李邦复
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文 摘 评述阵列天线在航天数据系统中应用的现状与前景，特别是在移动卫星通信系统与小卫星系统中的应用，指出集成化与低成本设计的重要性，讨论利用共形阵列天线通过跟踪与数
据中继卫星系统传输火箭数据的可行性。
主题词 +阵列天线 共形阵列 +航天数据系统 火箭 +跟踪与数据中继卫星系统
前 言
本文讨论阵列天线在航天数据系统中的应用，特别是在火箭测控系统中的应用前景。众所周知，相控阵天线用于雷达已有多年历史。相对于机械扫描式天线而言，相控阵天线具有多波束形成与瞬间切换功能以及近乎无惯性跟踪的特性，是多目标跟踪识别与精确制导雷达的重要组成部分。在航天通信领域，最早应用相控阵天线的是第一代跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)。为了对多个中低轨道在轨卫星同时进行跟踪测量与数据通信，中继卫星上装有一部S波段的相控阵天线，由30个螺旋天线及波束形成网络组 成，可最多产生20个指向波束。前向链路单个波束增益为23dB，返向波束增益为27.8dB。波束形成与目标跟踪则完全由位于白沙导弹靶场的地面站通过上行遥控指令系统进行控制。这就构成了中继卫星系统的S波段多址通信系统(SM A)。近年来，在许多无线通信领域，特别是地面移动通信与卫星通信，开始应用阵列天线技术，其独特的多波束形成及瞬间切换与重构功能可提高通信的时空效率与功率效率，增加用户容量，使多址通信系统在现有的时分多址(TDM A)、频分多址(FDM A)与码分多址(CDM A)的基础上增加空分多址(SDM A,S pace D iv isi o n M u lti-A ccess)系统。空分多址系统相当于空间滤波器，在波束指向增强有效信号功率，在其它方向能有效抑制干扰。
随着技术的进步，这种以通过控制单元天线相位来控制辐射方向图的多单元天线阵列系统也不断发展。单元天线收发信号的受控参数不仅是相位，还有幅度(功率)。波束形成网络的控制算法更加复杂和先进，使系统具有更好的自适应能力及可重构特性，能适应更复杂的用户需求与电磁环境。这样就出现了诸如自适应阵列天线与智能(s m a rt)阵列天线等新概念〔1〕。阵列天线也不仅限于二维平面阵列，还有诸如圆锥形与圆柱形等三维阵列。在飞行器的应用中，为了充分利用表面积并保持良好的气动特性，天线阵可沿飞行器表面布设，于是有了共形(con fo r m al)阵列天线与智能蒙皮(s m a rt sk in)的概念。其设计与仿真工具更为先进。
限制阵列天线广泛应用的主要因素是成本与复杂性。近年来，在单片微波集成电路(MM I C)及其它微电子机械工艺发展的推动下，阵列天线的低成本与全固态化设计有了重大进展。这就使高性能的阵列
天线有可能在更多的通信领域取代无定向或宽波束天线，以换取更高的通信效率与抗干扰能力。运载火箭测控系统也可能成为其应用领域之一。
收稿日期:2000-04-13
在运载火箭测控系统设计中，为了保证在各种可能的飞行状态下通信链路的畅通，并使设备简单可靠，通常将箭载天线设计成宽波束或近乎全向性的低增益天线。随着数据率的增加与载波频率的提升，方向图形的破碎将使天线增益进一步下降。补偿箭载天线低增益的基本途径是提高发射功率并加大地面天线口径。由于箭载发射功率的的提高受到能源、体积、重量与电磁环境的严格限制，加大地面天线口径几乎成为解决高数据率传输的唯一办法。这是沿用了数十年的设计思想。如果能将某种定向高增益阵列天线用于箭上，测控系统的设计将有重大变化，甚至有可能通过T DRSS或通信卫星传送高速率火箭数据。
1 一般介绍
阵列天线的一般模型示于图1。天线阵列中的单元天线为辐射单元，按排列方式可构成一维线状阵列、二维平面阵列与三维阵列。共形阵列天线属于三维阵列。每个单元天线跟随一个发送/接收单元(T/R)与移相器，构成相控阵天线波束形成网络的主体。移相器可分为模拟与数字两种类型。数字移相器体积小、成本低。功率分配/合成装置可按任务需求进行配置并加以控制，形成多路输出或输入信号。
