近日，洛克希德·馬丁公司和波爾航空航天公司(Ball Aerospace)宣布已經(jīng)成功完成了多波段、多任務(wù)(MBMM)天線的相控陣傳輸測(cè)試。MBMM有望使多顆衛(wèi)星同時(shí)連接使用多頻率的單相控陣天線系統(tǒng)。它增加了吞吐量，同時(shí)也縮小了天線的占用面積。

這標(biāo)志著美國(guó)太空部隊(duì)MBMM計(jì)劃的又一技術(shù)里程碑，并使團(tuán)隊(duì)向今年晚些時(shí)候的完整的端到端衛(wèi)星通信演示又邁進(jìn)了一步。在此傳輸測(cè)試之前，曾在2月份進(jìn)行過(guò)一次類似的成功接收測(cè)試。

該計(jì)劃于2019年4月由美國(guó)國(guó)防創(chuàng)新部門授予，由三家公司——洛克希德·馬丁公司、波爾航空航天公司和Kratos公司——將作為一個(gè)團(tuán)隊(duì)開發(fā)原型。其特點(diǎn)是采用洛克希德·馬丁公司的“Horizon”高級(jí)衛(wèi)星調(diào)度程序、波爾航空航天公司的子陣列和面板設(shè)計(jì)以及Kratos RT邏輯高級(jí)數(shù)字信號(hào)處理。

也就是說(shuō)，洛克希德·馬丁將開發(fā)實(shí)際原型陣列，最初支持L波段和S波段頻率，Ball Aerospace公司將提供相控陣技術(shù)，Kratos公司將提供信號(hào)處理技術(shù)。此外，該原型使用了一種“構(gòu)建模塊”的方法，可以隨著衛(wèi)星數(shù)量的增加或通信需求的發(fā)展而輕松增加或減少。

如果原型研發(fā)出來(lái)，它可以被納入空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)絡(luò)，用于運(yùn)行和維護(hù)國(guó)防部衛(wèi)星。根據(jù)洛克希德·馬丁公司，新的天線可以同時(shí)支持近地軌道和地球同步軌道上的多顆衛(wèi)星。

MBMM原型相控陣是一項(xiàng)廣泛計(jì)劃的一部分，該計(jì)劃旨在使現(xiàn)有的美國(guó)空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)絡(luò)(AFSCN)系統(tǒng)現(xiàn)代化，并為作戰(zhàn)人員帶來(lái)更快的新技術(shù)。MBMM提高了AFSCN的能力和吞吐量，同時(shí)提高了地面基礎(chǔ)設(shè)施和衛(wèi)星系統(tǒng)的彈性。

AFSCN由美國(guó)太空部隊(duì)的太空操作司令部運(yùn)行，為美國(guó)國(guó)防部和一些非國(guó)防部衛(wèi)星的操作、控制和維護(hù)提供支持，包括持續(xù)執(zhí)行遙測(cè)、跟蹤和指揮(TT&C)操作。此外，AFSCN還提供發(fā)射前檢驗(yàn)和模擬、發(fā)射支持以及在衛(wèi)星處于初始或轉(zhuǎn)移軌道并需要機(jī)動(dòng)到最終軌道時(shí)的早期軌道支持。

“我們很高興能與太空部隊(duì)合作進(jìn)行相控陣技術(shù)演示。”洛克希德·馬丁公司任務(wù)解決方案副總裁兼總經(jīng)理Maria Demaree說(shuō)：“這是一個(gè)協(xié)作團(tuán)隊(duì)，在部署大規(guī)模L-波段和S -波段通信相控陣方面具有良好的領(lǐng)導(dǎo)能力。”“我們將天線集成到指揮和控制(C2)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)是無(wú)與倫比的。”

Demaree還表示，多波段、多任務(wù)天線是“一種更聰明的方式，可以快速、經(jīng)濟(jì)地?cái)U(kuò)大衛(wèi)星傳輸規(guī)模，同時(shí)降低空軍的長(zhǎng)期維護(hù)成本。”“今天，當(dāng)一個(gè)拋物面天線壞了，它可能需要幾天的時(shí)間來(lái)修復(fù)；有了MBMM，只需花費(fèi)數(shù)小時(shí)，而無(wú)需讓整個(gè)站點(diǎn)離線——這是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。”

