+ 志英編譯

一、發(fā)揮點(diǎn)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(diǎn)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(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)波束可以實現(xiàn)大容量頻率復(fù)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(zhǔn)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(diǎn)波束和更高的增益，可以支持高級頻率復(fù)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(shè)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(yīng)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(diǎn)波束，從而可以用多個點(diǎn)波束來覆蓋更小型的賦形反射天線點(diǎn)波束進(jìn)而覆蓋的相同區(qū)域，用多個點(diǎn)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(jìn)行Ka頻段操作時，要求表面精度能夠達(dá)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(jìn)行構(gòu)建時，結(jié)合使用表面形狀控制點(diǎn)后不僅能夠提高精度，而且可以通過仔細(xì)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(jìn)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(diǎn)波束系統(tǒng)指向問題的理想方式。它設(shè)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(diǎn)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(jī)制獨(dú)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(shè)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(dá)到最低運(yùn)行損耗的網(wǎng)狀材料，即將投入應(yīng)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(shè)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(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(hù)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(jìn)行更小的點(diǎn)波束覆蓋，其性能優(yōu)于2.6～2.7米標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)波束大容量系統(tǒng)進(jìn)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(diǎn)波束，從而實現(xiàn)頻率復(fù)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。