其具体构成视情况而定。图中所示沉砂池
的发送/接收单元(T/R)与单元天
线及移相器是一一对应的，在设计
上可集成化，构成有源单元天线。通
过控制移相器与T/R，即可达到改
变单元天线辐射场的相位与幅度。
实际上，一个T/R也可通过一个分
配网络与多个单元天线及移相器连
接。功率分配/合成装置具有两方面
的功能。在发送状态下，向各T/R
分配驱动功率；在接收状态下，将各T/R输出信号相加，形成接收信号，并产生反馈控制信息。若要
产生多波束或跟踪多目标，功率分配/合成装置可由多个分支构成。移相器、发送/接收单元(T/R)与功率分配/合成装置构成了阵列天线的波束形成网络。在许多应用场合，为了避免无源互调的影响而将收、发分开，形成两个天线阵。控制算法与指令形成由先进的数字信号处理器或计算机完成。执行的操作包括系统设定、目标实时跟踪、自适应控制、系统重构与容错等。控制信号可来自接收信号，构成反馈控制系统；也可来自系统外部，如导航系统，形成开环控制。不难看出，从严格的意义上说，阵列天线应称为阵列天线系统，而且是很复杂的系统。
要使如此复杂的系统能为更多的用户接受，必须降低成本并实现小型化与全固态化。这必然使集成化工艺技术的采用成为关键。经常讨论的与此相关的技术有：单片微波集成电路(M M I C)、砷化镓(G a A s)微波与毫米波集成电路、硅微机械工艺与多芯片组装(M CM)〔2〕、微带印制工艺、光电集成电路(O E I C)、厚膜铁电合成陶瓷(F erro elec tric Com po site C e ra m ic)移相器〔3〕、等离子体栅控(P las m a G rating)移相器、高速数字信号处理器和神经网络。
传达信息2 在同步卫星通信中的应用
在新一代地球同步通信卫星开发过程中，为了适应用户对于点播电视、移动通信以及访问
宽带/多媒体In te rnet网的要求，需要采用许多新技术。卫星已不再是一个只起转发作用的“弯管”，而是全球通信网中的一个节点，具有信息处理与交换的功能，能与天上的其它卫星建立通信链路。通过
采用能产生大量点波束的相控阵天线，可使卫星能支持多用户高效信息交换。
T echS at-2卫星采用一种轻重量及低功耗的相控阵天线，进行天地之间图像信息传送的试验。其参数如下。
工作频率: 11～12.2GH z
天线带宽:1GH z
E I RP:+60.5dBm(G=25.5dB,P=3W)
输入功率:+13dBm
波束宽度:8.35°×8.35°
有源单元数:156
扫描范围:45°(可扩展至60°)
可变波束数量:625(可扩展至961)
尺寸:190m m×190mm×60mm
重量:4kg
直流功耗:12W
极化：线极化
这是一部单波束天线，通过控制4b it数字移相器改变波束指向。高频部分由印刷电路与M M I C组装集成。控制部分由一个EPROM及A S I C电路组成。对应每个波束指向,EPROM 存放一组移相器控制参数,A S I C解释这些参数并控制移相器。卫星的中心计算机只要发送一个控制字给EPROM，便可控制天线波束。实际上，控制字就是波束指向的编号。NA SA Le w is 研究中心牵头，也在开发K a波段(30GH z)的系统。
在地面站使用阵列天线具有快速设置与变换波束的好处，且免除使用机械传动装置带来的麻烦〔4〕。S a tcom公司开发了一种K u波段相控阵天线卫星广播电视接收系统〔5〕，尺寸仅为306mm×417mm×22mm，相当于一台笔记本电脑，重2.3kg。售价为499.95。类似的相控阵天线也用于商用飞机的卫星电视直播接收系统及无人机图像数据传输(通过卫星)系统。
为了与澳大利亚的地球同步轨道移动卫星通信系统(M obilesat)相配，正在开发一种面向地面移动用户的L波段双圆环相控阵天线〔6〕。这是多层微带天线。为了降低成本，在移相器中，采用普通的二极管加LC补偿电路以取代P I N管。天线直径为46c m，厚4c m，重2.5kg。
3 在小卫星中的应用
