我国星载通信天线的发展与趋势.docx

我国星载通信天线的发展与趋势1 引言我国星载天线伴随着我国卫星事业的发展不断壮大，通信卫星是我国最早研制的卫星系列，星载通信天线也是我国最先研制的星载天线类别，从1970年东方红1号卫星发射至今已经经历了5代的发展，本文回顾了我国星载通信天线的发展历程，总结了目前具备的研制能力，也指出了我国未来星载通信天线发展的技术方向。2 我国星载通信天线的发展2.1 东方红1号和东方红2号卫星通信天线：技术试验阶段东方红1号卫星是我国的第一颗人造卫星，1970年发射，采用自旋姿态稳定方式，卫星近似球形的72面体，配置了四根2米多长的鞭状超短波天线以20.009MHz的短波频率发射东方红音乐，如图1所示。东方红2号卫星1984年发射，采用自旋稳定方式，主体为圆柱形，采用全球波束喇叭天线，配置了2路C波段转发器，工作在地球同步轨道，也是一颗试验卫星，如图2所示。 在此基础上，研制了4颗东方红2号甲实用通信卫星。图 1东方红1号卫星与天线其中，1988年发射的东方红2号A卫星是东方红2号卫星的第三颗星，也是改型星，采用椭圆口径的单馈源标准抛物面天线，星上配置了4路C波段转发器，这也是我国首次研制成功的实用通信广播卫星，如图3所示。图2 东方红2号卫星与天线图3 东方红2号A卫星与天线图4 东方红3号卫星与天线2.2 东方红3号卫星通信天线：技术引进阶段东方红3号通信卫星首发星于在1994年发射，但由于泄漏造成燃料耗尽，未能成功定点。第二颗星于1997年发射，采用三轴稳定方式，该星比东方红2号甲卫星有了新的技术跃进。在通信天线方面，东方红3号卫星采用多馈源赋形的双栅反射面天线1，实现了对国土的匹配覆盖，如图5所示，天线收发共用，由双栅极化敏感器、馈源组件、展开机构和支撑结构组成。前反射器为水平极化，后反射器为垂直极化，每种极化的馈源阵由7个喇叭组成，采用极化隔离技术实现频率复用，水平和垂直极化各配置12路转发器。该天线从德国MBB公司引进。(a) 双栅反射面天线结构示意图(b) 多馈源赋形的波束覆盖图(下行)图5东方红3号卫星C频段双栅天线2.3 中星20卫星通信天线：自主创新阶段2003年中星20卫星发射成功，采用东方红3号卫星平台，天线分系统由3付通信天线组成：C天线、Ku全国波束天线和Ku可控点波束天线。C天线和Ku全国波束天线通过天线支撑结构组合成一个模块，安装在卫星东墙板中心承力筒法兰上。C天线和Ku全国波束天线均采用偏置赋形反射面天线形式，利用单馈源收发共用的波纹喇叭馈源组件馈电。相对于多馈源赋形技术，这是一个巨大的技术飞跃，减少了馈电损耗和馈源的复杂度，提高了波束效率，天线性能改善12dB。Ku可控点波束天线安装在卫星东墙板，采用前馈抛物面天线型式，收发共用。该天线从加拿大EMS公司引进。图6 中星20卫星天线图7 SINO-2卫星天线(紧缩场测试状态)2.4 东方红四号：快速发展阶段通过东方红3号卫星和中星20卫星的研制，以及与德国MBB公司的合作西安分院掌握了天线展开技术，与加拿大MDA公司的合作西安分院掌握了可动点波束天线技术，并通过消化吸收和自主创新，分院自行突破了单馈源赋形反射面天线技术，此后，分院星载通信天线产品进入了快速发展时期，不仅满足国内军用和民用通信卫星天线的应用需求，也促进了导航、遥感、侦察等领域的卫星天线研制，并于2008年首次实现了天线部件的出口，与法国TAS公司签订Sinosat-5卫星C和Ku频段可展开天线出口合作项目。下面介绍几颗具有代表性的卫星和天线的研制。(1) 东方红4号首发星：鑫诺二号卫星2006年10月发射了东方红四号卫星平台首发星：鑫诺二号卫星。鑫诺二号卫星天线分系统由5副通信天线组成，其中东西天线均为Ku频段可展开双反射面天线，产生全国波束；对地面上安装了2副Ku频段的区域波束天线和1副Ku点波束天线。该卫星的研制成功，标志着我国具备了复杂天线分系统的研制能力。(2) 整星出口卫星2007年发射了首颗整星出口卫星：尼日利亚通信卫星。NIGCOMSAT-1卫星天线分系统共包含了L、C、Ku、Ka四个频段7副天线。2008年发射了第二颗整星出口卫星：委内瑞拉卫星。委内瑞拉-1卫星 C频段采用偏馈双栅天线，安装在对地板上，为我国自行研制的首副双栅反射面天线，并在后续的鑫诺-6号等卫星上得到进一步应用，如图8所示。而在阿尔及利亚-1卫星研制了，分院首次采用了对地面天线一体化设计技术，如图9所示.