主动电扫描相控阵技术

今天的互联网用户经常一边移动一边上网。例如可移动上网的手机，也离不开相关技术的支撑。无论 4G 还是 5G，工程师们在手机本身和基站天线设计上都采用了很多方法，才能保证人们一边移动一边上网。然而手机和基站的距离一般比较近，最远不过几千米，最近只有一百多米。到了 5G 时代，手机和基站之间的距离就更近了。而卫星互联网所面临的问题就要困难得多。

目前已经提出的几个天基互联网星座，轨道高度为 500 ～ 1200km。虽然这个距离比地球静止轨道的距离要近得多，但比地面基站到手机的距离要远很多。问题还不止于此，低轨道卫星的运动速度比地面上的手机用户快多了。早期地面移动通信设想的运动场景主要包括高速公路。如今还要考虑高铁等场景。但哪怕是民航飞机也达不到低轨道卫星每秒 7 800m的速度。如何解决这些问题呢？

按照卫星通信行业的传统解决方式，会采用一种名为机械式自动跟踪天线的技术。这是为海事卫星通信发明的技术。海事卫星的服务对象是船舶和飞机，它们不但会沿着地球曲率移动，还会在海浪和气流中晃动。因此必须有一种手段使天线持续对准地球静止轨道上的卫星。机械式自动跟踪天线是比较先进的设备，不但体积大、价格高，还必须装在船顶上。机械式自动跟踪天线（见图 1）安装不便，通信速度也非常有限。在使用过程中，需要定期对机械设备进行检查和维护，需要掌握的专业技能非常多，如何让消费者使用呢？

图1 一种用于海上航船的机械式自动跟踪天线

这还不是全部的问题。机械式自动跟踪天线只有一个抛物面和一个馈源，只能对准一颗卫星。但是低轨道互联网星座要处理的问题比这复杂得多。前文中提到，因为飞行速度快，加上需要避免干扰，低轨道互联网星座经常需要切换波束。这就需要地面上的用户终端能够工作在多波束模式下。如果一定要用机械式自动跟踪天线来解决，每个用户就要装多个天线，而且使用的时候，天线会频繁摇摆，非常容易损坏。

因此，天基互联网的有关业界人士已经达成共识，必须用主动电扫描相控阵天线来承担卫星和地面站之间的电磁波收发工作。这种天线简称为AESA，最早用在雷达上。它的基本原理是把很多个微小的发射 / 接收单元按一定的几何规律布置在一块平面上，通过控制每个单元的电磁波相位和发射功率等参数，形成一个可以灵活控制的电磁波束。因为该天线完全是依靠计算机控制的，所以波束的方向、功率等调节和控制速度非常快。随着技术的进步，发射 / 接收单元越来越小，如今已经能制作成芯片大小。

因为 AESA 具有阵面不动、波束可动的优点，得到了各国无线电电子相关部门的高度重视。但是由于它对收发器件、阵面、配套信号处理和计算机系统的要求极高，因此长期以来一直是国家航天部门和军方的专属品。近年来，随着技术的成熟和器件价格的下降，AESA 开始逐渐进入民用领域。

AESA 对地球静止轨道的互联网卫星通信也有很大的意义。原因正是前面提到的航空和航海用户。飞机上的空间本身就很宝贵，如果架设一个巨大的机械式自动跟踪天线，就要对机身结构做很大的调整，有一定风险，并且小型飞机还无法采用。船上倒是有比较充裕的空间来安装天线，但机械式自动跟踪天线的高价还是让很多人望而却步。AESA 为飞机和船只提供了一种体积很小、安装方便的解决方案。

按照论文《卫星移动通信相控阵天线研究现状与技术展望》的阐述，相控阵天线（AESA）采用电调式的方式调整姿态，其优点为体积小、重量轻、安装简单；其缺点为天线有效口径低、增益低、带宽窄、成本高。

曾经有一段时间，人们认为卫星通信相控阵天线采用了一维相控阵天线。天线本身可以旋转，因此只在俯仰方向采用相控阵波束扫描，在方位方向采用传统的机械扫描。这是因为当时的相控阵扫描范围不大，如果把天线装在飞机上，由于载体本身的高速运动，天线可能无法及时“抓住”卫星。但是机械扫描技术还是无法彻底解决天线高度高、结构复杂、机械系统需要维护和维修等问题。二维相控阵天线虽然技术难度大、工艺要求高，最终还是成了技术发展的主流。

目前国内外都已经出现了一些 AESA 产品。美国 Kymeta 公司研制了一种能用在汽车上的超薄 AESA（见图 2），可以兼容多种卫星通信系统。一网公司的地面终端把 AESA 和 Wi-Fi 结合在一起，用 AESA 和卫星通信，然后通过 Wi-Fi 向手机、平板电脑用户提供服务。为一网公司配套研制的卫星 AESA 天线如图3 所示。“星链”星座推出了具有专利的碟形相控阵天线。国内的一些企业也在各种展会上推出了用于民航飞机的 AESA。这种天线由两部分组成，一部分用来发射信号，另一部分用来接收信号。虽然这种天线的价格有点贵，但这种天线代表着天基互联网通信的未来。按照一网公司的想法，当业务大规模开通之后，终端的价格可以降低至数百美元，家庭和小商户完全能够承受得起。“星链”更是号称要把终端价格降低到 499 美元。不但如此，一网公司创始人格雷格·怀

勒（Greg Wyler）还投资了一家小公司，打算研制便携式的 AESA。这种天线小到可以装在口袋中，使用时它会自己找到卫星，然后以 Wi-Fi 形式提供网络接入。这种天线对野外活动者和旅游者非常有吸引力。

图2 美国Kymeta公司的超薄AESA

图3 为“一网”星座配套研制的卫星AESA天线

AESA 不仅会用于地面，也会用于卫星。在传统的地球静止轨道通信卫星上，人们可以看到大大小小的反射面天线。覆盖不同区域、使用不同频段，就要专门设置一副天线。然而对于低轨道天基互联网卫星来说，这就是不可取的解决方案。只有采用 AESA 才能解决多个波束频繁切换的问题。

AESA 能够实现多个速束频繁切换，很大程度上是由于电子计算机技术的发展。只有通过计算机的自主控制，AESA 才能实现波束的迅速形成

和切换。

----摘自《卫星互联网 助力新基建的硬科技 》