閻魯濱

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

衛(wèi)星天線(xiàn)用于對(duì)特定的目標(biāo)或地域，發(fā)射或接收載有各種信息的信號(hào)，當(dāng)需要衛(wèi)星交換信息的目標(biāo)是可變的時(shí)候，往往要求天線(xiàn)的波束也做相應(yīng)的變化。對(duì)于某些衛(wèi)星系統(tǒng)，為避免采用可變波束天線(xiàn)的困難，往往采用寬波束的弱方向性天線(xiàn)或者簡(jiǎn)單的賦形波束天線(xiàn)來(lái)覆蓋整個(gè)變化的區(qū)域，如我國(guó)中低軌道衛(wèi)星天線(xiàn)所采用的形式。這類(lèi)天線(xiàn)由于增益較低，只能實(shí)現(xiàn)較低的數(shù)據(jù)傳輸率。

隨著應(yīng)用的發(fā)展及技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸容量的要求越來(lái)越大，原來(lái)采用的低增益天線(xiàn)已無(wú)法滿(mǎn)足應(yīng)用的要求。采用機(jī)械掃描天線(xiàn)是克服上述困難的途徑之一，但機(jī)械掃描天線(xiàn)只能實(shí)現(xiàn)單波束的移動(dòng)，不能改變波束的形狀及實(shí)現(xiàn)多移動(dòng)波束模式，機(jī)械可移動(dòng)裝置的采用又往往可能導(dǎo)致可靠性下降、重量增加等新問(wèn)題。

采用相控陣天線(xiàn)是克服上述困難的最佳途徑之一。相控陣天線(xiàn)采用現(xiàn)代微波集成技術(shù)，可以應(yīng)用同一個(gè)輻射陣面，在有限的衛(wèi)星平臺(tái)空間條件下，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制的多個(gè)點(diǎn)波束，滿(mǎn)足未來(lái)通信的需求。相控陣天線(xiàn)還可以實(shí)現(xiàn)波束間通信容量的調(diào)整，可以根據(jù)需要改變波束形狀，使用自適應(yīng)調(diào)零的抗干擾技術(shù)，已在國(guó)外星上設(shè)備中廣泛采用，具有廣闊的發(fā)展前景。

在本世紀(jì)初，星載Ka頻段相控陣天線(xiàn)技術(shù)在國(guó)際上各大宇航公司尚處于在研階段，而近年來(lái)，日本的寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)“寬帶聯(lián)網(wǎng)工程與驗(yàn)證衛(wèi)星”（WINDS），美國(guó)的寬帶衛(wèi)星“太空之路”（Spaceway）、“寬帶全球衛(wèi)星通信”衛(wèi)星（WGS）和“先進(jìn)極高頻”（AEHF）軍事通信衛(wèi)星等已相繼發(fā)射，均采用了大規(guī)模相控陣天線(xiàn)技術(shù)。在此期間，國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了大型星載相控陣天線(xiàn)預(yù)研及研制工作。這些情況預(yù)示著今后星載相控陣天線(xiàn)技術(shù)將有一個(gè)跨越式的快速發(fā)展。

2 國(guó)際星載相控陣天線(xiàn)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前國(guó)際上星載相控陣天線(xiàn)按照波束功能的不同，可以劃分為區(qū)域覆蓋相控陣天線(xiàn)、寬角掃描區(qū)域相控陣天線(xiàn)和有限區(qū)域掃描相控陣。

1）區(qū)域覆蓋相控陣天線(xiàn)

區(qū)域覆蓋相控陣天線(xiàn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)輻射陣饋相，在覆蓋區(qū)形成若干相對(duì)固定的波束，波束相對(duì)于輻射陣一般不掃描，但可進(jìn)行校正及微調(diào)。最典型的應(yīng)用為“銥星”（Iridium）系統(tǒng)［1］及“全球星”（Globalstar）系統(tǒng)［2］。