图8委内瑞拉-1卫星C频段双栅天线图9阿尔及利亚-1卫星对地面一体化天线（3）首颗Ka大容量通信卫星：实践十三卫星2017年，我国首颗Ka大容量通信卫星发射成功，采用Ka频段多口径多波束天线形式，采用四口径四色频率复用方案，卫星容量达20Gbps，如图10所示。天线布局采用重叠收拢展开形式，突破了宽带高性能双圆极化馈源组件、东（西）板两幅天线重叠收拢及在轨异步二维展开、高精度反射面、高精度在轨校准等多项技术难题，中国通信卫星迈入了大容量时代。(a) Ka多口径多波束天线(b) 多波束覆盖示意图图10实践十三号卫星天线与波束覆盖示意图3 中国星载通信天线当前的技术水平经过四十年多年的发展，我国星载通信天线大致经历了5代的发展，如图11所示。目前，我国星载通信天线系统形成了如下的标准结构，实现了国外先进宇航企业的主流天线配置方案，具备了从LQ/V频段复杂天线分系统的研制能力，具有较强的国际竞争力。对面舱板：对面天线一体化设计(如图9所示)；东西舱板：双/多副重叠展开天线(如图10所示)。图11我国星载通信天线的发展历程4 我国星载通信天线未来的发展趋势我国未来星载通信天线的发展主要从两个方面入手，一方面对现有技术进一步提升，主要表现在如下几个方面：a)大口径高精度、热稳定、轻量化的反射器组件；b)C、Ku、Ka、Q/V宽频段大功率低PIM高性能馈源组件；c)对地面天线一体化、轻量化设计技术；d)Ka频段大规模的多波束天线。另一方面，还需要开展新型天线的研发工作，向多波束天线、在轨波束可重构天线等灵活载荷方向发展，主要表现在如下几个方面：(1) C、Ku频段向多波束转变目前，C和Ku频段仍以固定业务为主，Ku频段的多波束天线技术正在推广应用，多采用与Ka频段类似的天线方案，即单馈源多口径多波束天线方案，已经在轨应用的卫星主要是Ciel-2卫星。而C频段的多波束天线尚处在研发阶段2，关于采用单馈源多口径多波束天线方案还是多馈源单口径多波束天线方案仍在进一步论证当中，是未来需要研究的方向之一。图12给出了一个典型的C频段区域波束覆盖图，它可以采用23个2.5的多波束进行覆盖，通过频率复用可以大幅提升C频段的频谱利用率。(a) 区域波束覆盖示意图(b) 2.5度多波束覆盖示意图图12 C频段区域波束覆盖和多波束覆盖示意图(2)下一代Ka超大容量多波束天线2011年发射的ViaSat-1卫星的容量达到100Gbps以上，下一代Ka大容量卫星的容量可能增加一个数量级，将达到1 Terabit，这是目前在轨业务能力的10倍以上。为了提高卫星的吞吐量，增加系统容量，天线技术可采取的方法有3：采用更窄的波束，提高频率复用次数；增加Ka频段用户波束带宽，发展Q/V频段的关口站链路。目前，波束宽度在0.50度左右，接下来将出现0.20度左右的波束，将需要45m的反射器。以覆盖中国为例，采用0.50度的波束，需要105个波束，采用0.20度的波束，需要606个波束，如图13所示，若采用四色频率复用计划，则频率复用次数提高约6倍。(a) 0.5度波束覆盖中国(b)0.2度波束覆盖中国图13 Ka频段多波束覆盖示意图(3)在轨波束可重构天线随着长寿命卫星的应用，寿命期内卫星业务覆盖范围有可能需要调整，波束可重构天线具备卫星在轨服务区域可重构能力，可最大限度地满足用户的动态调配需求，具有灵活性好、适应性强等特点，适用于下一代长寿命通信卫星。图14给出了一副反射器型面在轨可调的在轨波束可重构天线，它可以实现从中国国土波束向海域波束的在轨重构。(a) 反射器型面在轨可重构天线(b) 波束在轨可重构示意图图14 在轨波束可重构天线和重构能力示意图5 结束语本文回顾了我国星载通信天线的发展历程，经过技术试验、技术引进和自主创新，目前已经具备了国际主流天线系统的研制能力。同时，文中也指出了我国未来星载通信天线发展的技术方向。参考文献1W. Chang, E. Dudok, N. Nathrath, etc., “Communication Anrtenna Subsystem For The Chinese Satellite DFH-3”，in Proc. 19th Eur. Microw. Conf. (EuMC), London, U.K., Sep. 1989,pp. 669705.2Jos M. Montero, Ana M. Ocampo, and Nelson J. G. Fonseca,“C-Band Multiple Beam Antennas for Communication Satellites,” IEEE Trans. Antennas Pro