【华西军工】卫星相控阵天线应用空间打开
以下内容转自华西证券军工研报，仅供参考。
1. 相控阵天线：多波束、高速度、低成本
1.1. 相控阵天线是什么
相控阵天线指的是，通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位，来改变方向图形状的天线。控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。传统雷达依靠360度旋转来扫描目标，而相控阵雷达与它的区别是，绝大多数相控阵雷达都是不动的，相控阵雷达的天线由无数个小单元天线组成，这些小单元天线叫做“阵元”，对于有源相控阵雷达来说，每一个阵元都是独立控制的，它们既能独立发射雷达波，也能接收雷达波的回波信号。
与传统天线比，相控阵天线具备扫描速度高的最大优势。用机械方法旋转天线惯性大、速度慢，相控阵天线则克服了这一缺点，波束的扫描速度很高。它的馈电相位一般用电子计算机控制，相位变化速度很快（毫秒量级），天线方向图最大值指向或其他参数的变化迅速。这是相控阵天线的最大优势。
相控阵天线可以分为无源相控阵天线和有源相控阵天线。无源相控阵天线所有的阵元共用一个发射 / 接收（Transmit/Receive，T/R）单元，结构和功能简单。无源相控阵天线表面的阵元只有改变信号相位的能力而没有发射信号的能力，信号的产生需要依靠天线后方的信号产生器，然后利用波导管将产生的信号送到放大器上，再传送到阵列单元上面，接收时则反向而行。
有源相控阵每个天线阵元都有独立的T/R组件，且采用微波集成的方法，可实现设备小型化。有源相控阵的每个天线阵元都有一个独立的T/R组件，每个T/R组件都包含一个移相器和放大器，通过调整从每个天线阵元发射信号的相位和幅度来形成波束，可以同时在多个频率上以不同方向形成多个波束，整个过程都是电子控制完成。相较于无源相控阵天线，有源相控阵天线的优点是使用微波集成的方法，将移相器、滤波器、衰减器、功放和低噪放等集成在芯片中，实现了设备的小型化、轻型化，波束指向精度较高且具备一定的波束旁瓣抑制能力。
相控阵天线系统的主要组成部分包括: 天线单元及阵面、T/R组件、波束形成网络、电源、波控以及结构与热控组件，如图3所示。其中，天线单元的作用是实现射频信号与空间电磁波之间的相互转换，其工作带宽和辐射效率等特性对整个相控阵系统的设计至关重要，因此必须根据系统要求选择合适的天线单元形式。波束形成网络则是用来实现波束扫描时相控阵天线各单元所需的幅度和相位分布，其实现方式直接影响着整个相控阵天线的系统架构。T/R组件是有源相控阵雷达的关键部分，T/R组件的性能会对整个雷达系统的性能有直接和关键性的影响，如雷达发射信号的波束形成、测向精度及系统稳定性等。
1.2.相控阵天线的原理与优势
原理上，相控阵天线主要是通过控制每个天线单元的相位差，调整波束的指向角度，从而实现对目标的准确定位、追踪和扫描。相控阵天线通常由大量天线单元组成，这些单元以规则的二维阵列排列。每个天线单元可以独立地调整发射或接收信号的相位。通过适当地控制每个天线单元的相位差，可以使得天线系统在特定方向上形成一个集束，即波束。通过调节相位差，波束的指向角度可以改变，从而实现对目标的准确定向、追踪或扫描。
相控阵天线优势包括：（1）多波束成形和快速扫描，相控阵天线可以在一个重复周期内通过转换波束形成多个指向不同的发射波束和接收波束，这些波束可相互独立，且具有快速扫描捷变能力；（2）波束赋形，通过调整相控阵阵列中各单元通道内信号幅度与相位，可改变天线方向图函数或天线波束形状；（3）抗干扰能力强，相控阵天线可集中多个辐射单元的功率形成大功率模式，也可以通过自适应控制能量和主瓣增益向不同方向发射所需能量，从而提高其抗干扰能力；（4）高可靠性，相控阵雷达因为省去了整个天线的机械驱动系统，所以它的可靠性非常高，平均无故障时间远远高于传统雷达。另外，相控阵雷达的思想类似于互联网，某些节点坏了不影响整体功能的使用，数百个或上千个阵元中，就算有百分之十的阵元损坏，相控阵雷达依然可以使用。
2. 空间段和用户终端均需配置，相控阵天线作用关键
相控阵天线是卫星通信系统的核心部件，也是促进卫星组网发展的关键技术之一。相控阵天线在卫星通信系统空间段和用户终端都有应用，包括星间数据链通信、北斗卫星导航系统、地面“动中通”通信系统、无人机通信控制系统、地面导航等平台。在空间段主要是利用相控阵天线的同时多点波束、敏捷波束和空域滤波能力，在用户终端则是看中其低轮廓、灵活波束形成处理、空域自适应调零滤波以及潜在的低成本等特点。
2.1.空间段：卫星数据链核心部件，实现目标跟踪功能
相控阵天线可以实现对目标卫星的追踪，在低轨卫星上具有很强的适配度。相控阵天线可以改变主瓣指向，实现卫星跟踪。对低轨卫星通讯来说，由于卫星出现在视野中只有约十分钟的时间，并且一直保持运动，且运动范围是海平面以上所有角度，所以，需要一套特殊的跟踪技术才可以使得地面站天线一直保持对准，或者瞄准目标
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