建投洞察｜藏在太空里的“通信神器”：星载相控阵天线，如何重塑未来卫星架构？

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（来源：中国建投）

• 中国建投子公司——建投华科

• 作者：杜文婧、常亮

• 本文3379字，阅读时间8分钟

当SpaceX的星链用户终端能够以平板天线的形态，在不进行任何物理移动的情况下，在几毫秒内自动追踪天空中时速超过2.7万公里的低轨卫星时，背后支撑这一奇迹的，正是相控阵天线技术。而在今天，这场由终端侧引领的技术革命正在向上延伸，直抵太空段的核心——星载相控阵天线。

过去，卫星被视为孤立的节点，天线仅是信号收发的“喇叭筒”。而在未来，随着手机直连卫星、6G星地融合以及巨型星座的部署，星载相控阵天线正从单一的通信载荷，演变为重新定义卫星平台架构乃至整个产业链价值的核心要素。它不仅关乎链路预算、频谱效率、在轨处理能力，更关乎国家安全战略制高点的争夺。

一

什么是相控阵天线？

相控阵天线是一种通过电子方式控制波束方向，无需物理转动天线即可实现波束的快速扫描、指向和形状调整的先进卫星通信天线系统，具有灵活度高、扫描角域宽、可靠性高等优点。

相控阵天线由天线阵面、射频组件、射频网络、电源、波束控制板以及结构件等构成，其核心原理在于：通过控制每个天线单元发射或接收信号的相位差，使电磁波在特定方向上形成干涉增强，而在其他方向上相互抵消，从而在不移动天线物理结构的情况下，实现波束指向的快速变化。

相控阵天线原理示意图

资料来源：搜狐网，国信证券经济研究所

在卫星通信系统中，天线的作用是完成电磁波信号与电信号之间的转换。但相控阵天线所做的远不止于此，它至少扮演着三个关键角色：

其一，波束灵活指向。低轨卫星以每秒数公里的速度划过天空，一颗卫星从地平线升起到落入地平线通常只有10到20分钟。如果采用传统机械天线，需要复杂的伺服系统不断调整朝向才能跟踪卫星，而相控阵天线通过电子方式即可在微秒级时间内完成波束指向切换，波束切换时间小于3微秒，指向精度可达±0.03°，远超传统机械天线的±0.3°。这种“电扫描”方式使得卫星与地面终端之间能够建立持续、稳定的通信链路。

其二，多波束同时工作。一颗卫星可以同时产生多个独立波束，分别指向不同地面区域或不同用户，这极大提升了卫星的频谱利用率和系统容量。

典型的多波束相控阵天线能够同时支持数十个甚至上百个独立波束，每个波束都可以独立控制形状和指向。这意味着同一颗卫星可以同时为城市、海洋、飞机等不同区域的用户提供服务，实现真正的“空天地一体化”覆盖。

其三，波束赋形与自适应调零。相控阵天线可以根据地面用户分布情况，动态调整波束的形状和能量分布，将信号功率集中到需要覆盖的区域，避免能量浪费。更关键的是，当遇到干扰源时，相控阵天线可以在干扰方向上形成“零陷”，有效抑制干扰信号，这一特性在复杂电磁环境下尤为重要。

二

星载相控阵天线与传统卫星天线有何本质区别？

星载相控阵天线与传统卫星天线的差异，远不止“有没有转动部件”这么简单。从技术本质上看，这是两代技术范式的根本分野。

传统卫星天线主要有两类：抛物面天线（俗称“锅盖”）和螺旋天线。抛物面天线依靠物理反射面将球面波转化为定向波束，波束指向由天线朝向决定，要改变指向只能靠机械转动。

这种“机械扫描”方式存在天然短板：转动速度慢、切换波束需2-15秒，指向精度在±0.3°左右、精度差，有机械磨损，无法同时生成多个波束。

而相控阵天线实现了从“物理转动”到“电子扫描”的范式跃迁。波束切换时间从秒级骤降至微秒级，指向精度提升一个数量级，模块化设计消除了单点故障风险，可靠性大幅提升，还能同时生成多个波束服务不同用户。

