Ka/Ku波段卫星通信终端（二）

本文从当前市场概况、应用场景、相控阵原理、现有论文里呈现的技术发展路径以及性能测试几方面汇总当前相控阵天线技术的行业现状。1.概况研究机构预计2024年至2030年，全球相控阵天线市场到2030年市场规模预计将达到53亿美元，高于2024年的31亿美元，预测期内的复合年增长率（CAGR）约为9.4%[Research and markets]。从战略角度来看，各国正在加大国防现代化建设力度，部署可数字重构的天线系统。电信运营商正在大规模部署毫米波5G，而波束赋形技术是其不可或缺的核心。在航天技术领域，对低轨卫星星座中电子扫描阵列的需求日益增长。在供应方面，组件创新正在加速发展，基于GaN-on-SiC的射频模块、可调谐移相器和热适应材料正在缩小尺寸、降低能耗，同时增强波束稳定性。一些OEM制造商还将人工智能（AI）集成到天线控制单元中，以实现实时自动校准和干扰管理。商业领域也正在发生着悄然的转变。汽车雷达系统正在逐步向固态电子扫描阵列过渡，尤其是在高端高级驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶平台领域。同样，智能城市基础设施，从机场安检扫描仪到智能交通系统也开始使用小型相控阵列进行实时数据采集和动态波束跟踪。国防承包商、航空航天巨头、电信设备供应商、汽车一级供应商、半导体公司，甚至云服务巨头都在开发、集成或依赖相控阵天线系统。 Satellite Communication Phased array[Texas Instruments]2.基本原理和类别相控阵技术最初为军用雷达系统开发的电子可控天线，如今已广泛应用于5G、航空航天、卫星通信、汽车雷达，甚至智能基础设施领域。与传统天线不同，相控阵可以通过移相器（Phase Shifter）改变每个单元的电流相位，可以使等相位面发生倾斜，从而改变主瓣的指向。从而在动态环境中实现更快、更精确的通信。较早的PAA采用机械转向。现代PAA多为电控方式（电子扫描阵列（ESA），现代相控阵天线使用数百甚至数千个天线单元。通过算法调整输入到每个天线元件的相位和幅度。控制阵元间的相位可以让波束朝特定方向移动，而控制振幅则可用实现想要的波束形状并降低旁瓣电平。相控阵的关键技术参数见下表，和普通阵列天线的关键参数类似，涵盖方向图、极化和扫描角度等参数。从波束扫描方式来看，电子扫描阵当中，传统的PESA，Passive electronically scanned phased arrays (PESA)实现使用了独立的衰减器，TR相位移器和其他元件。这种集中式架构将所有元件和基带源连接到一对TR，现代相控阵更倾向于AESA ，Active electronically scanned phased array (AESA拓扑的分布式架构。AESA将单个天线元件及相关的发射功率放大器（PA）、接收低噪声放大器（LNA）、移相器、衰减器和开关集成到一个T / R模块封装中。将基带源直接连接到波束形成器。为每个元件配备发射放大器，使有源相控阵天线能够在空间上合并发射机输出功率，并许发射机输出功率的空间组合，使总功率相较单个T/R模块显著提升。此外，这种模块化方法使电子元件能够紧密地放置在单个元件上，显著减少信号损耗。但AESA的性能优势伴随着开发复杂性和成本的增加。T/R模块在相控阵的射频性能中至关重要。LNA和PA作为接收路径的初始阶段和发射路径的最后阶段。利用LNA的噪声系数和增益测量数据优化接收灵敏度。同样会根据PA失真优化传输的线性和效率。在接收信号的时候，LNA确定系统链路预算、噪声系数以及T/R模块的最小可检测信号。公式1为Friis公式——总接收机噪声因子（FTotal）考虑了每级的噪声因子FN和增益GN，第一级放大级F1的噪声系数决定了整体接收机的最小噪声系数：失真会影响发射机路径的性能，尤其是功率放大器产生的非线性失真。功率放大器位于天线前的射频链。PA的失真会影响传输信号的质量。除了放大器外，T/R模块内的无源元件也显著提升了相控阵的整体性能。例如，T/R模块发射和接收路径中的移相器和衰减器控制天线波束，并确定相控阵的角精度。T/R模块需要测试才能在相控阵中匹配，但表征它们需要多种不同的测量。由于有源阵列天线包含数千个T/R模块，需要快速测试所有发射和接收参数，并通过与模块的单一连接来制造具有成本效益的相控阵天线。