星載反射陣天線應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢*

王建曉，尚 社，宋大偉，李小軍，羅 熹，李 棟

(中國空間技術(shù)研究院西安分院 空間微波技術(shù)重點實驗室，西安 710000)

0 引言

在衛(wèi)星微波通信、導(dǎo)航、遙感等應(yīng)用場景中，星載天線都是衛(wèi)星有效載荷的重要組成部分。反射面天線以其較高的輻射效率、成熟的設(shè)計分析流程，已經(jīng)成為目前應(yīng)用最廣泛的星載天線形式。隨著衛(wèi)星平臺對于天線波束掃描需求的不斷提高，在某些需要考慮天線重量、體積的衛(wèi)星平臺中，反射面天線就顯得缺乏競爭力。隨著微波有源電路的快速發(fā)展，相控陣天線技術(shù)日益成熟，并且在快速波束掃描、賦形波束、多波束應(yīng)用場景都頗具優(yōu)勢[1]。對于高頻段、大口徑相控陣而言，相控陣天線的波束形成網(wǎng)絡(luò)的損耗較大，另外相控陣天線的成本、功耗、散熱、重量等問題也限制其在衛(wèi)星領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。因此，在衛(wèi)星應(yīng)用需求的驅(qū)動下，天線工程師一直在不斷研究新的星載天線形式作為反射面天線、相控陣天線的補充方案[2]。

反射陣天線(reflect array antenna, RA)由反射陣列和饋源組成，是結(jié)合了反射面和相控陣若干優(yōu)點的一種新型天線。反射陣天線不僅巧妙地結(jié)合了反射面與相控陣的若干優(yōu)點，而且摒棄了二者的若干缺點。反射陣天線具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢：(1)相較于反射面而言，反射陣天線的剖面低、體積小、重量輕，便于收攏、展開，降低了天線結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度；(2)相較于相控陣而言，反射陣天線無需饋電網(wǎng)絡(luò)，饋電損耗小，在大口徑情況下易于實現(xiàn)較高的天線效率；(3)反射陣使用成熟的PCB工藝加工制備，成本低廉；(4)每個反射陣元的相位獨立可控，設(shè)計自由度大，易于實現(xiàn)賦形波束、多波束等功能[3]。鑒于上述優(yōu)點，反射陣天線已經(jīng)受到國內(nèi)外衛(wèi)星、天線從業(yè)人員的廣泛關(guān)注，并將其視作最具潛力的高性價比星載天線形式之一。

1 反射陣天線基本原理

反射陣天線的起源可以追溯至1963年，Berry等首次提出了反射陣的基本概念，并利用短路波導(dǎo)加工了反射陣的原理樣機[4]。最初的反射陣原型如圖1所示，采用喇叭作為饋源照射長度可調(diào)的短路波導(dǎo)，通過控制短路波導(dǎo)的長度來控制反射相位。由于反射陣原型的基本單元為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，當(dāng)天線的工作頻率較低時，反射陣的體積、重量都會變得難以承受，相關(guān)研究工作由于缺乏應(yīng)用前景而被擱置。

圖1 反射陣天線設(shè)計原型[4]

直到20世紀(jì)80年代末，隨著PCB工藝的日趨成熟和計算機科學(xué)的飛速發(fā)展，學(xué)者才開始重新關(guān)注反射陣，反射陣天線由此進(jìn)入了空前繁榮的時期。反射陣由按照一定規(guī)律排布，具有相似拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的單元構(gòu)成，通過對每個陣元的反射相位，進(jìn)行獨立設(shè)計來調(diào)整饋源入射波的散射相位，在反射陣的口面上形成期望的相位波前，最終產(chǎn)生期望的輻射波束。反射陣單元的形狀千變?nèi)f化，大致可以分為如下三類：連接長度可調(diào)相位延遲線的貼片；尺寸可調(diào)的貼片；旋轉(zhuǎn)角度可調(diào)的開口環(huán)[5]。反射陣天線是反射面天線與相控陣天線的結(jié)合體，兼具反射面天線空間饋電的低損耗特性與相控陣天線靈活的波束控制能力。