近年来，小卫星的研究倍受人们关注。小卫星的价值主要体现在高效益及低成本上。能否有效地采集和传送大量信息，成为小卫星的一个关键。小卫星的通信链路通常分为对地通信链路、小卫星间的通信链路、以及通过跟踪与数据中继卫星系统(T DRSS)的链路。为了对地面移动用户提供类似地基蜂窝移动通信系统的通信服务，一些低轨卫星系统，如Ir i d ium、G lobestar 与T e ledesic，星上均有平面相控阵天线，产生按一定规则排列的波束指向地面。有些对地观测小卫星，需要向地面传送宽带观测数据。除了采用数据压缩与记忆重发技术以外，通过TDRSS链路实时传送宽带数据到地面具有重要价值。建立小卫星的T DRSS链路，需要有小型高频高增益定向天线的支持。而阵列天线的采用可以有效地解决这一问题。
据估计，近地轨道小卫星若采用标准的S波段系统通过TDRSS链路传送几兆比特/秒的数据，需要一台5W的发射机，天线增益约23dB，天线口径约为1m。如果使用机械式定位装置，除占用大量空间及质量外，机械运动将给卫星造成很大的力矩干扰，并耗费大量能源。解决这些问题的办法在于提高频率(K u,K a)，并采用阵列天线〔7〕〔8〕〔9〕。
NA SA的哥达德微波技术分部(G oddardM icrow ave T echno logy B ran c h)开发了一种K u 波段相控阵天线样机。开发的目的是评估用于下一代TDRSS链路的电控高增益天线的费用，并与传统的方法比
较。此外，参照样机，与各开发商讨论商用产品的低成本结构。该样机采用微带工艺，重10磅，功率1W，天线增益23dB。由于小卫星与中继星间的相对运动较慢，天线指向命令可通过用户飞行器指令及数据处理系统产生。NA SA同时也在开发K a波段(25～27 GH z)的近地小卫星用的相控阵天线，用于直接对地通信及通过下一代TDRSS进行通信。直接对地的通信速率可达600M b/s，通过TDRSS的通信速率可达10M b/s,E IRP为33dB W，尺寸为25.4c m×25.4c m×15.2c m，重量小于4.5kg。天线与卫星采用共形与刚性连接。
值得一提的是有关共形阵列天线的设计。共形阵列天线一方面可以降低对小卫星空间的占用，另一方面可扩大空间扫描范围。由于单元天线不是在同一平面上分布，单纯的相位控制难以产生理想的波束图形，因而要采用相位与幅度同时控制的方法。其设计与仿真技术相对复杂。欧空局(ESA)正在开发一种用于近地轨道卫星对地观测平台的共形阵列天线〔10〕，以提高天线增益并降低功耗。试验天线为环形半圆锥天线，当卫星绕中轴线旋转时，可控制天线波束指向不变。天线的参数如下。
频段: X波段(8.1～8.3GH z)
波束数量:3
结构外形：半圆锥形，底部直径37.7c m，高17.3c m。
单元天线数量:144单元,6单元为一子阵，共24子阵。
平面音响
天线重量:5.7kg
波束扫描范围：方位360°，高低0～62.3°
天线增益:>20dB i
扫描时图形跳动：幅度0.15dB，相位2.67°
发射功率:1.23dB W。
4 运载火箭上应用阵列天线的可行性
运载火箭上应用阵列天线的技术虽未见公开报道，但在美国国防部公布的军事关键技术清单(T he M ilita ry C ritica l T echno log ies L ist)中，已将高频段阵列天线列为军事信息传输的关键技术之一。在运载火箭上应用固态化的可控定向阵列天线可以带来以下好处:①天线的高增益使得箭上高速率遥测数据通过数据中继卫星或通信卫星传送到地面成为可能，减少对地面(包括海上)测控台网的依赖;②天线增益的提高可降低发射功率，从而减少能源消耗，改善箭上电磁环境;③利用多波束形成功能，使不同波束指向不同的台站或目标;④窄波束有利于抗多径干扰;⑤通过自适应波束形成技术，可有效抑制外部干扰信号，这对于诸如卫星导航信号的可靠接收有重要作用;⑥阵列天线具有一定冗余特性，只要设计得当，个别单元的损坏不会造成整个系统失效，从而增强了系统的可靠性。
连锁系统
不言而喻，要在运载火箭上采用阵列天线仍有许多技术需要大力开发。尽管前面提到的用