从天线类型来看，相控阵还可以分有源相控阵天线（APAA）和无源相控阵天线（PPAA）。无源相控阵天线（PPAA）这些天线依赖外部放大器和信号处理器。虽然架构比有源相控阵简单，但缺乏灵活性和功耗效率。但在一些对精度要求偏低的领域仍然有所应用。有源相控阵天线（APAA）中天线采用集成的T/R模块，以其快速波束偏转、高可靠性以及对机械部件的独立性著称，实现超低延迟和动态方向性，在国防雷达系统、低地轨道卫星载荷和毫米波5G领域占据主导地位。从应用场景来看，当前国防与雷达仍然是收入最大的应用领域。相控阵在现代火控、监视和电子战系统中至关重要。AESA雷达改装和海军舰艇升级等项目持续推动需求。随着电信（5G及以后）随着毫米波推广的扩展，相控阵正在实现动态波束成形和网络密度化。基站、小型基站和客户端设备（CPE）越来越多地集成紧凑型相控阵模块。卫星通信与航空航天商业卫星运营商正在采用电子导向阵列用于用户终端和在轨有效载荷。航空航天OEM正在将其嵌入民用和国防飞机的多频段通信系统中。汽车雷达这是一个快速发展的细分领域。先进驾驶辅助系统（ADAS）正从机械扫描转向电子扫描——尤其是在3-4级自动驾驶车辆的远程前雷达中。工业与智能基础设施虽然仍在新兴阶段，但港口、机场和监控等领域正在采用小型阵列以实现动态跟踪、周边防御和高速连接。3.相控阵技术发展方向3.1 新材料方向相控阵（Phased Array）技术正处于从“能用”向“极极致性能、极低成本、极致集成”跨越的关键期。虽然 GaN（氮化镓）已经是相控阵的顶梁柱，但随着功率密度的攀升，散热成了瓶颈。新的材料研究方向，已经不再局限于传统的半导体，而是向着热管理、高频损耗控制和柔性形态全方位演进。从材料端看，GaN-on-SiC正逐渐成为有源阵列的标准配置。对更高功率和更高效率的推动使氮化镓（GaN）成为首选材料，GaN-on-SiC（碳化硅）基板具有优异的热性能，尤其是在S波段和X波段雷达以及Ku/Ka波段卫星通信中。在 GaN 技术出现之前，相控阵主要使用砷化镓（GaAs）或硅基横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）。但 GaN-on-SiC 凭借其物理特性实现了超越，首先GaN 的功率密度比 GaAs 高出 5 到 10 倍。这意味着在相同的体积下，GaN 器件能发出更强的信号，或者在相同功率下，天线单元可以做得更小。另外SiC 衬底的导热率极高，能迅速带走高功率运作产生的大量热量，保证器件在高温下不“罢 工”，二期允许器件在高电压下工作，简化了电源管理系统，提高了整体功率附加效率，能够覆盖从 L 波段到 Ka 波段甚至更高的频率，支持多模、多频段工作。在相控阵天线中，GaN-on-SiC 主要用于其中的功率放大器（PA）和低噪声放大器（LNA）。这使得发射端能提供极高的输出功率，显著提升雷达的探测距离和抗干扰能力。在接收端能增强对微弱信号的捕捉能力，同时在高功率环境下具有更好的鲁棒性，不易被敌方强信号烧毁。虽然SiC 衬底的生长非常缓慢且昂贵，导致整体成本远高于传统的硅基工艺，涉及不同材料的热膨胀系数匹配问题，对工艺要求极高。但基于SiC衬底推动3D封装技术（如 SiP），将更多功能集成到单个芯片中。与此同时随着6G和卫星互联网的发展，GaN-on-SiC将在 W 波段等太赫兹边缘领域发挥更大作用。另外，若仍然采用介质基板的形式，传统的FR4损耗过大，验证影响天线的增益。玻璃基板TGV和液晶聚合物（LCP，利用液晶分子的各向异性，通过电压控制其介电常数，从而改变波导中的相位。无源、低功耗、成本极低，非常适合卫星互联网（如 Starlink 类终端）的大规模民用。LCP是一种热塑性聚合物，由排列整齐的分子链构成，具有晶体般的空间规则性。加热至液晶态后，分子中的刚性片段会沿剪切流方向彼此排列。即使冷却至熔点以下，这种结构仍然保持不变。这种材料的均匀结构赋予其独特的电学性能以及优异的机械和化学性能。图片来源：Liquid Crystal Polymer: Enabling Next Generation Conformal and Multilayer Electronics，Nickolas Kingsley, Auriga Measurement Systems，2008。需要注意的是，LCP是一种聚合物。它永远不会像陶瓷那样具有气密性，也不会像硅那样具有耐热性。LCP的目的并非完全取代任何传统材料，例如 FR4、Duroid、LTCC 或氧化铝，但在许多应用中，LCP 具有明显的优势。