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释放潜能：电子转向天线指南

Eran Agmon, Pacific Grove Consulting

近年来，卫星通信（satcom）发展迅速。进入太空的成本不断降低，导致出现了新的卫星星座，特别是非对地静止系统，旨在为全球提供高速数据连接。随着地球静止轨道（GEO）卫星和计划中的低轨道（LEO）卫星群覆盖范围的扩大和数据传输速率的不断提高，飞行中的连接正变得越来越普遍。由于卫星的指向矢量不再固定不变，这种转变要求卫星终端设备必须进行根本性的改变。跟踪天线是实现这些进步的关键技术，可确保在卫星和终端相对运动时与卫星保持连续的视线。

对某些人来说，天线历来是通信系统中最不为人所知的部分。微波能量辐射到自由空间并形成特定辐射方向图的过程似乎是终极"黑魔法"。本文旨在为那些负责将这些先进天线集成到其卫星通信解决方案中的人员揭开电子转向天线（ESA）操作的神秘面纱。考虑到天线技术所面临的挑战，本文简单而全面地解释了ESA的工作原理，同时深入探讨了其固有特性。文章还强调了在设计采用这些天线的卫星通信解决方案时需要考虑的关键因素。

什么是ESA？

简单地说，ESA是一种无需移动物理部件就能在方位角和仰角平面上以电子方式改变波束方向图的天线。虽然ESA已经存在了几十年，但其高昂的成本使其最适用于国防应用。然而，随着低成本射频集成电路技术的出现，再加上先进的模拟能力，ESA的成本得以降低，其用途也扩展到商业应用。

为什么要使用ESA？

多年来，天线波束转向一直是一种机械过程。2003年，波音公司的首个商业卫星飞行中连接系统Connexion使用了机械转向跟踪天线。¹与机械转向天线相比，ESA技术除了通过消除活动部件来提高可靠性外，还具有一些基本优势。能够独立跟踪多颗卫星以及在不到一毫秒的时间内实现卫星之间的切换只是其中的两个优势。机械转向天线不可能具备这些特性和其他一些特性，而这些特性对于释放较新低轨道星座的全部潜力至关重要。

ESA的基本原理

本节解释天线和相控阵的工作原理。这种理解对ESA的功能、能力和局限性至关重要。

天线阵列和相控阵

图1：线阵列的辐射方向图。²

图2：利用时延进行电子波束转向

图3：具有时间延迟的转向辐射方向图。³

天线阵列由若干个辐射阵元组成，按照一定的配置排列，以形成所需的辐射方向图。相控阵是一种天线阵列，可通过改变馈送给阵列中每个阵元的信号的相位，以电子方式调整其辐射方向图。在一个简单的天线阵中，两个完全相同的各向同性辐射阵元相距半波长，馈电功率和相位完全相同。这两个阵元的辐射功率将是每个阵元在垂直于阵元平面（称为"孔径"）方向上的功率之和，而在平行于平面方向上的功率为零。这两个阵元产生的波束比单个各向同性辐射器产生的波束窄。

在阵列中增加更多的阵元，阵列的等效孔径就会增大，在垂直于阵元行列的平面上，波束就会变窄。用天线术语来说，天线的增益增加了，或者更准确地说，指向性增加了。图1显示了线阵列的辐射方向图。沿着辐射方向图中心线的深色区域是主瓣，浅色区域是旁瓣。

这种方向图是这些阵元之间的建设性和破坏性干扰的结果。这种简单阵列的辐射方向图是单个阵元的辐射方向图与阵列因子的乘积。阵列因子描述了以一定配置和间距放置多个辐射阵元的效果。

电子波束转向

图2显示了为阵列中每个阵元的输入添加时间延迟对波形的影响。时间延迟与每个阵元发射的波阵面的时间差相匹配。施加的延迟会使四个信号在特定的空间方向上相位结合，而这个空间方向与时间延迟的大小有关。图3显示了图1所示阵列的转向辐射方向图。

在相控阵天线的许多实际应用中，时间延迟是通过移相器实现的。然而，时间延迟和相移并不等同。本文稍后将讨论这种差异，以及它对波束斜视的影响。为简单起见，本文的分析假定使用的是一维（1D）阵列。用于卫星通信的ESA是二维（2D）阵列，可形成类似铅笔的方向图。接下来的章节将讨论二维ESA阵列的一些特点和挑战。

波束整形、赋形和旁瓣电平控制

控制每个阵元的信号相位可以引导空间辐射方向图。如果向所有阵元馈送相同的功率电平，就会产生均匀的孔径辐射。均匀辐射可产生最大的孔径效率，然而，向不同阵元馈送不同的功率电平可以降低旁瓣电平，并在干扰方向产生归零效果。例如，根据实施的具体情况，可以动态地减少干扰。