“銥星”系統(tǒng)主任務(wù)天線(xiàn)是發(fā)展較早而至今仍然成功運(yùn)用的相控陣天線(xiàn)系統(tǒng)，它服務(wù)于低軌通信衛(wèi)星星座系統(tǒng)。該星座由66顆衛(wèi)星組成，每顆星天線(xiàn)由三塊平板陣天線(xiàn)組成，每塊平板陣產(chǎn)生16個(gè)波束覆蓋的角域（見(jiàn)圖1）。三塊平板共產(chǎn)生48個(gè)波束覆蓋±45°的角域。每個(gè)輻射單元后接發(fā)射模塊或接收模塊。收發(fā)共用。波束形成網(wǎng)絡(luò)由8 個(gè)16×16的Butler矩陣連接10個(gè)8×8的Butler矩陣及功率分配網(wǎng)絡(luò)形成。“銥星”及相控陣天線(xiàn)的布局如圖1所示。

“全球星”相控陣天線(xiàn)由一個(gè)發(fā)射陣及一個(gè)接收陣布局于星上同一個(gè)向地面上，如圖2（a）所示。S頻段發(fā)射陣由91 個(gè)單元組成，L 頻段接收陣由61個(gè)單元組成。排成六角型，單元間距0．6 個(gè)波長(zhǎng)。單元后為發(fā)射模塊或接收模塊。發(fā)射波束形成網(wǎng)絡(luò)由16層1∶91的功率分配網(wǎng)絡(luò)組成，每層的輸入口輸入一個(gè)波束信號(hào)，91輸出端各接1 個(gè)移相段，共1 456個(gè)移相段。每16個(gè)移相段（每層一個(gè)）通過(guò)功率合成網(wǎng)絡(luò)連接一個(gè)功率放大器及輻射單元，共有91個(gè)合成網(wǎng)絡(luò)，連接到91 個(gè)單元上。通過(guò)以上網(wǎng)絡(luò)，形成16個(gè)發(fā)射波束，其覆蓋圖如圖2（b）所示；形成16個(gè)接收波束，其波束覆蓋圖如圖2（c）所示。

圖1 “銥星”相控陣天線(xiàn)布局圖Fig．1 Iridium phased array outline

圖2 Globalstar相控陣天線(xiàn)布局圖及波束覆蓋圖Fig．2 Globalstar phased array outline and beam cover contour

區(qū)域覆蓋相控陣天線(xiàn)的特點(diǎn)是，波束指向基本保持固定，控制移相器主要用于陣列的幅相校正及波束的微調(diào)。為了產(chǎn)生多個(gè)波束實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)區(qū)的無(wú)縫覆蓋，需要采用復(fù)雜的功率分配網(wǎng)絡(luò)。

2）寬角掃描區(qū)域相控陣天線(xiàn)

為了提高低軌衛(wèi)星的傳輸數(shù)率，近年來(lái)已開(kāi)始采用大角域掃描天線(xiàn)取代簡(jiǎn)單的賦形波束天線(xiàn)。美國(guó)資源衛(wèi)星采用的X 頻段相控陣天線(xiàn)，可以?huà)呙琛?0°的角域。星載相控陣天線(xiàn)的頻段正在向高端發(fā)展，特別是采用Ka頻段的相控陣天線(xiàn)。如美國(guó)SATCOM 公司采用了20／44GHz頻段，形成單波束寬角掃描的相控陣天線(xiàn)。美國(guó)Harris公司為“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”（TDRS）系統(tǒng)的用戶(hù)星研制了Ka頻段的單波束相控陣天線(xiàn)，采用了240個(gè)有源單元，可以?huà)呙琛?0°的空域。大角域掃描相控陣天線(xiàn)的特點(diǎn)是，為了實(shí)現(xiàn)大角域掃描采用較小的單元間距，整個(gè)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)較高的集成度。

3）有限區(qū)域掃描相控陣

對(duì)于地球靜止軌道衛(wèi)星以及某些特殊的應(yīng)用，對(duì)天線(xiàn)掃描區(qū)域的要求是有限的，可以利用這一特點(diǎn)，加大天線(xiàn)單元的間隔及增益，從而簡(jiǎn)化天線(xiàn)的規(guī)模，提高天線(xiàn)的性能，并降低天線(xiàn)的成本。

第一代“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”相控陣天線(xiàn)采用螺旋單元天線(xiàn)陣，如圖3所示，天線(xiàn)收發(fā)共用，接收采用地面數(shù)字多波束形成，發(fā)射一個(gè)點(diǎn)波束，可進(jìn)行時(shí)分的多點(diǎn)掃描。接收20個(gè)點(diǎn)波束，掃描視場(chǎng)±13．5°。前向數(shù)據(jù)率10kbit／s，返向數(shù)據(jù)率50kbit／s。