当工作频率超过 X 波段时，许多传统材料的损耗过大而无法使用。LCP 没有这个限制。如果应用需要柔性或可形变电子器件，LCP 是理想的选择。当需要最大限度地减小尺寸并采用多层结构时，LCP 作为基板和封装材料的组合，就变得非常有吸引力。LCP 结合了目前几乎所有常用微波材料的最佳特性。其电气性能可与聚四氟乙烯 (PTFE) 相媲美，但加工起来却像 Duroid 一样简便。其多层制造能力可与低温共烧陶瓷 (LTCC) 相媲美，但却能保持像纸一样柔软。它可以薄至1 mil，也可以挤压成任何尺寸和形状。也可以作为基板、覆盖层和封装材料使用，但其成本并不比 FR4 高多少。使用 LCP 的几个主要优势如下：宽频率范围：研究表明，LCP 在直流到 110 GHz 的频率范围内具有低损耗（损耗角正切小于 0.004）和介电稳定性。1 这种宽频率范围使 LCP 几乎适用于所有应用。可塑性：薄膜形式的 LCP 像纸一样柔软，如图 2 所示，其中无源微波器件和 MEMS 开关嵌入在封装中。只有共面波导探针焊盘可见。它可以成型为任何形状，并且可以层压到几乎任何表面上。这种材料也可以进行挤压和模塑成型。低介电常数：LCP 的介电常数约为 3，这在电气性能方面对封装非常有利。使用低介电常数的覆盖层几乎不需要额外的设计考虑。而使用高介电常数材料（例如硅）进行封装会显著改变阻抗，因此必须加以考虑。2重量轻：LCP 的密度为 1.4 g/cm³，比硅轻 40%，比氧化铝轻 65%，比 FR4 轻近 30%。航空航天应用非常青睐轻质材料。耐辐射：LCP 能够抵抗辐射的有害影响。这对于航天应用非常有利。厚度多样性：LCP 可以制成薄至 1 mil，也可以根据需要制成任何厚度。这对于天线应用来说是理想的选择，因为基板厚度取决于宽带宽和低剖面之间的权衡。3低熔点：LCP 粘合层在大约 290°C 时熔化。只要器件能够承受短时间暴露在熔点温度下，就可以采用嵌入式结构的多层技术。高介电强度：LCP 的介电强度约为 550 V/mil，使其适用于高压和高功率器件。易于加工：LCP 可以像其他材料一样在洁净室中进行加工。它易于进行激光切割或等离子体处理。它也可以进行钻孔和机械加工。低成本：随着技术的成熟，制造成本将会降低。3.2 AI波束控制与自动校准在现代相控阵天线（AESA）中，AI波束控制与自动校准是实现“软件定义雷达”和“超大规模多输入多输出（Massive MIMO）”的关键。随着阵列规模向数千甚至上万个单元发展，传统的基于查表的静态控制和人工校准已无法满足复杂环境下的需求。AI 的介入让天线从“执行器”变成了“感知器”。AI开始发挥真正作用不是硬件层面，而是相控阵在现场的运作方式。即使在变化的环境中，先进的波束成形器现在利用实时反馈环路优化波束宽度、偏转角度和增益，如在高密度城市地区的5G基站使用AI模型来避免干扰，动态分配波束给移动用户，并适应雨衰减或视距中断。传统的波束控制依赖于复杂的数学模型（如传统的数字下变频和相位加权计算）。而 AI，特别是深度学习（DL）和强化学习（RL），通过训练神经网络来直接预测最佳的幅度/相位加权。AI 能够实时识别干扰源的特征，并在天线方向图中精确产生“零点（Nulls）”来抵消干扰信号，其精度远高于传统算法。在 5G/6G 或多目标雷达中，AI 可以根据当前的信道状态信息（CSI），自动分配波束资源，使阵列在功耗最低的情况下获得最大的系统容量。传统的波束赋形公式为： AI 的任务是：在给定目标位置 θ 和干扰分布的情况下，直接输出最优的复权重向量 Wn。在动态和对抗环境下，波束控制需要兼顾速度（纳秒级响应）和精度（抗干扰能力）。深度强化学习 (Deep Reinforcement Learning, DRL) 主要采用 DDPG (深度确定性策略梯度) 或 TD3 (双延迟深度确定性策略梯度) 算法。将天线的权重配置视为“动作（Action）”，将收到的信号信噪比或干扰抑制比视为“奖励（Reward）”。AI在与环境的博弈中自动寻找最佳波束方向，特别擅长高速移动目标（如 UAV、低轨卫星）的波束跟踪。Enyu Zhang Yansheng Zhang,Hongdong Zhao,Song lu,a deep learning-based adaptive beamforming algorithm for uniform circular arrays,January 2026,International Journal of microwave and wireless.