2 星載反射陣天線應(yīng)用現(xiàn)狀

星載天線是衛(wèi)星有效載荷的重要組成部分。目前，星載天線的主要實現(xiàn)形式為喇叭天線、反射面天線、相控陣天線和微波透鏡天線。反射陣天線本身具有極大的設(shè)計自由度與靈活性，各種平面結(jié)構(gòu)、共形結(jié)構(gòu)都可以用作反射陣天線的載體，這使得反射陣天線在空間應(yīng)用方面具有極大優(yōu)勢。如何將反射陣用于雷達(dá)遙感、深空探測、無線通信等領(lǐng)域，已經(jīng)成為當(dāng)前反射陣領(lǐng)域的研究熱點之一。在衛(wèi)星應(yīng)用需求的牽引下，美國國家航空航天局(NASA)結(jié)合科研任務(wù)開展了大量的研究論證工作，如表1所列。本節(jié)將按照星載反射陣天線的發(fā)展歷程，簡要介紹并分析NASA已經(jīng)實施的反射陣的論證案例與演示驗證試驗。

2.1 WSOA & KaRIn

衛(wèi)星雷達(dá)測高技術(shù)可以提供全球海面地形信息，在大地測量學(xué)和海洋學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。21世紀(jì)初，美國國家大氣海洋局與NASA等機構(gòu)聯(lián)合發(fā)起“海洋表面地形學(xué)計劃”(OSTM)。作為OSTM衛(wèi)星的重要試驗載荷，寬刈幅海洋高度計(WSOA)將驗證一種新型的高精度海洋表面地形學(xué)測量方式[6]，但是WSOA的研制由于資金問題最終被擱淺。2015年，法國國家空間研究中心與泰雷茲·阿萊尼亞航天公司簽署了“地表水與海洋地形學(xué)”(SWOT)衛(wèi)星研制合同。與Jason系列衛(wèi)星的海洋高度計相比，SWOT衛(wèi)星的性能將得到大幅提升，可以精確測量海面、湖面、河流等地表水高度，經(jīng)過反演可以得到空間尺度大于10 km的中尺度、次中尺度大洋環(huán)流特征[7]。SWOT衛(wèi)星的主要載荷是Ka頻段雷達(dá)干涉計(KaRIn)，該干涉計包含2副位于衛(wèi)星兩端的5 m天線[8-9]。

表1 星載反射陣應(yīng)用現(xiàn)狀

圖2 WSOA[10]與KaRIn[11]系統(tǒng)概念圖

無論WSOA系統(tǒng)還是KaRIn系統(tǒng)，大口徑天線都是最關(guān)鍵的部件之一。在天線方案論證階段，研究人員對比分析了不同天線的優(yōu)缺點。由于平面反射陣在折疊收攏與雙極化雙波束輻射方面具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢，偏饋平面反射陣天線方案最終脫穎而出。如圖2所示，KaRIn繼續(xù)沿用WSOA的偏饋反射陣天線方案[10-11]，工作頻率由Ku頻段提高至Ka頻段，天線口徑由2.2 m×0.35 m增大至5 m×0.26 m，兩部天線之間的基線長度由6.4 m延長至10 m；隨著工作頻率與天線口徑的提高，天線增益由39 dB提高至49 dB。在KaRIn的天線系統(tǒng)中，V/H雙極化饋源布置在衛(wèi)星的本體，具體形式為波導(dǎo)縫隙陣列；V/H雙極化饋源分別位于反射陣的焦點兩側(cè)，通過偏焦原理實現(xiàn)V/H雙極化波束的±3.3°指向，從而實現(xiàn)期望的波束覆蓋；采用正方形微帶貼片作為反射陣單元，通過調(diào)節(jié)貼片的邊長來控制反射相位。目前，KaRIn天線已經(jīng)完成研制，SWOT預(yù)計于2021年完成發(fā)射。雖然反射陣天線方案最具競爭力，但反射陣天線也存在顯著缺點，如：技術(shù)成熟度較低、缺乏在軌演示驗證、技術(shù)風(fēng)險高等。

