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相控阵天线与固定多波束天线在通信卫星系统中的应用分析

任军强;邹恒光;周钠;刘骞

【期刊名称】《国际太空》

【年(卷),期】2015(000)011

【总页数】6页(P55-60)

【作者】任军强;邹恒光;周钠;刘骞

【作者单位】中国空间技术研究院通信卫星事业部;中国空间技术研究院通信卫星

事业部;中国空间技术研究院通信卫星事业部;空间电子信息技术研究院

【正文语种】中文

在通信卫星系统的设计过程中，面对大范围覆盖、高增益需求，主要有相控阵天线

和固定多波束天线两种方案可供选择。相控阵天线可以实现大范围内的高增益跳变

覆盖，性能相对灵活，但技术实现难度较大；固定多波束天线可以实现大范围内的

高增益常态覆盖，技术实现相对容易，但性能不够灵活。如何选择和使用这两种天

线，更好地满足用户的需求，是通信卫星总体设计中面临的一个非常重要的问题。

相控阵天线是在阵列天线的基础上发展起来的一种天线体制和技术，它以一些离散

的天线单元在空间以某种形式排列成一定的形状，每个天线单元的幅度和相位激励

能独立控制，以使其能在空间形成一定形状的波束。波束空间指向可以通过调整每

个天线单元激励信号的相位来控制，扫描过程不需要机械移动，整个天线口径始终

保持固定，同时波束又能随意地扫描，因此相控阵天线具有无惯性扫描的特点。近

年来，相控阵天线被越来越多地应用到航天领域，主要是用以实现雷达探测、成像、

卫星通信和测距等。

国外相控阵天线的在轨应用情况

国外的星载相控阵天线主要工作在X、Ka、极高频（EHF）频段。

（1）日本“超高速互联网卫星”

日本2008年2月发射的“超高速互联网卫星”（WINDS）上装载了Ka频段有

源相控阵天线，天线收发分开，收发波束均为2个，收发阵元数均为128个。卫

星上的相控阵天线实现了对亚太地区的广域高增益灵活跳变覆盖，可在大范围内实

现波束电动扫描，支持时分多址（TDMA）通信方式。

（2）美国“先进极高频”卫星

美国2010年8月发射的“先进极高频”（AEHF）卫星上装载了Ka/EHF频段

相控阵天线，采用分布式馈电有源相控阵天线方案，收发分开，Ka频段（20GHz）

发射、EHF频段（44GHz）接收。发射相控阵天线2副，每副的271个单元形成

2个波束；接收相控阵天线1副，每副的271个单元形成4个波束。相控阵天线

系统采用诺格公司研制的“波束形成网络”（BFN），可实现卫星天线在轨自适应

调零，不需要地面站的控制和干涉。相控阵天线波束宽度为1°，EIRP值为

50dBW（波束中心）。接收阵与发射阵总功耗为800W，接收阵与发射阵总质量

为140kg。

“先进极高频”卫星的相控阵天线可直接接收来自地面终端的信号，通过电动扫描

方式来改变射频波束的指向，因而能很便捷地使用户之间的波束瞬间跳变，实现波

束指向的灵活跳变。

（3）美国“宽带全球卫星通信”卫星

美国2007年10月发射的“宽带全球卫星通信”（WGS）卫星上装载了X频段

相控阵天线，收发分开，发射阵312个单元形成8个波束，接收阵168个单元形

成8个波束。

“宽带全球卫星通信”卫星上的X频段相控阵天线是多波束有源阵列天线，具有

在轨波束形状调整与操作能力，可形成任意形状和大小的独立波束，并以最小2.2°

的点波束对全球进行覆盖，主要实现大范围内的离散、孤立地区的跳变覆盖。

（4）美国太空之路－3卫星

美国2007年8月发射的太空之路－3（Spaceway－3）卫星上装载了Ka频段

相控阵天线，为单一发射相控阵天线，其接收天线为112个波束的双偏置卡塞格

伦反射面天线。Ka频段单一发射相控阵天线采用1500个单元形成24个波束（在

784波位上跳变）。

太空之路－3卫星通过下行相控阵发射天线，根据用户的需求动态产生相对应的点

波束，提供用户实际需要的卫星容量及带宽，同时根据用户需求可对某个地区进行

增强，实现系统容量、覆盖的灵活动态管理。

相控阵天线的特点

相控阵天线一般具有以下优点：

1）波束快捷扫描，无需机构，采用时分复用原理可以实现多目标跟踪指向或通信。

2）可实现独立控制多个波束，每个波束实现不同的功能，满足未来军事通信的需

求。

3）抗干扰能力强，可精密控制天线辐射方向图，可以实现低副瓣、自适应调零等

功能，抑制各种干扰。

4）具有空