圖3 “跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”及相控陣天線(xiàn)布局圖Fig．3 TDRS satellite and phased array outline

美國(guó)第二代“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”的多波束相控陣天線(xiàn)天線(xiàn)陣元為微帶貼片子陣，收發(fā)陣分開(kāi)，波束由地面形成改為星上形成，采用模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)多波束。天線(xiàn)接收鏈路單元數(shù)為32個(gè)，波束為6個(gè)，使得返向數(shù)傳速率提高到3Mbit／s。天線(xiàn)發(fā)射采用15個(gè)陣元，前向波束為2個(gè)，傳輸速率為300kbit／s。

美國(guó)休斯公司2007 年發(fā)射了寬帶衛(wèi)星Spaceway，星上采用大規(guī)模Ka頻段發(fā)射相控陣天線(xiàn)，采用1 500 單元，2m 直徑，利用移相器控制波束快速跳動(dòng)，形成多跳波束；接收天線(xiàn)采用多波束反射面天線(xiàn)。該衛(wèi)星太陽(yáng)能電池陣可提供13kW 的功率。

日本的WINDS［3］衛(wèi)星于2008年2月23日發(fā)射，星上安裝了用于大容量、高速通信的Ka頻段有源相控陣天線(xiàn)，如圖4所示，實(shí)現(xiàn)2個(gè)獨(dú)立可控移動(dòng)點(diǎn)波束，每個(gè)波束可跳變8 個(gè)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)時(shí)分多址（TDMA）的通信模式。發(fā)射天線(xiàn)、接收天線(xiàn)各包含128個(gè)天線(xiàn)單元（2波束），天線(xiàn)的輻射單元為角錐喇叭天線(xiàn)形式，其排列考慮到了對(duì)地掃描的需求，確保天線(xiàn)波束柵瓣在地球之外，采用三角形網(wǎng)絡(luò)，單元間距2．7波長(zhǎng)。為了得到最大增益，采取等幅饋電。

圖4 日本W(wǎng)INDS衛(wèi)星相控陣天線(xiàn)Fig．4 WINDS satellite phased array

美國(guó)于2010年8月發(fā)射了AEHF衛(wèi)星，AEHF衛(wèi)星有兩個(gè)發(fā)射相控陣，采用271個(gè)單元，單元間距2．4波長(zhǎng)，工作在Ka頻段。采用跳波束相控陣天線(xiàn)獨(dú)有的“超敏捷”服務(wù)，可以為指揮部和160個(gè)實(shí)時(shí)移動(dòng)的孤立用戶(hù)之間提供即時(shí)通信覆蓋。接收相控陣一個(gè)，采用了先進(jìn)的自適應(yīng)抗干擾技術(shù)。

3 國(guó)內(nèi)星載相控陣天線(xiàn)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)已有星載S頻段相控陣天線(xiàn)的成功先例。采用螺旋單元的相控陣天線(xiàn)作為搭載在“神舟”飛船上進(jìn)行了飛行試驗(yàn)。星載SAR 天線(xiàn)可以看為具有一定掃描能力的有限掃描相控陣天線(xiàn)，S頻段微帶平面SAR 天線(xiàn)已經(jīng)得到了在軌應(yīng)用，天線(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)一維小角度電掃描。X 頻段SAR 正在研制中，天線(xiàn)采用波導(dǎo)縫隙陣列天線(xiàn)，具有一定的電掃描能力。

近年來(lái)，已經(jīng)進(jìn)行了星載Ka頻段有源相控陣天線(xiàn)子陣的研制；已經(jīng)研制了機(jī)電熱一體化的相控陣部分陣樣機(jī)，并進(jìn)行了電性測(cè)試及熱試驗(yàn)，為星載相控陣天線(xiàn)的工程化提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為了適應(yīng)星座各種高度軌道間星間鏈路的需要，我國(guó)也開(kāi)展了大掃描角星間鏈路相控陣天線(xiàn)的研制。

4 星載相控陣天線(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)相控陣的性能具有重要的影響［4-5］。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要根據(jù)衛(wèi)星對(duì)天線(xiàn)的功能及指標(biāo)要求確定相控陣天線(xiàn)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。主要包括：