波爾航空航天公司戰(zhàn)術(shù)解決方案副總裁兼總經(jīng)理Jake Sauer說(shuō)：“波爾航空航天公司的目標(biāo)是投資于核心相控陣技術(shù)，使MBMM能夠滿足太空部隊(duì)的任務(wù)需求，同時(shí)提供一個(gè)負(fù)擔(dān)得起的完整系統(tǒng)解決方案。”“隨著傳輸測(cè)試的成功完成，我們期待著相控陣能力的完整端到端任務(wù)演示。”

7月17日，洛克希德·馬丁公司宣布，國(guó)防創(chuàng)新部門已經(jīng)授予Ball Aerospace公司、Kratos國(guó)防和安全解決方案公司和洛克希德·馬丁公司一份價(jià)值720萬(wàn)美元的聯(lián)合合同，用于開發(fā)這種原型。在此之前，5月30日，哈里斯公司宣布，該公司已從國(guó)防創(chuàng)新部門獲得626萬(wàn)美元，用來(lái)建造并演示一套原型地面天線系統(tǒng)，以幫助擴(kuò)展空軍的空間跟蹤能力。。

相控陣天線

相控陣天線是一種陣列天線，它的單個(gè)輻射片可以有不同的相位偏移。因此，通用的天線圖案可以被電子控制。電子轉(zhuǎn)向比天線的機(jī)械轉(zhuǎn)向靈活得多，需要較少的維護(hù)。

相控陣天線的原理是基于干擾的影響，即兩個(gè)或(通常)幾個(gè)輻射源的相位相關(guān)疊加。可以觀察到同相位信號(hào)(下圖中同色)相互放大，反相位信號(hào)相互抵消。因此，如果兩個(gè)輻射體以相同的相移發(fā)射一個(gè)信號(hào)，就實(shí)現(xiàn)了疊加——信號(hào)在主方向被放大，在次級(jí)方向被衰減。在圖1的左側(cè)輻射器組中，兩個(gè)輻射器的饋入相位相同。因此，信號(hào)在主方向被放大。

如果要傳輸?shù)男盘?hào)現(xiàn)在通過(guò)調(diào)相模塊路由，輻射的方向就可以通過(guò)電子控制。然而，這是不可能無(wú)限期的，因?yàn)檫@種天線的有效性在主方向垂直于天線場(chǎng)是最大的，而主方向的極端傾斜會(huì)增加不必要的旁瓣的數(shù)量和尺寸，同時(shí)減少了有效天線面積。正弦定理可以用來(lái)計(jì)算必要的相移。

在相控陣天線中，任何類型的天線都可以用作輻射器。值得注意的是，單個(gè)輻射器必須用可變的相移來(lái)控制，因此輻射的主要方向可以連續(xù)地改變。為了實(shí)現(xiàn)高指向性，天線領(lǐng)域使用了許多輻射體。例如，RRP-117的天線由1584個(gè)輻射器組成，它們接收到的信號(hào)仍然以模擬方式組合到天線模式。另一方面，更現(xiàn)代的多功能雷達(dá)在接收過(guò)程中使用數(shù)字波束形成。

大量的工業(yè)研究比較了拋物面天線和相控陣的成本，結(jié)果表明，雖然拋物面天線的前期成本較低，但維護(hù)成本卻高得多。于是，在軌商業(yè)和軍事衛(wèi)星的總數(shù)預(yù)計(jì)在未來(lái)十年至少增加4倍，而AFSCN所需的能力預(yù)計(jì)將增加10倍。這種按需增加的能力需要像相控陣這樣的新技術(shù)，相控陣可以同時(shí)連接多個(gè)太空飛行器。與拋物面天線相比，相控陣天線也避免了重大的機(jī)械維護(hù)成本。