银铺子配资 卫星通信之相控阵天线-极简版

卫星通信是一种以卫星作为通信媒介的无线通信方式。在跟客户、朋友聊天的过程中，经常遇到客户、朋友对卫星通信中的一些名词不是很了解。后面我们会分几次用非常通俗的文字介绍一下卫星通信的相关知识银铺子配资，我们力争做到即使没有通信、电子行业相关的专业技术背景也能够100%的看的明白。

这一次，我们争取用最通俗的方法介绍卫星通信相控阵天线

在介绍相控阵天线之前，我们首先简单说一下卫星通信最常用的抛物面天线。

抛物面天线抛物面天线的基本原理

下面是抛物面天线的图片：

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大家应该很熟悉了。在电视直播、应急救灾等领域，我们经常能够看到这种用于卫星通信的抛物面天线。从外形上看抛物面天线像一口朝天的锅，所以在行业内又有一个俗称叫“锅面天线”。

抛物面天线的锅面是一个曲面，我们在中学的时候学习过关于曲面焦点的知识。一个二次曲面有一个确定的焦点。所有以轴线平行的卫星信号照射到曲面上都会聚焦到曲面的焦点，如下面这个图所展示的。

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那么，如果我们在曲面的焦点上放置一个天线的馈源（可以认为是信号接收器），那么这个馈源所接收的卫星信号的功率就可以认为是所有平行照射到曲面上的卫星信号功率之和。

通过这种方式，就把接收的卫星信号的功率放大了，这里有个专用名词，天线的增益Gain，可以理解为天线对信号的放大倍数。从上面的分析种我们可以知道，抛物面天线的增益跟曲面的面积相关。曲面的面积越大，入射到曲面上的卫星信号就越多，汇集到曲面焦点的信号功率就越强，天线对卫星信号的放大倍数（增益）也就越大。

小贴士：天线的放大倍数（增益）跟天线曲面面积的平方成正比

抛物面天线对星

要想达到抛物面天线放大卫星信号功率的目的，抛物面天线的轴线必须对准卫星。因为如果抛物面天线没有对准卫星，即使有卫星信号照射到锅面上，信号路径就不和轴线平行，就不能保证全部入射信号汇集到焦点上。

那么如何保证抛物面天线对准卫星呢？天线安装在伺服转台上，转台能够在电机驱动下在方位、俯仰、极化三个自由度上转动。通过转台的转动，可以使得抛物面天线对准卫星。

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因此，抛物面天线有2个特点：

天线必须通过转台的机械转动，对准卫星，天线对星的响应速度依赖转台的机械伺服结构。

天线的高度比较高。比如直径0.6m的天线，天线直径0.6m加上转台的高度，肯定超过0.6m了。比如下面这个机载天线。

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相控阵天线

我们来看看另外一种卫星通信天线的形式：相控阵天线。下面是一个相控阵天线的产品图片：

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从图中我们可以看出，相控阵天线和抛物面天线相比，存在明显的差异：

没有机械传动装置；天线的高度低。相控阵天线的基本原理

没有机械传动装置来转动天线，那么相控阵天线是如何对准卫星的呢？这里就要说到相控阵天线的基本原理了，有些朋友应该听说过 T/R组件、移相器、电扫描、波束扫描、离轴角、扫描时间等这些技术参数，下面我们就用最简单的文字对相控阵天线的基本原理做一个说明。

一般卫星通信的相控阵天线是由几十个、几百个甚至几千个天线阵元组成的。我们首先看一个2个天线阵元的情况。就像下面这个图。

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在这个图里面有2个天线并排安装，两个天线之间的距离固定的，我们用d表示，一般是二分之一个波长。

波长是什么？波长=信号的频率/电磁波的传播速度，如果频率是12GHz，电磁波的传播速度是3*10^6 m/s，那么信号的波长就是0.025m.

卫星信号入射到2个天线上，由于2个天线的位置不同，2个天线接收到的信号的相位也会存在差异。比如天线1接收的信号是S1=Asin（ψ1），天线2接收的信号是S2=Asin(ψ2）,S1和S2之间的相位差Δψ=ψ2-ψ1是多少呢？

由于2个天线之间的距离是固定的，是d，如果卫星信号的入射角度 θ 已知，那么我们就可以算出天线2接收的信号相对于天线1接收信号的距离差 =d*sin θ。

当我们已知卫星信号的频率f，就知道了信号的波长λ，然后就可以把距离差转换为相位差Δψ=ψ2-ψ1= 2π *d*sin θ/ λ。

如果我们把天线1接收的信号S1和天线2接收的信号S2直接相加， 会出现什么情况？

根据中学时代学习的三角函数的知识，我们知道由于两个正弦波存在相位差，所以相加之后的和的幅度肯定＜2A，就像下面这个公式表示的：

Asin(ψ1) +Asin(ψ2)　＝2A*sin((ψ1+ψ2)/2)*cos((ψ1-ψ1)/2).