（1）根據(jù)掃描范圍的要求，確定單元間距。為了將柵瓣推出掃描區(qū)之外，對(duì)大掃描角天線(xiàn)選用小的單元間距，如通常對(duì)可掃描±60°角相控陣天線(xiàn)選擇約半個(gè)波長(zhǎng)的單元間距，對(duì)位于地球同步軌道對(duì)地掃描±8°的相控陣天線(xiàn)選擇2～3個(gè)波長(zhǎng)的單元間距。

（2）根據(jù)等效全向輻射功率及增益噪聲溫度比的要求，確定天線(xiàn)的單元數(shù)及每單元的輻射功率。相控陣天線(xiàn)的增益等于天線(xiàn)單元數(shù)的對(duì)數(shù)與天線(xiàn)單元增益之和，陣輻射功率為各個(gè)單元輻射功率之和。

（3）根據(jù)副瓣電平的要求，確定陣型排列及陣列幅度錐削。為了降低副瓣電平，通常選擇圓形或方形切角的布局，陣列幅度錐削越大，副瓣電平越低，但要付出一定的增益損失。

（4）相控陣單元數(shù)量大，通常采用分塊可裝配式的結(jié)構(gòu)。滿(mǎn)陣分為若干子陣，每個(gè)子陣可以獨(dú)立進(jìn)行裝配，包含輻射部分、相控饋電部分、饋電網(wǎng)絡(luò)及分控器。子陣裝配成一體后，再集成到一個(gè)結(jié)構(gòu)架上。

（5）要根據(jù)相控陣功能的要求，確定工作模式、設(shè)計(jì)控制方法及控制流程。通過(guò)與星上數(shù)管系統(tǒng)互聯(lián)的相控陣數(shù)字控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2）相控饋電模塊

相控饋電模塊［6］是組成相控陣的關(guān)鍵部件，由于數(shù)量大，其工作量及成本占到了整機(jī)近一半。相控饋電模塊包含功率放大器、低噪聲放大器、移相器、衰減器、控制等芯片以及聯(lián)結(jié)它們的微帶電路。星載相控陣芯片必須滿(mǎn)足空間環(huán)境的要求，射頻芯片通常采用砷化鎵（GaAs）器件，抗電離總劑量輻射能力一般在100krad（Si）以上。為了降低功率損耗，控制芯片通常采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS），必須采用特殊的工藝才能滿(mǎn)足輻照總劑量及抗單粒子翻轉(zhuǎn)的要求。目前Ku頻段以下相控陣芯片已基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。Ka頻段芯片在功率、效率上與國(guó)際先進(jìn)水平還有一定的差距，但也在迅速提高。

相控饋電模塊的集成度是實(shí)現(xiàn)對(duì)大掃描角小間距相控陣的必要條件，需采用低溫共燒陶瓷及多功能芯片等技術(shù)。

功率放大器芯片溫升較大，為保證芯片正常工作，必須采取熱控措施。芯片通過(guò)熱漲系數(shù)匹配的擴(kuò)熱板散熱。熱管直接通過(guò)芯片所處底板的下方，將熱量高效引出。

為保證芯片長(zhǎng)期可靠工作，必須采取密封措施，可以局部密封也可采用整體密封。密封的難點(diǎn)之一是高低頻引線(xiàn)端的密封。

3）饋電網(wǎng)絡(luò)

空間可靠性較高的饋電方式是波導(dǎo)饋電，由于相控陣單元數(shù)量較大，饋電網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜，需要進(jìn)行一體化布局設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)，以減輕體積及重量。微帶網(wǎng)絡(luò)重量及體積較小，但空間適應(yīng)性較差，一般不大面積采用，而僅小面積局部采用。槽道線(xiàn)重量及體積不大，易于散熱，連接也較可靠，國(guó)外在空間密集型網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常采用。圖5所示為某兩波束相控陣波導(dǎo)型饋電網(wǎng)絡(luò)。

圖5 相控陣波導(dǎo)型饋電網(wǎng)絡(luò)Fig．5 Phased array waveguide network

4）熱控制設(shè)計(jì)