相控阵天线的自动校准（Automatic Calibration）是确保雷达或通信系统能够精准指向、降低旁瓣并维持高性能的核心技术。由于成千上万个发射/接收（T/R）组件存在制造公差，且在运行中会受到温度变化、硬件老化和互耦合的影响，必须通过自动校准来实时补偿这些误差。因此对通道间的制造差异、温度波动导致的相位漂移、硬件老化以及单元失效的问题分析，将来AI驱动的自动校准不再依赖于昂贵的微波暗室测试，而是通过在线闭环监控实现：阵列内部嵌入传感器监控各通道的电流和温度。AI模型通过预训练，能够根据当前的温度和工作频率，实时预测并补偿每个单元的相位偏差（误差通常可控制在1° 以内）。另外阵列中部分单元损坏时，方向图会发生畸变（旁瓣升高）。AI（如遗传算法或强化学习）可以重新计算剩余正常单元的权重，以牺牲极小增益为代价，“修复”方向图，保持主瓣形状。利用单元间的互耦合信号（Mutual Coupling）作为参考信号，无需外部参考源即可实现阵列的内部自校准。通常AI模式下的自校准如下几个部分，首先是感知层面，系统触发校准模式，传感器监测环境（温度）或校准网络采集各通道的基带 IQ 数据。其次当算法对 IQ 数据进行傅里叶变换或相关性运算，提取出每个通道相对于参考通道的相位偏差 Δφ和幅度偏差 ΔA，将偏差值输入补偿算法，再更新 T/R 组件中的数字移相器（PS）和可变增益放大器（VGA）的控制字。TAREK SALLAM 1 AND AHMED M. ATTIYA "Physics-Informed Deep Learning for 2-D Phased Array Beamforming With Imperfection Tolerance/IEEE ACCESS, 15 January 2026.3.3 混合阵列与数字波束成形架构当前的相控阵系统正在从模拟波束成形向全数字或混合数字阵列的转变。提供更高的灵活性、精度和多束光束能力，随之而来的是能耗增益和成本。但目前方案正在将模拟相位移器与低功耗ADC/DAC链结合，提供满可扩展混合阵列。这种方法 正在航空航天和5G基础设施中应用，既能跟踪目标又保持通信链路。波束成形是一种用于无线通信系统的信号处理技术。在无线通信系统中，波束成形用于提升信号质量并提高数据传输速率。通过将信号的传输和接收引导到特定用户或地点，可以减少干扰并提升信噪比。这在干扰较大的环境中尤其有用，比如城市区域。通常的架构可根据不同特性和设计阵元细分为不同类别，如硬件（电路）实现架构、馈线系统、几何排列以及无线通信系统的具体需求；这里着重介绍数字波束成形和混合阵列架构。在数字波束形成中，收发器为每个天线专用一条射频链，如图2所示。每个天线元件都配备了专用的射频链，以及独立的DAC和ADC。每个空间采样的增益和相位在基带处理过程中会单独调整，可能是在发射机进行上变频前，或在接收端下变频后进行。在接收端，数字波束成形涉及将接收到的射频信号转换为较低频率。随后，信号被数字化并由数字信号处理器（DSP）处理，以确定每个天线元件的最佳相位偏移。信号或多束波束通过数字移相器生成。在该架构中，相位移值在信号传输前就被加载到信号上，以实现所需的波束方向。根据移相器在射频链中的位置，模拟波束成形结构分为三个子类：射频波束成形RF path beamforming、LO波束成形, LO path beamforming,和中频波束成形IF path beamforming。Block diagram of (a) RF-Path beamformer, (b) IF-Path beamformer, (c) LO-Path beamformerSaeedeh Makhsuci, Leila Sharara, Mihai Sanduleanu and Mohammed Is mail， Advanced Phased Array Transceivers for Enabling NextGeneration 5G Communication ，Journal of Electronics and Electrical EngineeringNetworks，2023A、RF-Path beamformer,：射频设计是一种流行的技术，因其高效地减少了阵元需求。涉及高频相位移，导致元件更小，尺寸更紧凑。