平板天线：为什么我们需要行业合作来促进创新

Joakim Espeland, QuadSAT, Odense N, Denmark

我最近参加了卫星通信创新小组（SIG）和全球卫星运营商协会（GSOA）在2024卫星会议上举行的圆桌会议以及随后的网络研讨会。这两个组织正在合作发起一项倡议，旨在推动平板天线（FPA）的创新，同时不影响至关重要的服务质量。FPA具有许多关键优势，是实现下一代卫星通信的关键。它们重量轻，能够实现瞬时波束转向，非常适合位置不断变化的移动通信。同时，这些天线的高可靠性和低延迟对于低地球轨道（LEO）和多轨道环境都非常重要。然而，目前阻碍创新的一些挑战亟待解决。有一点很清楚，那就是，没有合作，整个行业就不可能实现这一目标，QuadSAT 期待成为这一联合项目不可或缺的一部分。

当前市场动态

虽然卫星行业仍然主要关注抛物面天线，但 FPA 的数量却在大幅增长。在最近的一次网络研讨会上，与会者指出全球有 196 家 FPA 制造商。NSR 最近的一份报告¹ 也证实了这一点，该报告称 FPA 市场将在未来几年内大幅增长。虽然移动、政府和军事领域是主要的收入增长点，但用于宽带的低成本终端也有可能带来收入的大幅增长。

当然，我们已经看到这些系统在运行中被广泛采用。例如，已有数千套系统投入使用，特别是在航空公司和船只上。这些环境需要与多颗卫星的多重链接，而 FPA 是实现这一目标的唯一途径，因此 FPA 不仅是理想的选择，事实上也是一种必需品。

尽管如此，制造商之间的质量差异很大，而且我们看到越来越多的产品投入使用。这一挑战再加上在轨卫星数量的惊人增长（据一些公开数据估计，到本十年末，在轨卫星将达到 65000 颗），问题只会越来越严重。与此同时，制造商也面临着巨大的成本压力，因为客户期待低成本的系统。虽然大多数制造商最终都在努力提供最可靠、拥有成本最低的系统，但由于缺乏监管要求，要做到这一点可能很复杂，甚至更难证明。

与此同时，许多非地球同步轨道卫星运营商也在制造他们的 FPA，以满足他们自己非常具体的要求。与此同时，天线制造商需要根据不同运营商的多种要求设计天线，而这些要求目前都不是特别明确。由于这些天线的使用情况各不相同，每种情况的要求和期望也大相径庭，这就使问题变得更加复杂。随着应用的增加，这将变得更加复杂。

测试和认证FPA的复杂性

如上所述，由于没有机械部件，FPA 外形小巧，可靠性高，延迟时间比抛物面天线低得多。所有这些，再加上创建多波束的能力，都是低地轨道和多轨道环境所必须的。但它们也有一些缺点，主要是效率通常较低，因为射频分配网络损耗较大。但可以通过单个元件的可寻址性以及内置在元件背面的电子元件来缓解部分缺点。此外，它们还引入了许多技术挑战，使操作更加复杂，测试更加复杂。例如，当扫描天线方向图偏离其正常轴线时，增益会以扫描角度的余弦值下降。这意味着您可能会损失多达 15 dB 的增益，并增加波束宽度，从而可能造成干扰。

这些挑战使得测试比以往任何时候都更加重要。然而，这并不像看起来那么容易，主要原因如下。

现有测试方法无法适应FPA

目前的测试设施是为碟形天线建造的，只有一个波束和波束状态。FPA 带来了多波束和动态波束状态。与抛物面天线不同，FPA 的辐射方向图会随着转向角的变化而变化。要正确测试它们的性能，需要对整个辐射方向图进行测试，而传统的测试方法既复杂又耗时。

在已建立的测试设施中，测试设置一旦建立，往往就无法更改，这就无法灵活地测试不同类型、不同规格的天线。通常会使用模拟器来代替。然而，模拟器依赖于假设，而不是能够看到被测天线的真实行为。这是一个问题，尤其是考虑到在制造过程中很容易在特定天线上引入误差。

测试错误产生错误数据

卫星运营商和制造商都需要能够依赖所提供的测试数据。如果没有专门的测试程序，就很难提供涵盖各类应用的正确性能信息。如果数据不可信，就会被直接忽略。因此，测试 FPA 需要一种新方法，并证明性能数据是可靠的。

没有标准化方法

SIG 和 GSOA 项目旨在解决的主要问题之一是对标准化方法的需求。之前的卫星运营商最低天线性能（SOMAP）小组在主要卫星运营商之间就性能预期和数据要求达成了共同协议。然而，该协议仅适用于抛物面天线。对于 FPA，不仅没有达成一致的通用方法，而且各个卫星运营商也没有制定指导方针。由于上述挑战，抛物面天线的方法不能简单用于FPA。

我们为什么需要标准化测试

标准化极为重要，因为没有标准化，就会扼杀创新。制造商需要准则，因为没有准则，就很难开发出适合市场的新系统。没有创新，就很难在不知道预期结果的情况下突破界限。缺乏标准也会增加新进入者的门槛，因为要了解他们如何适应市场并确保兼容性具有挑战性。在这个世界上，卫星通信不仅面临着内部竞争，还面临着来自其他技术的外部竞争，因此该行业需要确保自己不会因为缺乏标准而落后。

由于缺乏指导，每个人都在黑暗中工作。由于对需要提供哪些数据没有真正的指导，制造商往往发现自己提供的数据超出了需要。这对任何一方来说都不理想，因为卫星运营商为了获得认证天线所需的信息，需要浏览太多的数据。这使得整个测试和认证过程的效率大大降低，对参与其中的每个人来说都是不应该的。

如何实现？

FPA 的标准化方法需要整个行业的参与。单靠一个人、一家公司甚至一个团体是无法解决这个问题的。我们需要向前迈进，一旦行业达成一致，我们就应争取让监管组织在任何指南和/或标准上盖章。

这将是一项艰巨的任务，需要制定明确职责的里程碑。例如，天线制造商可以提出和概述他们认为应该提供的性能指标，并强调哪些是现实的，哪些是不现实的。测试解决方案和服务提供商（如 QuadSAT）需要提出测试 FPA 的新方法，以更好地应对其复杂性。QuadSAT 已利用其无人机技术完成了一系列测试方案，这些方案能够更好地全面了解被测天线。

当然，可能还有其他解决方案。如果我们共同提出可行的方法，就可以将其纳入指南中，以确保正确的方法用于正确的天线类型和应用。当然，卫星运营商是解决这一难题中极为重要的一部分，因为他们最终需要定义和批准任何适用于其网络的建议程序、方法和性能指标。

参考资料（略，见英文原文）

注：本文用软件翻译经人工快速校对，仅供参考，请以英文原文为准：https://www.microwavejournal.com/articles/42601