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行业聚焦|下一代卫星天线的发展状况概览

2017-11-24 / 阅读次数:482

近几年,在固定卫星业务徘徊不前时,以机载、船载、车载为代表的移动应用成为了拉动传统卫星通信领域的新动力,与之相伴相生的动中通天线也出现了很多的新技术和新产品。相控阵天线已出现了多年,波音和Gilat都已经向客户提供了相控阵天线,而Phasor Solutions,Kymeta和C-COM等公司则正在开发基于新技术的创新性的天线系统,以迎接移动卫星通信的新纪元。本文将简要介绍一下上述三个公司在新卫星天线领域的最近进展。

前言

从1950年第一颗人造卫星进入轨道以来,我们一直使用天线进行信号的中转,天线技术虽然一直在发展,但直到最近几年才出现了一些技术上的飞跃。

传统的卫星通信是用抛物面天线实现的,射频波束必须精确地对准卫星以保持连接,对于同步轨道卫星在移动中的应用,地球站天线必须能够快速移动以保持对卫星的指向精度,对于中低轨道卫星通信天线的要求也概莫能外。

这些天线的机械特性不可避免的会带来磨损,从而存在突发机械故障的隐患,这对许多用户来说可能是灾难性的。此外,对于移动应用,传统的抛物面天线往往过于笨重,一些小型移动平台受到承载能力的限制,只能选用口径更小的天线,从而减小了移动平台的数据传输能力。

如今,多家公司正在研究开发替代解决方案,重点聚焦在非机械系统的天线技术上。与传统天线相反,电子天线没有移动部件,真正移动的是波束而非天线本身。这具有多项优势,包括可靠性更高,跟踪更快,轮廓更低、重量更轻等。另外,目前开发的系统可以是平板的或弯曲的,可以更好地适应安装所需的形状,如车辆或飞机顶部的形状。

Kymeta公司——超材料的应用

Kymeta公司是2012年从专利持有公司IntellectualVentures独立出来的,成立的目的是开发基于软件和超材料的电子波束成型天线,并将其研究成果转化为商业应用,比尔盖茨也是该公司的投资人。


Kymeta天线使用超材料形成全息波束,这意味着可以使用软件而不是机械部件来动态地调整天线指向,这也大大降低了天线的功耗。天线使用电子射频波束指向控制,电子极化选择和角度控制,卫星自动识别和跟踪,可以广泛应用于移动通信领域,包括为汽车提供软件更新。

多年来,Kymeta为建立和分销其mTenna技术与多个行业的领军企业立了合作伙伴关系,包括丰田、松下、空中客车防御与空间公司、夏普、Intellian、Intelsat、Inmarsat、O3b等。

2016年3月,Kymeta和Intelsat在Intelsat的卫星上成功完成了Kymeta平板天线在海上和汽车应用中的移动性能的初步测试。在汽车测试中,Kymeta的天线被嵌入丰田4Runner的车顶,以证明在8000英里的行驶过程中卫星信号的自动捕获和跟踪能力。迄今为止,该天线的行驶记录已经超过50,000英里,车上的Ku波段天线能够同时发射和接收卫星信号。Kymeta还测试了其首台以两块玻璃间的薄膜晶体管为基础的天线,可通过相同的发射和接收孔径用于海上通信。


2016年10月,Kymeta在摩纳哥游艇展上演示了其mTenna技术,这次演示通过组合两个mTenna子系统模块(ASM)获得了“前所未有的”2.9dB附加增益,还实现了65Mbps下行和6Mbps上行的数据速率。ASM在现场接收了八个松下的eXTV直播频道,同时执行多个Skype视频会话和多个高清和超高清的Netflix视频点播,并在演示期间为平均80位用户提供Wi-Fi访问,每个ASM消耗的功率仅为12W。

Kymeta计划在今年第二季度推出其首款产品,即70厘米的Ku波段mTenna。2017年还将看到Kymeta的天线组合器的推出,该组合器可将多个天线Rx信号组合在一起,以满足容量可扩展的要求。每个组合器单元最多可以连接四个mTenna ASM,每增加一倍的天线,可将Rx增益有效增加高达2.7dB。多个组合器可用于链接多达64个mTenna ASM。此外,天线组合器支持360度的全球覆盖,这意味着组合天线可以在视角极低的南北纬地区实现连接。