主要优势在于通过选择性减少通过多个天线元件接收信号的干扰，从而对不需要的信号进行空间滤波。这些元件分析来自不同方向的信号，并将它们组合起来，增强期望信号，同时抑制不需要信号，从而提升无线通信质量。然而，也存在缺点，尤其是相位移器在信号路径中放置于组合前，导致增益衰减和噪声系数（NF）增加，如上图a所示。这使得相位移器的性能对整体系统效能至关重要。B、IF-Path beamformer：IF相位移架构涉及在上转换前或下转换阶段后发生相位移，如图b所示。这些方法工作频率较低，需求较小。然而，整体电路拓扑变得更加复杂。阵列中的每个天线都需要一个频率转换级，增加了中频相位移架构的复杂性。选择射频、中频、混合和模拟波束成形拓扑取决于应用、系统复杂度、成本和期望性能等因素。C、LO-Path beamformer：LO路径波束形成在混频前在LO路径中集成相位移器，将主信号束引导至特定位置，如图c所示。调谐过程中LO相位移器的增益变化不会影响射频路径的信噪失真比（SNDR），保持输出信号质量，这是提升系统增益性能的重要优势。然而，这种方法增加了元件数量，从而提高了功耗。可能增加成本并缩短电池寿命。混合波束成形混合波束成形采用双级架构，结合了模拟和数字波束成形技术的优势，旨在实现最高可达的数据速率。在此框架下，最初的预编码发生在模拟域，随后在数字领域进行进一步处理。因此，混合波束成形架构在复杂性与灵活性之间取得了平衡，在模拟领域提供带有相位移器的精确波束，同时保留数字域的灵活性。在这种先进拓扑中，射频链和ADC/DAC的数量少于天线元件数量，而天线元件仍由模拟相位移器驱动。数据转换器及相应链数量的减少带来了硬件实现的复杂度降低、成本降低、计算负载降低以及功耗降低。3.4 开放标准与软件定义平台早期的相控阵天线软件或接口基本都被生产厂家锁定，同时一些电信和国防机构正在推动开放接口标准，允许模块化升级和平台重复使用，将天线硬件与控制软件分离。部分公司甚至推出了软件定义的相控阵套件，配备可编程API和远程校准功能。因此相控阵已经不再只是硬件了。朝着可编程、自适应，并深度集成到网络系统中的方向发展。3.5相控阵OTA测试随着相控阵技术向高度集成化的有源扫描阵列（AESA）演进，天线单元与发射/接收（T/R）组件（如功率放大器PA、低噪声放大器LNA）被集成在单一封装内，通常不再提供传统的射频测试端口 。因此，测试必须通过空口（OTA, Over-the-Air）方式进行。不同的测试方案如下图，其中紧缩场形式较为常见，对于毫米波频段，直接远场可能需要几十米的距离，而 CATR 可以在 3-5 米的暗室内实现等效效果。由于物理距离短，信号在空中的衰减比长距离远场测试要小得多，信噪比（SNR）更高。主流方案里的设备包括矢量网络分析仪 (VNA)、矢量信号发生器 (VSG)、紧凑型天线测试范围 (CATR) 和多个仪器软件应用程序在内的单个测试平台可进行测量，同时简化校准和测试设置。VSG以高载波频率提供所需的宽带调制信号，而高速数字控制则与相控阵相连接。可编程仪器标准指令（SCPI）解析器将波束成形电路集成到测试系统中。VNA与CATR和硬件在环测试方法相结合，通过应用矢量误差校正和先进的校准方法提供必要的测量精度。VNA 软件应用实现了增益压缩、增益-噪声-温度（G/T）和低残余误差矢量幅度（EVM）测量。集成商如Keysight、Rohde & Schwarz，ETS-LINDGREN等均有配套的OTA测试方案；例如Keysight的凑型天线测试系统 (CATR) 解决方案，采用模块化设计，提供 30 厘米和 40 厘米的静区直径，工作频率范围为 6-110 GHz，可用于全面一致性测试、杂散辐射测试和天线设计测试；天线方向图测量计算方向性、效率、增益、波束宽度和旁瓣电平等指标。同时通过使用 CATR 的双线性极化馈源天线进行正交测量，可输出圆极化和椭圆极化的计算结果。4 总结总之快速扩展5G/6G，毫米波和亚太赫兹频谱的全球扩展，带来了对高性价比波束成形天线的巨大需求，尤其是在城市微基站和专用5G网络中。在自动驾驶领域随着3-4级自动驾驶的临近，车辆制造商正转向固态相控阵，以获得更远的射程、更高的分辨率和较低的故障率。另外，伴随着国家的宏观规划，商业卫星运营商需要电子可控地面终端以同时跟踪多颗卫星，为平板相控阵在消费级和企业卫星通信领域打开了空间。综上，相控阵的需求会得到进一步明确，同时技术会逐渐趋于智能化。来源：雷达天线站