通信卫星载荷天线设计技术

通信卫星是在轨运行的人造地球卫星，它接收地面发射站的通信信号，对其进行放大或进一步处理，随后将信号发送回地面，由一个或多个地面接收站接收。商业卫星通信开始于20世纪60年代中期，经过50多年的发展，已经从一个备选技术发展为主流传输技术，渗透到全球通信的所有基础设施中。目前，通信卫星可广泛用于数据、话音以及视频传输等应用中，并向固定、广播、移动、个人通信和专用网络用户提供服务。

通信卫星已成为最重要的一种应用卫星，其上的载荷（包括通信天线与转发器）承担着信息的接收、处理和发送任务。在商用通信和军事通信中，卫星业务类型主要包括以下几种：

1）固定卫星业务（Fixed Satellite Services，FSS）：采用赋形区域波束在C、Ku和Ka频段实现对国内部分区域或洲际区域的卫星业务覆盖。

2）直播星业务（Broadcast Satellite Service，BSS）：对国土区域（比如中国大陆、美国大陆等）提供下行波束覆盖，并具备局部增强能力以补偿雨衰。

3）个人通信业务（Personal Communication Service，PCS）：应用多口径反射面天线实现K/Ka频段多波束覆盖，每个反射器使用多个馈源产生对应的波束，通过卫星实现个人通信和用户间（User-to-User）数据传输。一般地，通过地面站—卫星—用户链路形成前向链路，而返向链路为用户—卫星—地面站链路。

4）移动卫星业务（Mobile Satellite Service，MSS）：通过卫星向移动用户提供通信业务。一般的移动通信卫星工作在UHF、L、S等较低频段，需要使用大型可展开网状天线来实现较高的天线增益，并采用大规模馈源阵在地面实现交叠型波束。

5）星间链路业务（Inter Satellite Service，ISS）：为卫星与卫星之间提供通信链路与数据传输，采用卫星星座提供全球范围的服务，常使用具有自动跟踪能力的机械可动双反射面天线，在部分系统中也会采用相控阵天线。

图6-1给出了固定卫星业务与直播卫星业务的卫星链路说明，其中在固定卫星业务中需要对国内区域提供上行链路与下行链路的赋形波束，而在直播卫星业务中只对下行链路提供赋形波束以满足对国内终端对广播信号的接收要求，上行链路则只针对地面站位置提供点波束，以降低对地面站发射EIRP的要求或提高卫星上行链路的抗干扰能力。(www.xing528.com)

通信卫星载荷常要求包含多个反射面天线以及转发器，以支持复合载荷功能并为业务区提供多项服务。这就要求卫星平台能够提供多个大口径反射面的布局空间，在发射状态时收拢起来以满足苛刻的火箭整流罩包络要求，并实现反射面在轨展开。常见的可展开反射器安装在卫星平台的东西墙板上，少数情形下则会安装在卫星对地板上。一些较小口径的不需要展开机构的固定反射面与遥控遥测天线、信标天线等也会安装在卫星对地板上。由于馈源组件需要承受大功率工作并特别关注无源互调（PassiveInter-Modulation，PIM）性能，卫星东西墙板天线的馈源常安装在平台的东西角和对地板上。图6-2给出了一种典型的展开天线卫星布局结构，其中太阳帆板沿南北向展开并进行指向太阳的跟踪。

图6-1　典型星地链路说明

（a）固定卫星业务；（b）直播卫星业务

图6-2　典型的展开天线卫星布局结构

在通信卫星天线中常用到的反射面天线，会根据卫星载荷要求以及平台布局选择不同的反射面类型。较为常见的反射面天线有：单偏置反射面、格里高利型双反射面（含偏置与对称结构配置）、线极化复用的双栅天线、正馈卡塞格伦天线、偏置卡塞格伦天线、大型展开式网状天线、单反镜像天线、宽角扫描双反射面天线（如偏馈偏置卡塞格伦天线与正馈偏置卡塞格伦天线）、共焦反射面天线。其他常见于通信卫星的天线有透镜天线（含介质透镜与波导透镜）与相控阵天线。相控阵天线虽受制于工作带宽、固态放大器效率以及功耗、重量、成本等因素，但能够提供可重构波束功能，更适合于军事通信应用。以上几类天线均已在国内卫星上得到应用。

当前，在通信卫星中反射面天线的应用最为广泛。本章在分析通信卫星载荷天线特点的基础上，重点介绍赋形反射面天线、多波束天线、自适应调零天线等几种具有代表性的天线的功能性能设计，最后简要介绍大型网状反射面技术及其发展趋势。