2.2 ISARA

作為一種全新的空間天線形式，反射陣存在巨大的技術(shù)風(fēng)險。為了驗證反射陣的空間適應(yīng)性與技術(shù)成熟度，NASA率先選擇具有低成本優(yōu)勢的立方星來搭載反射陣。2017年11月12日，NASA通過“小衛(wèi)星技術(shù)”項目開發(fā)的ISARA立方星搭乘“天鵝座”貨運飛船飛往國際太空站，并完成在軌演示驗證任務(wù)。

圖3 ISARA反射陣收攏、展開示意圖及其測試樣件[12]

如圖3所示，ISARA的輻射口徑為3塊33.9 cm×8.26 cm，反射陣與太陽能帆板共用一個孔徑；饋源安裝在立方星本體，焦距為27.6 cm，饋源偏置為14.67 cm；天線增益達(dá)到33 dB。ISARA不僅是世界首顆將反射陣天線與太陽能電池板進(jìn)行集成的衛(wèi)星，同時也是世界首次在軌驗證Ka頻段反射陣天線[12]。

2.3 MarCO

基于ISARA的成功在軌演示驗證，NASA嘗試?yán)肕arCO立方星搭載的反射陣天線來完成地球與火星之間的中繼通信任務(wù)。2018年5月5日，NASA將“洞察號”火星著陸器以及兩顆MarCO立方星送往太空[13]。如圖4所示，這兩顆立方星互為備份，負(fù)責(zé)完成“洞察號”EDL期間的中繼通信任務(wù)。當(dāng)“洞察號”實施著陸時，MarCO將從火星上空3 500 km處飛掠火星。

圖4 MarCO立方星及其火星對地通信中繼示意圖[13]

2018年11月26日14時54分，“洞察號”在火星表面成功著陸，在“洞察號”火星著陸器EDL期間的7 min內(nèi)，MarCO以8 kbit/s的速率實時向地球傳輸數(shù)據(jù)，并向地球傳回了火星的照片。在執(zhí)行中繼通信任務(wù)時，MarCO調(diào)整自身姿態(tài)使X波段反射陣天線的波束朝向地球、UHF波段天線的波束朝向“洞察號”。MarCO可以始終和地球保持聯(lián)系，地面控制人員只需等待幾分鐘，就可以獲取“洞察號”的著陸信息。MarCO是歷史上首次在深空任務(wù)中使用立方星來實現(xiàn)中繼通信，驗證了小型深空通信設(shè)備的可行性。MarCO首次試驗了立方星具有深空探測的應(yīng)用潛力，為未來利用立方星開展深空探測提供了先例。此外，該試驗也證明了反射陣天線適用于低成本衛(wèi)星，并有望將其推廣至空間分布式應(yīng)用。

2.4 OMERA

經(jīng)過ISARA、MarCO的成功在軌驗證，反射陣的空間適應(yīng)性與技術(shù)成熟度都得到了充分的驗證。為了進(jìn)一步提高天線增益，NASA正在嘗試?yán)昧⒎叫莵泶钶d口徑接近1 m的OMERA。如圖5所示，OMERA的口徑為81.8 cm×98.4 cm，工作在Ka頻段，增益將達(dá)到48 dBi[14]。OMERA的輻射口徑由15塊通過鉸鏈連接的矩形平板組成，其中，1塊固定在衛(wèi)星本體上，14塊可以折疊展開。OMERA受到有效載荷技術(shù)演示驗證(PTD)項目的資助，計劃于2020年完成發(fā)射。

