1.技术背景

相控阵天线技术是一种通过电子控制实现波束指向和形状调整的先进天线系统，广泛应用于雷达、通信和电子战等领域。这其中涉及两个基本技术：波束赋形和相位控制。

波束赋形（Beamforming）

相控阵天线由多个天线单元组成，每个单元独立控制信号的相位和幅度。通过调整各单元的相位差，使电磁波在特定方向上相干叠加（增强），而在其他方向上相互抵消，从而实现波束的定向发射或接收。

相位控制

使用移相器调节每个单元的相位延迟，改变波前的传播方向。例如，若相邻单元间引入递增的相位差，波束会偏向相位延迟较大的一侧。

公式：波束指向角与相位差的关系：

其中，为单元间距，为波长。

2. 相控阵天线应用于卫星地面站优势

随着卫星互联网技术附带发展，相控阵天线在卫星载荷、终端和地面站等方面也逐渐应用。

与作为卫星地面站的抛物面天线相比，相控阵天线具有许多优点。如图 1 所示，它们一般可以分为三类，即性能更好、可靠性更高、成本更低。

图1 相控阵天线卫星地面站优势a. 性能更好

多波束。抛物面天线通常一次只有一个波束。从理论上讲，相控阵天线可以根据波束成形网络的需要生成任意数量的波束（这受硬件实际容量的限制）。过去，使用多个模拟微波元件来实现相控阵天线的模拟波束成形。连接和接口非常复杂，需要严格的微波参数和规范。随着数字波束成形 （DBF） 技术的进步，波束成形过程在数字域中实现变得更加直接，其中来自天线元件的数字化数据可以轻松复制和组合。

敏捷波束控制。抛物面天线依靠机械驱动系统（包括电机、变速箱和伺服）来操纵抛物面天线和相应的波束方向。近地轨道中的卫星相对于地球表面快速移动，在 500 公里的高度上以高达 7.6 公里/秒的速度移动，对天线机械驱动系统提出了较大的波束转移速度要求。有时，如果卫星移动得太快，会导致跟踪丢失。如果抛物面天线发生变化以跟踪另一颗方向差较大的卫星，则需要很长的准备时间，可能需要两到三分钟。对于相控阵天线，通过设置天线元件的相移值来对波束方向进行电子控制，速度要快得多，大约毫秒级。

方向图重新配置。由于反射器表面的抛物线几何形状，抛物面天线通常会产生笔形波束，并且几乎没有办法减少旁瓣。第一旁瓣电平 （SLL） 可能高达 –13 dB。如此高的 SLL 有时甚至会导致旁瓣而不是主瓣的跟踪错误。通过天线元件的幅度逐渐变细和相位控制，相控阵天线可以方便地控制 SLL 并在干扰方向上呈现零点。

图2 相控阵干涉图b. 可靠性更高

消除单点故障。抛物面天线中存在一些可能的单点故障。当其中一部分出现故障时，将导致整个地面站无法工作。然而，当相控阵天线的某些天线元件发生故障时，它只会遭受部分性能下降而不会失去功能，这使得它们比抛物面天线可靠得多。

无机械旋转。由于相控阵天线的结构是固定的，不需要机械旋转，因此它比抛物面天线稳定得多，后者的电机和伺服在日常使用中会受到摩擦和损失。

分散式功率放大器。对于抛物面天线，使用集中式高功率放大器来增强输出信号。通常，典型的卫星地面站需要几百瓦的能力。而在相控阵天线中，每个天线元件都有自己的功率放大器，只有几瓦。这种去中心化模式比中心化模式可靠得多。

c.成本更低

更少的土地和基础设施。为了使用反射天线支持多个任务，需要建造大面积的场地和许多天线底座，以及混凝土道路、水管、电力供应和光纤等。由于相控阵天线可以同时产生多个波束，因此减少了满足相同要求的土地和基础设施建设需求。

大规模生产。多年来，相控阵天线的高成本和复杂性是商业应用的主要障碍。最近，通过利用先进的制造技术、批量生产和 COTS 组件的适配，相控阵天线的成本已大大降低。先进的集成技术显著降低了发射/接收 （T/R） 模块的成本。为了节省成本，多层射频板的面积以及连接器和电缆的数量大大减少。

维护更轻松。反射器天线的维护和损伤过程很复杂。有时它需要停机时间、专用工具（如井架、起重机和脚手架）以及高技能工人。但是，如果相控阵天线的某些天线元件出现故障，则可以轻松地不间断地更换它们，而无需停机。维护过程相当简单，一名受过基本培训的工人通常足以处理普通的维护工作。预计生命周期成本会大大降低，并节省预算。

技术挑战

抛物面天线长期以来一直被用作卫星地面站。相控阵天线虽然广泛用于雷达应用，但用于卫星星座仍处于起步阶段。在真正投入实践之前，必须仔细考虑一些技术问题和挑战。在个人看来，相控阵天线可以取代抛物面天线应用于未来的卫星地面站。然而，航空航天业似乎仍然犹豫不决。即使是一些最近的 LEO 卫星星座项目也仍然使用传统的抛物面天线作为其卫星地面站。

图3 直径为 18 米的抛物面反射器天线

对于相控阵天线工程师来说，需要掌握相控阵天线的一些基本原理和理论，包括架构演变、主要组件和阵列方向图合成。处理阵列激励误差，了解具有概率和区间算术分析方法、最先进的校准方案以及一些创新信号处理技术。此外，还有卫星地面站应用所需的一些设计问题和关键技术，例如用于半球覆盖的阵列几何设计、多波束资源管理和空地链路分析。

       原文标题 : 相控阵天线应用于卫星地面站的优势