高Ka頻段系統(tǒng)波束能力的網(wǎng)眼反射天線簡介

+ 志英編譯

一、發(fā)揮點波束系統(tǒng)優(yōu)勢的關(guān)鍵技術(shù)

目前，大吞吐量衛(wèi)星系統(tǒng)的成功主要憑借了三大關(guān)鍵技術(shù)，通過這些技術(shù)可以充分利用點波束系統(tǒng)的內(nèi)在優(yōu)勢。這三大技術(shù)是更大孔徑、多波束饋送以及更強的衛(wèi)星總線能力技術(shù)。本文主要介紹可用來支持大吞吐量衛(wèi)星系統(tǒng)的更大孔徑方面的技術(shù)需求。

更大孔徑是未來大吞吐量衛(wèi)星系統(tǒng)實現(xiàn)更小點波束以及通過更小的賦形反射天線來提高性能的關(guān)鍵性賦能技術(shù)。更小點波束可以實現(xiàn)大容量頻率復用策略，而且還能提高增益，可以使所需的用戶地面終端孔徑實現(xiàn)最小化。對于更大型的反射天線孔徑來說，其所要面對的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是在Ka頻段工作時的性能及指向準確性問題。目前有兩種反射天線技術(shù)可以用來支持Ka頻段的操作，并可以解決上述挑戰(zhàn)。第一種技術(shù)是現(xiàn)有技術(shù)的延伸版本——已經(jīng)通過了飛行測試的放射狀傘骨式可展開網(wǎng)眼反射天線技術(shù)；另一種則是非展開固定式網(wǎng)眼反射天線技術(shù)。這兩種反射天線都能實現(xiàn)更小點波束和更高的增益，可以支持高級頻率復用策略。

二、放射狀傘骨式可展開網(wǎng)眼反射天線

可展開網(wǎng)眼反射天線技術(shù)是廣為人知的一種技術(shù)，具備可伸展的“飛行”設計思想，經(jīng)過近期的調(diào)整，現(xiàn)在已可以用于Ka頻段的多波束應用。測試證明，一副5米可展開網(wǎng)眼反射天線能從地球同步軌道衛(wèi)星映射一個大約0.2度的點波束，從而可以用多個點波束來覆蓋更小型的賦形反射天線點波束進而覆蓋的相同區(qū)域，用多個點來覆蓋相同的地理區(qū)域的優(yōu)勢是可以增加已知覆蓋區(qū)域的潛在用戶數(shù)量。圖1即為典型的5米可展開網(wǎng)眼反射天線示意圖。

使用5米孔徑的反射天線進行Ka頻段操作時，要求表面精度能夠達到0.3毫米。在現(xiàn)有的放射狀傘骨式反射天線技術(shù)上進行構(gòu)建時，結(jié)合使用表面形狀控制點后不僅能夠提高精度，而且可以通過仔細挑選材料組合實現(xiàn)最佳的耐熱性能。這種方法無需添加新的或者未經(jīng)驗證過的材料，也無需對現(xiàn)有熱控制進行更改。對波束樣式產(chǎn)生的射頻分析顯示，大型可展開網(wǎng)眼反射天線能夠?qū)崿F(xiàn)令人滿意的性能。

放射狀傘骨式可展開網(wǎng)眼反射天線是解決小型點波束系統(tǒng)指向問題的理想方式。它設計簡單，沿著聚焦軸向可展開網(wǎng)眼反射天線結(jié)構(gòu)中央的部署裝置的后側(cè)添加一個天線指向裝置即可實現(xiàn)。天線指向裝置與饋送網(wǎng)上的跟蹤反饋信息結(jié)合使用時，能夠確保精確的波束指向，從而能夠滿足Ka頻段上的更小點波束所需的苛刻衛(wèi)星指向要求。放射狀傘骨式可展開網(wǎng)眼反射天線不僅安裝機制獨特，而且易于部署，因而可以大大簡化所需轉(zhuǎn)換及跟蹤調(diào)整過程。

圖2為星載典型放射狀傘骨式網(wǎng)眼反射天線。該系統(tǒng)目前已作為Ka頻段的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（TDRS）的組成部分投入使用，有12個已經(jīng)交付，在最早的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星上使用了28年。

放射狀傘骨式的設計方案可以為業(yè)界提供最簡單可靠的可用解決方案。美軍在過去30年共部署了15個放射狀傘骨式反射器。最近在Sirius-XM FM5衛(wèi)星上也成功部署了2副9米的反射天線。

三、固定式網(wǎng)眼反射天線

通過利用具有知識產(chǎn)權(quán)的網(wǎng)眼技術(shù)和高精度可展開反射天線方面的技術(shù)，固定式網(wǎng)眼反射天線（FMR）可以取代傳統(tǒng)的非展開反射天線系統(tǒng)的固定或三軸編織面，它具有由低失真碳纖維支撐結(jié)構(gòu)支持的高反射網(wǎng)眼面，見圖3所示。

網(wǎng)眼面反射天線在Ka頻段上的射頻性能優(yōu)于三軸碳纖維反射天線的射頻性能，目前已開發(fā)出能夠達到最低運行損耗的網(wǎng)狀材料，即將投入應用。

高反射率網(wǎng)眼技術(shù)能夠通過V和Q頻段實現(xiàn)星際鏈路的通信，還可用于網(wǎng)關(guān)，從而可以為用戶釋放出更多Ka頻段的其他可用頻譜。使用網(wǎng)面設計能夠?qū)⒎瓷涮炀€的總成本降低一半。此外，更輕的有效載荷也降低了用來支撐大型反射天線發(fā)射時所需的接口結(jié)構(gòu)要求，從而可以進一步降低航天器的成本。

一旦完成部署，由固定式網(wǎng)眼反射天線加載的扭距將遠遠低于固定或者三軸編織面反射天線，其不僅能夠潛在延長衛(wèi)星壽命，而且還可降低基站維護所需的燃料。此外，網(wǎng)眼反射天線的高透明度還能降低航天器熱交互作用的影響。

固定式網(wǎng)眼反射天線最適合用于2.5～3.5米的反射天線系統(tǒng)。3.5米孔徑的固定式網(wǎng)眼反射天線能夠?qū)χ付ǖ乩韰^(qū)域進行更小的點波束覆蓋，其性能優(yōu)于2.6～2.7米標準天線的覆蓋能力，同時可支持操作人員不斷增長的容量需求。

總之，Ka頻段可展開網(wǎng)眼反射天線和固定式網(wǎng)眼反射天線都是向Ka頻段點波束大容量系統(tǒng)進行遷移時能夠充分加以利用的可行性技術(shù)。盡管這些技術(shù)都可在Ka頻段的系統(tǒng)上直接實現(xiàn)，但也可以很方便地用在任意頻段（如C、X和Ku頻段）來提供小型點波束，從而實現(xiàn)頻率復用并提高系統(tǒng)容量。未來的衛(wèi)星系統(tǒng)將朝著更高增益、更小波束以及更高精度的方向發(fā)展，這種最新的反射天線技術(shù)將可用來支持剛剛出現(xiàn)的大吞吐量衛(wèi)星市場的需求。