相控陣天線(xiàn)能否上天應(yīng)用，一個(gè)突出的問(wèn)題是由于用戶(hù)較高的EIRP值要求，使得衛(wèi)星功耗較大，散熱問(wèn)題成為一大難點(diǎn)。相控陣的熱量集中產(chǎn)生在發(fā)射饋電單元的功率放大器芯片上，在天線(xiàn)工作時(shí)，需要將產(chǎn)生的大量熱量迅速導(dǎo)出，以保證器件的正常工作。

熱控系統(tǒng)包含發(fā)射模塊的熱控，相控陣熱量的收集，熱量的導(dǎo)出及熱量的輻射［7］。由于空間無(wú)法使用空氣、水等方式散熱，星載相控陣必須采用獨(dú)特的熱管技術(shù)，實(shí)現(xiàn)熱量引出和熱量傳輸。目前除已成熟使用槽道熱管外，國(guó)內(nèi)外還采用了環(huán)路熱管等新技術(shù)。當(dāng)需散發(fā)的熱量保持在一定范圍內(nèi)時(shí)，可以盡量利用衛(wèi)星現(xiàn)有的散熱面。當(dāng)熱量超過(guò)衛(wèi)星現(xiàn)有能力時(shí)，必須使用額外的熱輻射器，如展開(kāi)式輻射器，目前國(guó)外已采用，國(guó)內(nèi)也已進(jìn)行了若干年的預(yù)先研究。由于熱控技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)展，國(guó)內(nèi)已具備了實(shí)現(xiàn)大功率星載相控陣熱控的條件。圖6所示為某相控陣的熱控系統(tǒng)，包含槽道熱管、環(huán)路熱管、蒸發(fā)器及輻射器。

圖6 相控陣的熱控系統(tǒng)Fig．6 Phased array thermal control system

5）多級(jí)控制及幅相校正

相控陣天線(xiàn)常常具有幾百個(gè)單元，為實(shí)現(xiàn)對(duì)所有移相器、衰減器的控制，需要成千上萬(wàn)條通路的連接，還與電源及星上計(jì)算機(jī)有眾多的連接。為降低復(fù)雜性、提高連接的可靠性，采用分布式多級(jí)控制，串聯(lián)總線(xiàn)連接，主控器控制多個(gè)分控器，分控器控制每個(gè)相控饋電模塊內(nèi)的控制芯片。

由于器件的不一致性，裝配誤差等原因，相控陣的單元間存在幅相的不一致性，導(dǎo)致波束變形及增益下降，因此必須對(duì)相控陣進(jìn)行幅相校正。目前國(guó)內(nèi)外普遍采用正交調(diào)制及旋轉(zhuǎn)矢量等方法［8］。

6）電源設(shè)計(jì)

大功率相控陣天線(xiàn)經(jīng)常需要幾百安培的電流，給空間應(yīng)用帶來(lái)很大的風(fēng)險(xiǎn)。采用分布式多個(gè)電流模塊，每個(gè)模塊給一部分單元供電，化大電流為小電流，同時(shí)還易于實(shí)現(xiàn)冗余備份，提高了可靠性。此種供電方式為國(guó)內(nèi)大功率相控陣電源的優(yōu)選方式。

5 星載相控陣天線(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)

星載相控陣天線(xiàn)的頻段正在向高端擴(kuò)展，Ku以下頻段相對(duì)比較成熟，Ka頻段是目前國(guó)內(nèi)外正在快速發(fā)展的領(lǐng)域，而毫米波段、亞毫米波段乃至絲米波段是進(jìn)一步發(fā)展的領(lǐng)域。

早期的星載相控陣功率較小，隨著星上熱控技術(shù)的進(jìn)步，幾千瓦級(jí)相控陣技術(shù)正在發(fā)展，可以預(yù)見(jiàn)在應(yīng)用的推動(dòng)下，更高功率的相控陣技術(shù)亦將出現(xiàn)。

目前值得關(guān)注的幾項(xiàng)相控陣技術(shù)的發(fā)展如下：

1）光控相控陣天線(xiàn)技術(shù)