于卫星的阵列天线技术在许多方面可用于火箭，特别是小型化与固态集成技术，但两者仍有一些差异。卫星上常使用可展开式平面相控阵天线，火箭上可能以共形阵列为主。共形阵列天线的设计、仿真、制造与测试技术均较平面阵列复杂。此外，在复杂动态条件下，天线方向图的控制技术对火箭而言尤其重要。有一些技术途径可能解决这个问题，如利用惯性导航信息与卫星导航信息、预置程序等，但要达到可靠和便于使用的目的，尚需深入研究。相对箭上应用而言，地面测控通信站应用阵列天线的前景要好些，特别是小型可移动地面站。笔者相信，随着阵列天线与固态存储器的应用，某种形式的全固态地面测控通信站不久就会面市。
5 结束语
在航天数据系统中，通信效率与可靠性几乎是永恒的话题。人们通过采用各种信道编码、数据压缩、调制解调以及多路多址复用等技术，极力提高信道功率、频谱以及时空的利用率。本文介绍的阵列天线技术是参与这一努力的新军。随着微波集成电路与低成本设计技术的进展，阵列天线在航天数据系统中的应用将愈来愈多。阵列天线用于运载火箭有可能使通过数据中继卫星传送数据成为现实。
参 考 文 献
1 h ttp://ww w.w ebpro fo rum/s m ar t.pica l.h t m l
2 h ttp://ww ne t/arow ash
3 h ttp://ww w2.br trc/s to s/98iv job.h t m
4 h ttp:// t
5 h ttp://ww w.sa tcom w eb
6 B ia l kow sk i M E and K a rm aka r N C.A T w o-R i ng C ircula r P hased-A r ray A ntenna fo r M ob il e S a te llite C omm unica ti o ns.IEEE A ntenna and P ropag ation M ag a zi ne.1999,41(3) 7 h ttp://ww w530.g sfc.na sa.g o v/tdrss/kaband.h t m
8 h ttp://ww w.m sb.g sfc.nasa.g ov/te chno log y/kuband.h t m
9 h ttp://j a zz m a m.g sfc.nasa.g ov/te chno log y/feasibility.pdf
银钟花
10 h ttp://e sapub.esr i n.esa.it/pff/pffv8n2/po lev8n2.h t m
Array Antenna Syste m s for Space Infor mation Trans m ission
L i B ang fu
Abstract T his pape r rev i ew s the applica tions o f a r ray an tennas fo r space info r m a ti o n trans m issi o n, espe cia lly fo r m ob ile-sa te llite s comm un i ca ti o n and s m a ll sate llites,po in ts ou t the i m po r tance o f i n teg r ation and l ow co st des i g n,d iscusses the feasibility using con fo rm a l ar ray an tenna fo r ro cke t data trans m ission th rough T DR SS
Subj ect term s A r ray an tenna Co nfo r m a l ar ray Space data sy s tem R o ck et T D RSS
[作者简介]
李邦复 研究员 中国运载火箭技术研究院科技委常委 中国自动化学会遥测遥感遥控专业委员会委员 长期从事航天测控和通信系统研究