Phasor Solutions公司——电调天线

Phasor Solutions最初是为了解决使用低轮廓天线为高速客运列车提供宽带互联网接入的需求。该技术经过几年的演进,已经发展成为一个厚度小于1英寸的平板电调天线,可适用于航空、海上和陆地的移动应用。

Phasor的技术使用具有电子波束成型功能的专用集成电路(ASIC)微芯片。这些芯片与非常小的贴片天线组合组成一个单元,超过500个单元分布在经过射频优化的面板上,构成了Phasor核心模块的基础。核心模块可以组合成各种尺寸和配置来构建Phasor的相控阵天线,拥有前所未有扩展能力。Phasor独特的设计将能够生产出形状适应性强,高度只有1~2英寸的天线,具备重量轻、面积小、精度高等特点,并且能够以非常高的增益提供超过100Mbps的宽带速度。


Phasor已经引入了多个合作伙伴,2014年,OmniAccess被选为超级和大型游艇的独家渠道和开发合作伙伴;2015年,Intelsat与Phasor合作,共同设计和生产超薄相控阵天线用于商业航空市场,并针对Intelsat EpicNG平台进行了优化;2016年3月,Phasor与Harris Caprock达成协议,为商业邮轮市场开发电调天线终端;随后又与Gogo达成协议,开发用于机载通信市场的天线技术。

2016年9月,Phasor公司通过Intelsat 903卫星在英国艾塞克斯的测试站进行了实时高清视频的传输演示。

Phasor花了几个月的时间对其系统的方向图进行了近场和远场的测试,以确保其波束特性符合相应的监管要求。

在完成实验室测试之后,八模块的发射系统被部署到了Phasor的户外测试站点。OmniAccess为测试提供了地面设备及Intelsat903卫星上的带宽,系统成功运行了两个多星期。在测试中,八模块系统实现了2Mbps的上行链路性能,包括在需要快速波束扫描的移动平台上的传输。天线保持了很高的指向精度,可使用高效的调制和编码技术(MODCOD)传输全高清视频流,不需要采用扩频技术,也没有对邻星带来额外的干扰。

由于HTS卫星的性能要大大优于Intelsat 903,因此预计八模块Phasor阵列将能够在HTS卫星上实现超过15Mbps的反向链路。依此类推,一个等效口径为1米(16模块)的天线将能够达到超过60Mbps的数据传送能力。

Phasor计划在今年下半年针对其每个目标市场(航空,海运和陆上移动)正式推出其商用天线产品。

C-COM——相控阵天线

C-COM卫星系统公司成立于1997年,一直生产天线及其配件,其iNetVu天线广泛应用于军事通信、油气勘探、SNG、应急通信和移动基站中继传输等领域。

如今,C-COM正在开发基于模块化设计的相控阵天线,该天线采用先进的软件算法来控制和校准模块。单个天线将包括数百个独立的模块,批量生产的方式将大大降低开发的成本。滑铁卢大学与C-COM合作,发明了一种波束成型校准算法,还能校正诸如老化或环境等外部因素的影响,使天线正常工作。波束形成计算机将负责识别整个系统及每个模块的属性并记录数据。

C-COM希望部署用于固定和移动卫星宽带通信应用的低成本,低重量,低轮廓的Ku、Ka或Ku / Ka双频天线。天线的模块化特性和曲面的适应能力使得其可以适用于汽车、船只、火车、公共汽车和飞机等载体。这一新系统及其对更高的毫米波频段的扩展能力也使其在将来可以在5G及毫米波汽车雷达等电信领域得到应用。

C-COM宣布在2014年与滑铁卢大学合作利用正在申请专利的技术生产下一代移动相控阵天线,这种正在开发的相控阵使用独特的基于电控材料的移相器技术,以快速和平滑的方式改变传播特性和相位,在整个Ka波段范围内没有观察到明显的损失。新概念与大型阵列采用的低成本集成化无源技术完全兼容。该技术的另一个独特特征是其插入损耗与相移几乎完全不相关,这将为完全无源的相控阵列铺平道路。

在2016年5月,C-COM基于其专利移相器技术,成功测试了其首款4x4 Ka波段相控阵列模块。 4x4 Ka波段智能天线模块采用基于创新架构的低成本多层平面电路,具有灵活度高、厚度小、模块化、一致性和适应性强等特点。初步结果令人振奋,即使几个天线元件关闭,模块仍然能够提供可接受的辐射方向图,而不会显着降低性能。

来源:中信卫星

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