影響相控陣天線(xiàn)帶寬的主要因素，是天線(xiàn)陣面各個(gè)單元到達(dá)目標(biāo)的渡越時(shí)間不同，頻率改變時(shí)疊加相位發(fā)生變化，導(dǎo)致指向精度和增益下降。為克服此問(wèn)題，采用了各種延時(shí)移相技術(shù)?？梢圆捎醚訒r(shí)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能，最有發(fā)展前景的是采用光控相控陣技術(shù)。采用光纖可以達(dá)到很高的延遲及相位精度，實(shí)現(xiàn)超寬帶的相控陣天線(xiàn)。

國(guó)內(nèi)目前由于激光器件的效率較低，功耗較大，尚需進(jìn)一步的改進(jìn)。但在控制信息傳輸部分采用激光技術(shù)，可以簡(jiǎn)化線(xiàn)纜的傳輸，提高可靠性，有望近期在星載相控陣天線(xiàn)獲得應(yīng)用。

2）相控陣天線(xiàn)的抗干擾技術(shù)

根據(jù)星載相控陣的應(yīng)用需求，國(guó)外在AEHF衛(wèi)星等星載相控陣天線(xiàn)中，均采用了能力極強(qiáng)的抗干擾技術(shù)，將微波集成與光控技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了全陣的自適應(yīng)抗干擾技術(shù)。

我國(guó)在此方面的技術(shù)尚有一定的差距，還需加大研究力度，爭(zhēng)取提高天線(xiàn)的抗干擾能力。

3）掃描平面反射陣技術(shù)

平面反射陣是一種新型天線(xiàn)，設(shè)定平面反射陣每個(gè)單元的反射相位，由饋源發(fā)射來(lái)的發(fā)散的球面波，可以校正為波前等相的平面波。如果每個(gè)單元的反射相位是可控的，可以控制已校正為平面波的反射波的方向。這也是一種特殊形式的相控陣天線(xiàn)?？勺兎瓷湎辔粏卧男问绞嵌喾N多樣的，如圖7所示，由鐵電材料構(gòu)成可變相位反射單元的相控陣天線(xiàn)，是NASA為低軌衛(wèi)星數(shù)傳研制的星載相控陣。采用掃描平面反射陣技術(shù)，可大幅度地減低重量與功耗。對(duì)于星載應(yīng)用是一個(gè)很有吸引力的方向。

圖7 以鐵氧體為移相單元的平面反射陣Fig．7 Planar reflect array with ferrite phase shifter

4）相控陣新型器件的發(fā)展

隨著技術(shù)的進(jìn)步出現(xiàn)了很多新型器件，有力地推動(dòng)了相控陣技術(shù)的發(fā)展。AEHF 衛(wèi)星采用磷化銦材料制造的低噪聲放大器可以實(shí)現(xiàn)小于1dB 的噪聲系數(shù)，工作頻率高達(dá)幾十萬(wàn)兆赫，國(guó)內(nèi)該項(xiàng)技術(shù)尚未開(kāi)發(fā)。國(guó)外采用氮化鎵材料制造的功率放大器芯片可以達(dá)到很高的效率，國(guó)內(nèi)在較低頻段已有采用，但在高頻端仍然為空白。硅互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體器件的抗輻照問(wèn)題，是空間電子技術(shù)的瓶頸之一，國(guó)外采用藍(lán)寶石襯底等新型工藝，可以大大提高硅器件抵抗空間輻照的能力。

采用各種多功能芯片可以大大減少使用芯片的數(shù)量，將相控饋電模塊內(nèi)的多個(gè)芯片集成在一兩個(gè)芯片上，簡(jiǎn)化饋電模塊的結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品的集成度與可靠性，相控陣的成本也可大大降低。

采用微機(jī)械開(kāi)關(guān)取代數(shù)字移相器中的PIN 二極管，組成新型的MEMS 移相器。MEMS 移相器的成本比通常的數(shù)字移相器低一個(gè)數(shù)量級(jí)，截止頻率高達(dá)1 000GHz，優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬度寬、損耗低、隔離度高。缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)時(shí)間略長(zhǎng)，壽命稍短。

星載相控陣技術(shù)的進(jìn)步，一直是由各種新型器件及材料所推動(dòng)的，以上新型器件的進(jìn)一步發(fā)展將從根本上提高星載相控陣天線(xiàn)的性能。

