技术的重大突破,它能够有效地满足航天器交会对接的测控通信需要。文章分析了美国＂跟踪与数据中继卫星系统＂（TDRSS）和欧洲＂阿特米斯＂（ARTEMIS）中继卫星对＂自动转移飞行器＂（ATV）与＂国际空间站＂（ISS）交会对接任务的测控通信支持,总结了国外中继卫星系统支持航天器交会对接...     

星载相控阵天线的技术现状及发展趋势

星载相控阵天线采用现代微波集成技术,在有限的卫星平台空间条件下,实现独立控制的多个点波束,满足未来通信的需求。相控阵天线可以实现波束间通信容量的调整,还可以根据需要改变波束形状,使用自适应调零的抗干扰技术,这些技术已在国外星上设备中广泛采用,具有广阔的发展前景。文章介绍了星载相控阵天线的研究现状、关键技术,以及发展趋势,并对我国星载相控阵天线技术的发展提出了建议。     

低轨巨型星座网络容量评估与分析

低轨卫星网络可以提供广覆盖、低时延、大容量的通信服务和随遇接入的网络服务，可有效弥补地面通信网络和高轨卫星网络的不足。近年来“星链”“一网”等星座项目推动了低轨巨型星座的飞速发展。卫星网络容量是网络性能评价的重要指标，传统方法计算复杂度高、耗时长，且计算开销随网络节点数迅速增加，在巨型星座网络评估中产生巨大计算开销。面向低轨巨型星座网络容量评估问题，提出了一种基于最大流的网络容量评估方法，与传统方法相比计算复杂度和计算耗时大大降低。以“星链”星座为例，分析了星座构型、星间链路拓扑连接方式、链路容量及用户需求量对巨型星座网络容量的影响。仿真分析结果对未来低轨巨型星座网络建设具有指导意义。