相控阵的一个有用特性是，它们可用于同时创建和转向多个波束，且彼此独立。可以将一组复杂的振幅和相位加权函数馈送到阵列的每个阵元，以形成辐射方向图，并将其引导到所需的空间位置。由于阵列阵元是线性器件，因此可根据叠加原理，将不同的复合权重同时应用于阵列，以产生多个波束。

虽然相控阵天线可以在卫星之间快速切换指向，但这种能力是以降低卫星占空比为代价的，也就是降低了容量。多个同步波束可同时与多个卫星通信。不过，这种功能会导致天线实施更加复杂。

扫描角度对天线性能的影响

由于相控阵天线无需实际移动阵列即可转向波束，因此天线与卫星之间的视线通常与阵列平面不在同一直线上。这意味着天线的有效面积减小，因为只有全部面积的投影暴露在卫星上。这会产生扫描损耗，降低天线的整体增益。这是相控阵天线与其他天线设计的根本区别。

这一损耗约为10log(cos(θ))，θ是阵列平面法线与卫星视线之间的夹角。例如，θ=60度时，扫描损耗为3dB。根据阵列的具体设计，扫描损耗往往略高于10log（cos(θ)），尤其是在θ值较高时。

时间延迟与相移

如图2所示，天线波束的转向取决于阵元之间的波前延迟。这种延迟通常通过移相器来实现。然而，移相器会产生与频率相关的时间延迟，因此这种方法最适用于窄带频率。较新的卫星通信系统使用宽带波形，这意味着固定相移的时间延迟并不恒定。因此，波束会随着频率的变化而改变方向。这种波束指向矢量随频率的变化称为波束斜视。波束斜视也是扫描角度θ的函数，θ值越大，斜视越明显。

栅瓣

图4：32阵元线性阵列的归一化阵列因子。¹

栅瓣的概念来自相控阵天线的数学描述，不在本文讨论范围之内。不过，一个例子有助于理解这一概念。图4显示了阵元间距为0.5λ和0.7λ的32阵元阵列的阵列因子。阵元间距为0.7λ时，主瓣更窄，旁瓣更紧凑。这种改进来自于更大的孔径面积，相同数量的阵元之间有更大的间距。不过，这种配置也会在-70度处产生另一个全增益波束。这是一个栅瓣，该波束可能会向不希望的方向发射功率或从不希望的方向接收功率。这将干扰其他卫星或终端，并可能接收到不良信号和噪声。不过，这种现象并不一定意味着阵元间距必须始终保持在半波长以下。

基于ESA的卫星通信解决方案

在将ESA集成到卫星通信解决方案中时，有几个重要的设计考虑因素。本节和本文主要介绍有源平面阵列，这种阵列因其设计灵活、外形小巧和效益高而广受欢迎。用于双向卫星通信的有源平面阵列通常具有两个独立的孔径，一个用于接收，一个用于发射。双孔径配置大大简化了天线的设计。

图5：(a)平板阵列天线贴片和(b)天线印刷电路板背面的平板阵列集成电路。⁵

每个平面阵列孔径都由单元组（unit cell）构成，每个单元组都包含几个辐射阵元和一个射频集成电路。单元组在两个维度上平铺，以形成所需的孔径区域。这种结构很容易在单个印刷电路板（PCB）上实现，因此是一种非常紧凑的小尺寸天线。在这种设计中，印刷辐射阵元位于印刷电路板的顶部（如图5a所示），射频集成电路位于背面（如图5b所示）。每个接收天线阵元由一个低噪声放大器供电，每个发射阵元由一个功率放大器（PA）驱动。这种天线结构与传统的卫星通信天线设计不同，有几个方面需要仔细评估。

与传统碟形天线不同，ESA没有标准尺寸。基于ESA的终端通常是根据应用定制的，孔径大小是主要的定制特征。独立的接收和发射孔径提供了一定的自由度，使卫星链路设计人员能够根据每个方向的链路性能优化孔径大小。由于孔径由多个单元组构成，因此孔径大小直接影响到成本、功耗和散热。

如前所述，有效孔径面积会随着扫描角度的增大而减小。在链路预算设计中应考虑到这种基于卫星仰视角的扫描损耗。例如，在纬度介于40度和50度之间的大西洋上，从商用飞机上的天线到地球同步轨道卫星的仰角介于40度和30度之间。这是一个简化的结果，因为卫星的轨道位置也会影响仰角。不过，结果是从内视50度到60度的扫描角度。60度扫描角的扫描损耗为3dB，这对接收和发射孔径都很重要。分析表明，最小天线性能应在最大预期扫描角度时确定。

接收孔径的大小取决于满足下行链路性能要求所需的天线增益与噪声温度比（G/T）。该比率与孔径面积成正比。发射孔径大小的确定则更为复杂。在传统的终端设计中，有效全向辐射功率（EIRP）由两个独立的量决定：天线增益和HPA功率。在ESA中，这两个量都是孔径大小的函数。天线增益与孔径面积成正比。发射功率是每个辐射阵元贡献的所有功率之和，天线增益和发射功率随着孔径面积的增大而增加。