6 對(duì)我國(guó)星載相控陣技術(shù)發(fā)展的建議

1）星載相控陣天線(xiàn)可擴(kuò)展應(yīng)用的領(lǐng)域

星載相控陣天線(xiàn)的特點(diǎn)是，可以利用單一口徑實(shí)現(xiàn)多個(gè)可移動(dòng)的波束，很適用于具有多目標(biāo)移動(dòng)通信需求的戰(zhàn)術(shù)通信衛(wèi)星。對(duì)于擔(dān)負(fù)提高中低軌道衛(wèi)星傳輸效率使命的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，采用相控陣天線(xiàn)可以增加服務(wù)對(duì)象的數(shù)量，極大地提高衛(wèi)星的應(yīng)用效能。

星載相控陣天線(xiàn)采用分布式固態(tài)功率放大器系統(tǒng)，固態(tài)功率放大器通常具有較大的頻率帶寬，固態(tài)功率放大器空間功率合成，只要提供足夠的功率即可實(shí)現(xiàn)比單發(fā)射機(jī)大得多的功率輻射，這樣采用相控陣天線(xiàn)易于實(shí)現(xiàn)極大容量的通信需求。Spaceway衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了這樣的工作模式，這也是國(guó)內(nèi)的一個(gè)應(yīng)用方向。

采用小間距相控陣，可以實(shí)現(xiàn)很大的掃描范圍，天線(xiàn)沒(méi)有機(jī)械動(dòng)作易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)長(zhǎng)壽命周期工作，這些特點(diǎn)對(duì)中低軌道航天器可變星地、星星鏈路具有廣闊的應(yīng)用前景，也是我國(guó)致力發(fā)展的方向。

2）集中力量突破空間環(huán)境應(yīng)用的瓶頸

相控陣天線(xiàn)在地面已經(jīng)應(yīng)用多年，但擴(kuò)展到空間應(yīng)用也就是近年來(lái)的事情。主要障礙是空間環(huán)境適應(yīng)性的瓶頸，包含的因素有熱控、輻照環(huán)境、產(chǎn)品質(zhì)量、消耗功率等。我國(guó)的環(huán)路熱管技術(shù)已進(jìn)行了飛行驗(yàn)證，目前需進(jìn)一步驗(yàn)證的是熱管的長(zhǎng)壽命及高可靠性能。對(duì)處理更大功率熱量的展開(kāi)式熱輻射器，需開(kāi)展進(jìn)一步的研究及飛行試驗(yàn)。相控陣天線(xiàn)對(duì)輻照敏感的是各種CMOS工藝電子芯片，需從工藝及材料方面入手開(kāi)展進(jìn)一步的研究。

3）努力發(fā)展基礎(chǔ)工藝及關(guān)鍵器件

星載相控陣天線(xiàn)的應(yīng)用性能及技術(shù)水平很大程度上取決于所采用的基礎(chǔ)工藝及關(guān)鍵器件。先進(jìn)的微波集成工藝，低溫共燒陶瓷工藝可以大幅度地降低相控陣的體積和質(zhì)量，建議加速發(fā)展航天系統(tǒng)微組裝及微波集成工藝，這不僅可以推動(dòng)星載相控陣的發(fā)展，對(duì)于推動(dòng)整個(gè)航天設(shè)備的微小型化、輕量化及集成化均有重大的作用。為從根本上提高相控陣的效率，需聯(lián)合國(guó)內(nèi)有關(guān)院所突破磷化銦、氮化鎵器件工藝難關(guān)，以填補(bǔ)這一技術(shù)空白。星載相控陣模塊的單芯片化是相控陣技術(shù)的發(fā)展方向之一，國(guó)內(nèi)已有相關(guān)院所采用國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)、國(guó)外流片的方法進(jìn)行了有益的探索，他們的經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。

4）開(kāi)展新型相控陣體制的預(yù)先研究

光控相控陣、掃描平面反射陣、亞毫米波相控陣等新型相控陣體制牽涉的技術(shù)難度跨度較大，采用很多新型技術(shù)及新型器件，具有技術(shù)復(fù)雜綜合的特點(diǎn)，掌握及應(yīng)用周期較長(zhǎng)，為了實(shí)現(xiàn)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用，應(yīng)超前開(kāi)展預(yù)先研究，以推動(dòng)我國(guó)星載相控陣天線(xiàn)技術(shù)盡快跨上新的臺(tái)階。

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