这个时候我们想一想，如果采取一种方法，能够把S1和S2之间的相位差消除了，把S2相位和S1的相位搞成一样了，ψ1=ψ2,这个时间仍然把S1和S2直接相加，会出现什么情况？

S1+S2=2*Asin(ψ1)。

很显然银铺子配资，这个时候天线1接收的信号S1和天线2接收的信号S2直接相加的结果，幅度就是2A，我们就把信号幅度放大了2倍。

好了，我们在工程上怎么才能做到把S2的相位和S1的相位搞成一致呢？这里我们就用到了移相器。移相器，顾名思义，就是能够移动信号相位的模块。移相器具体是怎么工作的，我们不需要管，我们只需要知道：

移相器可以移动信号的相位，而且移动多少相位是可以控制的。

我们在看下面这个图，我们在天线1和天线2的后端都加上了移相器，通过控制2个移相器移动的信号相位值，我们就可以让经过移相器1的S1信号的相位等于经过移相器2的S2信号的相位 。那么在移相器的后面，我们再把两路信号相加，相加结果的幅度就是2A了。

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上面是最简单的2个天线的情况，如果是4个天线，16个天线，256个天线，512个天线呢？其实都是一样的，天线之间按照一定的规则排列，天线和天线之间的距离d是固定已知的。每个天线后面都连接一个移相器，比如有4个移相器，16个移相器，256个移相器，512个移相器。然后以某个天线为基准（假定是1号天线），调节其他天线对应的移相器移动的相位值，使得所有移相器输出的信号相位相同，最终把所有的信号相加，相加之后的信号幅度就是4A，16A，256A、512A，信号放大4倍，16倍、256倍、512倍。

也就是把这个入射角的卫星信号放大了N倍

由于生产工艺，安装位置、器件性能等方面的差异，每个天线单元和射频组件的幅度、相位都存在偏差，需要对每个信号接收支路进行幅度、相位的补偿，所以对每路移相器之后的信号，分别乘以一个放大系数，用来对信号幅度做补偿。

于是，我们可以得到相控阵天线的最简单的结构表示如下：

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现在随着集成电路技术的发展，上面这些器件都做成芯片了，不需要在过去那样用射频模拟器件搭建出来了。

图中最前面低噪声放大器是所有天线系统里面都有的，跟相控阵的原理无关

上面就是相控阵天线的基本原理，通过调节移相器的相位改变入射信号的相位改变入射信号的幅度，最终在入射角度 方向形成了最大的增益。

如果卫星正好位于相控阵天线的入射角度的方向，那么就实现了卫星信号最大增益的放大。

相控阵天线的控制

通过上面的介绍我们知道，相控阵天线调节的是移相器的相位，这个调节的过程跟卫星信号的入射角相关。如果卫星信号的入射角度确定了，卫星信号的频率确定了，那么我们就可以计算出相控阵天线的移相器的相位，从而控制相控阵天线在当前信号入射角方向有最大的信号增益。

也就是说，我们只要把卫星信号的入射角，卫星信号的频率告诉相控阵天线，相控阵天线就会实现在该入射角方向的最大增益。用业内的术语可以这样表达：相控阵天线产生的波束对准了卫星，卫星信号获得了最大增益。

如果由于天线所处平台的姿态发生了变化，卫星信号的入射角发生变化了，怎么办？我们可以计算出在新的姿态条件下的卫星信号入射角，然后把新的入射角告诉相控阵天线，相控阵天线将在新的入射角方向上形成最大增益，也就是产生了新的波束，该波束仍然是对准卫星的。

相控阵天线的基本控制流程可以用下面这个图简单表示：

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通过卫星的位置、天线的位置、天线平台的姿态（方位、俯仰、横滚）就可以计算出卫星信号的入射角度。将卫星信号的入射角、信号的频率等信息告诉天线控制器，天线控制器控制天线内部电路改变移相器的相位。

下面这个是公司相控阵天线原理样机研制阶段，天线在6自由度摇摆台上进行天线跟踪控制的视频。我们可以看出天线本身是没有任何机械伺服结构的，天线和平台没有相对运动。通过电扫描的方式，保持天线的波束对准卫星。

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相控阵天线的优势和缺点优势高度低，低轮廓，对安装高度要求低，特别适应于机载等安装空间受限的场景；采用电子扫描，响应速度快。

一般来讲，相控阵天线波束指向角度从一个角度切换到另一个角度的切换时间小于1ms，这个是机械扫描的抛物面天线远远没法比的，因为抛物面天线做天线直指向角度切换的时候，需要依靠电机带动齿轮转动。

相控阵天线特别适合高机动载体，比如飞机有高速机动的情况。另外在低轨卫星通信系统中，由于低轨卫星的运动速度很快，抛物面天线响应时间长，跟踪低轨卫星存在困难，目前低轨卫星都是用相控阵天线，比如星链系统的地面接收天线就是相控阵天线，如下图：

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缺点

成本

如果要做到相同的天线增益，相控阵天线的成本会比抛物面天线贵很多。

低仰角的影响

相控阵天线有一个特点：天线法向（就是垂直天线面的方向）增益最大，随着入射角度距离法向越来越远，增益越来越小。如果卫星正好在天线的正上方，卫星入射信号和天线的法向一致，相控阵天线的增益最大。如果卫星不在天线的正上方，卫星入射信号跟天线法向有一个角度偏离，那么相控阵天线增益减小，而这个角度偏离越大，天线的增益就减小。卫星入射信号和天线法向的角度偏离，业内有专用名词“离轴角”。

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当离轴角等于60度的时候，从这个角度入射的信号，天线的增益相对于法向来增益说，会减小4dB，这个是相控阵天线本身的特性，是没办法克服的。

我们以高轨卫星为例，如果相控阵天线在赤道附近，卫星和天线法向之间的离轴角小，天线的增益高。随着纬度增大，卫星和天线法向之间的离轴角越来越大，天线增益越来越小，所以在高纬度地区，相控阵天线的使用受到一定的限制。

因此我们在使用相控阵天线的时候，需要根据用户使用的区域，计算相控阵天线的离轴角，然后根据离轴角估算天线增益的减小值，在做卫星通信链路预算的时候留出足够的余量。

总结

抛物面天线是卫星通信天线的一种形式，相控阵天线也是卫星通信天线的一种形式。

根据不同的应用场景、成本预算等综合考虑选择，在低轨卫星终端上使用相控阵天线是最合适最优的选择。

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