3 星載反射陣天線發(fā)展趨勢

隨著現(xiàn)代衛(wèi)星技術(shù)的蓬勃發(fā)展，衛(wèi)星平臺對星載天線的要求也越來越苛刻。通常，星載天線具有賦形波束、多波束、波束掃描、高增益等不同要求。反射陣憑借其靈活的波束控制能力、簡單的平面結(jié)構(gòu)脫穎而出，有望在星載天線領(lǐng)域大放異彩。

3.1 賦形波束反射陣

星載天線作為溝通衛(wèi)星與地面站之間的橋梁，是衛(wèi)星通信載荷的關(guān)鍵組成部分之一。地球同步軌道衛(wèi)星的通信服務(wù)區(qū)往往是地球上某一特定的區(qū)域范圍，這就要求星載天線具有波束賦形能力，使衛(wèi)星的通信服務(wù)范圍能夠覆蓋指定服務(wù)區(qū)域[15]。目前，反射面天線是星載波束賦形天線的主要實現(xiàn)形式。微帶反射陣天線為星載波束賦形天線提供了一條新的技術(shù)途徑。如圖6(a)所示，文獻(xiàn)[16]采用3層矩形貼片作為基本單元，利用25 305個基本單元，設(shè)計了一款實現(xiàn)中國版圖賦形的雙頻雙極化微帶反射陣天線，證明了利用反射陣天線來實現(xiàn)復(fù)雜賦形波束的可行性和有效性。

圖5 OMERA示意圖及其收攏、展開圖[14]

(a)賦形波束反射陣[16] (b)多波束反射陣[20]

(c)大口徑反射陣[21] (d)波束掃描反射陣[23]

3.2 多波束反射陣

隨著通信業(yè)務(wù)需求的迅猛增長，地球同步軌道上的高通量衛(wèi)星(HTS)已經(jīng)成為當(dāng)今空間通信技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點之一[17]。多波束天線(MBA)是HTS系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。此外，由于在波束形成、重構(gòu)、掃描方面具有較大靈活性、抗干擾能力突出，MBA在中/低軌道衛(wèi)星通信領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用[18]。通常，反射面MBA的饋源由若干個喇叭天線組成，具體實現(xiàn)形式為每波束單饋源(SFB)和每波束多饋源(MFB)。文獻(xiàn)[19]提出了兩款基于反射陣的MBA，第一款MBA由兩個反射陣組成(一個用于K頻段發(fā)射，另一個用于Ka頻段接收)，每個反射陣都能實現(xiàn)四色覆蓋；第二款MBA由兩個雙頻(接收頻段與發(fā)射頻段)、雙極化(左旋圓極化與右旋圓極化)雙反射陣天線組成，每個雙反射陣天線能夠覆蓋一半?yún)^(qū)域。如圖6(b)所示，文獻(xiàn)[20]提出了一種用于空間應(yīng)用的K/Ka雙頻段雙圓極化反射陣天線，該天線的雙頻、雙線極化反射陣與雙頻極化器都獨立設(shè)計完成，因此可以獨立地控制每個頻段、每個極化的波束指向。雖然基于反射陣的MBA還有很多需要解決的問題，但是為K-Ka頻段衛(wèi)星的多點覆蓋問題提供了一條新的解決途徑。