天线增益与10log(N)成正比，其中N是阵元数。接收孔径阵元数乘以2，G/T增加3dB/°K。发射孔径阵元数乘以2，EIRP增加6dB，增益和功率均增加一倍。

ESA的孔径大小必须满足多项要求，包括链路预算和邻近卫星干扰要求。天线方向图必须足够窄，以满足干扰性能要求。如果必须将孔径增大到超出链路预算的要求，则可以考虑功率节流。

由于ESA包含两个孔径，因此占用空间较大。根据实现技术的不同，这可能会导致外形更小。图5a和图5b所示的机械配置给散热带来了挑战，因为这些射频集成电路安装在天线印刷电路板的底面，而底面并不是散热的最佳位置。必须考虑适当的冷却方法，以消除该区域的热量。在某些应用中，如飞机机身安装的天线，如果没有飞行时气流提供的冷却，天线在停机坪上的工作时间可能会受到限制。

在某种程度上，任何ESA都是通过复制预先设计的天线单元来定制的，以创建所需的孔径尺寸。机械设计、射频信道增益、频率转换和与调制解调器的中频接口也可根据具体应用进行调整。不过，将用户终端作为集成卫星通信系统的一部分来设计，可以通过适应卫星星座和空中接口的特性来优化和简化终端的ESA。

在这一点上，天线结构假定有一个独立的接收和发射孔径。Starlink终端天线是这一结构的一个显著例外。这种结构具有单一的发射和接收孔径。Starlink系统是一个专有的封闭系统，没有多少公开信息。现有信息表明，Starlink的空中接口是半双工的，无需在接收和发射信号路径之间进行隔离。这就简化了单元组设计，使同一阵列阵元可用于非同时接收和发射。

该终端的另一个特点是，在安装过程中，天线面板会以一定的仰角向天空机械倾斜。这表明天线不需要很大的扫描角度。每个轨道平面上卫星之间的角度间隔约为20度，轨道之间的角度间隔仅为5度，这些都证明了这一点。这些小的角度间隔允许有限的扫描范围，这意味着较低的扫描损耗。也意味着扫描时天线性能几乎不会降低。这也使得阵元间距大于半波长，这意味着需要更少的单元组来达到所需的增益，没有栅瓣，降低了功耗和成本。

在先前的分析中，产生多个独立波束的能力被认为是ESA的优势。在为多波束应用实施ESA时，与天线供应商的密切合作变得非常重要。这种合作对于双方了解具体的天线架构和多波束实施都是必要的。多波束操作的细节很容易影响天线的成本和功耗。

采用波束赋形技术创建多个波束，可同时与多个卫星通信。有效的波束赋形可形成多个波束，每个波束充分利用整个天线孔径，从而使所有波束的天线增益保持一致。这有别于只利用阵列的一部分来形成多个波束，后者会导致每个波束的增益降低。

对于使用包含功率放大器的单元组的多波束发射天线，每个信号的EIRP也同样会降低。EIRP的计算公式如公式1所示：

其中所有数值均以dB和dBm为单位。

虽然多波束操作的天线增益保持不变，但功率放大器的输出是有限的，而且会在两个或更多信号之间分裂（假设使用单个功率放大器）。此外，如果功率放大器的工作点必须进一步后退以满足频谱再生要求，那么EIRP的减少可能会超过10log（波束数）。

结论

相控阵天线和射频集成电路设计方面的最新进展使商业应用中的ESA技术更加经济实惠。ESA能够以电子方式引导波束，为移动平台提供连接，从而彻底改变卫星通信。本文介绍了ESA的基本原理，解释了相控阵天线和波束赋形的原理，以及平面相控阵与传统天线设计相比的优势。ESA可同时跟踪多颗卫星，促进了该行业的发展。这些发展使更多的商业和国防空间应用成为可能，但正如本文所述，在设计和实施基于ESA的卫星通信解决方案时，仍存在一些挑战。

参考资料

1. “Connexion by Boeing,” Wikipedia, Web: https://en.wikipedia.org/wiki/Connexion_by_Boeing.
2. “Phased array,” Wikipedia, Web: https://en.wikipedia.org/wiki/Phased_array.
3. P. Delos, B. Broughton and J. Kraft, “Phased Array Antenna Patterns—Part 2: Grating Lobes and Beam Squint,” ADI Analog Dialogue, Vol. 54, June 2020, Web: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/phased-array-antenna-patterns-part2.html.
4. “Phased array beamforming ICs simplify antenna design,” eeNews Wireless, Web: https://www.eenewseurope.com/en/phased-array-beamforming-ics-simplify-antenna-design/.