3.3 大口徑反射陣

由于火箭推力、整流罩包絡(luò)等限制，常見的可展開結(jié)構(gòu)可能無法滿足未來深空探測、天文觀測、戰(zhàn)略偵察等工程所需的大口徑空間天線的構(gòu)建要求。為了充分發(fā)揮反射陣結(jié)構(gòu)的靈活性，NASA的Huang博士深入研究基于充氣式展開結(jié)構(gòu)與薄膜材質(zhì)的反射陣天線[21]，利用該技術(shù)可以極大程度降低反射陣的重量與收攏體積，這一點對于大口徑空間天線而言至關(guān)重要。如圖6(c)所示，Huang博士曾分別設(shè)計了1 m口徑與3 m口徑的充氣式可展開反射陣天線。其中，3 m口徑反射陣天線工作在Ka頻段，大約有二十萬個單元，增益為54.4 dBi。該天線是迄今為止實際加工完成、電尺寸最大的反射陣天線。在軌組裝是將單/多次入軌的結(jié)構(gòu)模塊、功能模塊等基本單元依序組裝成期望的大型空間系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)效率高、擴展性強、可逐步升級等特性。在“Reflectarray Antennas”一書中，Huang博士介紹了一款分段拼接的在軌組裝反射陣天線，該天線由7塊直徑3.3 m的六邊形平面反射陣子口徑組成，利用高精度鉸鏈與鎖定機構(gòu)來展開子口徑并最終形成10 m的近似拋物面口徑[2]。反射陣具有低剖面與重量輕的優(yōu)點，且其平面結(jié)構(gòu)便于加工、包裝、空間運輸、在軌裝配。相比于反射面天線，為了保證大口徑可展開天線的形面精度，反射陣天線所需要的折疊機構(gòu)會更加的簡單與可靠。由此可見，反射陣天線非常適合用作空間大口徑天線。

3.4 波束掃描反射陣

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，對通信容量和通信速率的要求越來越高，需要裝配更多的星載可動點波束天線[22]。基于新材料、新工藝、新技術(shù)的新型天線技術(shù)將為現(xiàn)代衛(wèi)星天線帶來革命性變化。隨著微型電機與MEMS電機等小型化設(shè)備的快速發(fā)展，基于機械控制的可重構(gòu)反射陣天線逐漸成為可重構(gòu)反射陣天線的備選方案之一。如圖6(d)所示，文獻(xiàn)[23]采用微型電機對X波段的雙開口圓環(huán)進(jìn)行機械旋轉(zhuǎn)，可以實現(xiàn)最大60°的波束掃描角，口徑效率高達(dá)50%。文獻(xiàn)[24]采用C波段的縫隙貼片作為基本單元，通過機械結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)貼片到地板之間的高度來控制反射相位，可以實現(xiàn)最大60°的波束掃描角，口徑效率高達(dá)48%。電子相位調(diào)節(jié)具有掃描速度快的優(yōu)勢，逐漸成為波束掃描反射陣的主要實現(xiàn)形式之一。目前，PIN二極管是可重構(gòu)反射陣天線設(shè)計中最為常見的電子裝置。文獻(xiàn)[25]設(shè)計了一款基于PIN二極管的60 GHz反射陣天線，該天線由160×160個單元組成，基本組成單元為通過PIN二極管連接到短路枝節(jié)的矩形微帶貼片。文獻(xiàn)[26]設(shè)計了一款基于PIN二極管的雙頻可重構(gòu)反射陣天線，該天線可以工作在11.1 GHz與14.3 GHz兩個頻點。具有波束掃描功能的可重構(gòu)反射陣列天線是未來衛(wèi)星天線技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

4 結(jié)論

文章分析了反射陣天線的技術(shù)優(yōu)勢，按照NASA的空間搭載實驗進(jìn)程詳細(xì)闡述了星載反射陣天線的潛在應(yīng)用場景，歸納總結(jié)星載反射陣天線的研究結(jié)論，在此基礎(chǔ)上給出了星載反射陣天線的發(fā)展趨勢，以期對國內(nèi)星載反射陣天線的研究與應(yīng)用提供參考。

反射陣兼具反射面與相控陣的諸多優(yōu)勢，是一種非常具有生命力的星載天線形式。NASA已經(jīng)利用反射陣天線開展了多次空間搭載實驗，充分驗證了反射陣天線的空間適應(yīng)性與技術(shù)成熟度。隨著現(xiàn)代衛(wèi)星小型化、輕量化、集成化技術(shù)的不斷發(fā)展，反射陣天線有望為星載天線提供一種嶄新的解決方案。