这种差异对于低轨卫星星座尤为关键。低轨卫星相对地面终端角速度极快，当一颗卫星即将离开视野时，终端需要在毫秒级时间内将连接切换到另一颗卫星。

采用传统机械天线的系统很难在不造成通信中断的情况下完成这种“握手交接”，而相控阵天线凭借其电子扫描能力可以轻松应对。可以说，没有相控阵天线，就没有真正意义上的低轨卫星互联网。

三

星载相控阵天线的分类与技术路线

根据技术架构，星载相控阵天线主要分为无源相控阵和有源相控阵两大类。

无源相控阵（PESA）采用集中式发射机，通过馈电网络将功率分配到各个天线单元，每个单元配置移相器来控制相位。其优点是结构相对简单、成本较低，但缺点也很明显——发射机一旦失效，整个天线系统瘫痪；同时馈电网络损耗较大，在大功率应用中效率不高。

有源相控阵（AESA）则是在每个天线单元或每个子阵后端都配备独立的收发组件（T/R组件），包括功率放大器、低噪声放大器、移相器、衰减器等。这使得每个单元都能独立发射和接收信号，系统可靠性大幅提升——即使部分T/R组件损坏，天线仍能正常工作。

有源相控阵的另一个优势是效率高、噪声低，尤其适合卫星这样的功率受限平台。目前，有源相控阵已成为新一代卫星平台的主流选择。

有源相控阵天线实拍图

资料来源：商业卫星与军民融合，国信证券经济研究所

在技术演进方向上，星载相控阵天线正朝着数字化和集成化的方向发展：

数字化：传统的模拟相控阵在波束形成过程中使用模拟移相器，而数字波束形成（DBF）技术则在数字域完成幅度和相位加权，能够同时生成更多独立波束，具备更强的抗干扰能力和更高的灵活性。面向低轨的手机直连通信卫星已被要求采用全数字相控阵天线技术，波束数量不少于16个。

集成化：通过系统级封装等先进封装技术，将射频芯片、天线单元、控制电路等高度集成，大幅减小体积和重量。这类技术的成熟正推动相控阵天线从“高端定制”走向“批量生产”。

四

星载相控阵天线的战略意义

星载相控阵天线之所以被称为产业链上的“明珠”，不仅因为其技术含量高，更因为它在整个卫星产业中处于“承上启下”的关键位置。

对单星而言，相控阵天线的性能直接决定了卫星的通信能力。无论是星地链路的速率、覆盖范围，还是星间链路的稳定性和带宽，都取决于相控阵天线。

手机直连卫星这一新兴应用场景，更是对星载相控阵天线提出了极高要求——为适应存量手机的弱信号收发能力，星上需要配置超大规模相控阵天线阵列，如AST SpaceMobile的Bluebird-6卫星，其相控阵天线展开面积达223平方米。

我国商业卫星龙头企业银河航天正在研制的下一代通信卫星，将把“太阳翼和相控阵天线一体化”，展开后是一个超过100平方米的相控阵天线，可以实现卫星和手机直连的宽带通信。相控阵天线已经成为决定系统成败的关键。

银河航天“翼阵合一”卫星在轨模拟图

资料来源：银河航天公众号

对星座而言，相控阵天线的成本和质量直接影响星座的商业可行性。单颗卫星的成本中，通信载荷（尤其是相控阵天线分系统）占据相当比例。在低轨星座大规模组网背景下，相控阵天线需要从“手工打造”走向“批量生产”，从“高成本定制”走向“低成本标准化”。这既是技术挑战，也是产业机遇。

对国家而言，相控阵技术是太空博弈的核心筹码。星载相控阵天线不仅用于民用通信，也广泛应用于遥感、导航增强、侦察等军事领域，是典型的“军民两用”关键技术。当前，全球相控阵技术仍以美国和欧洲领先，中国则发展迅速，已形成以航天军工院所为主导、优秀民营企业快速切入的产业链格局。

五

星载相控阵天线的市场规模与产业前景

星载相控阵天线正迎来前所未有的市场机遇。全球范围内，低轨卫星星座竞赛白热化，SpaceX星链的在轨卫星数量已突破1万颗，全球用户超1000万；亚马逊Kuiper、欧洲OneWeb等紧随其后。

中国星网星座计划发射约1.3万颗卫星，“G60”千帆星座计划发射约1.5万颗卫星，这些卫星大部分都将采用有源相控阵天线作为核心通信载荷。

根据国信证券经济研究所数据，分拆单星成本来看，卫星平台与卫星载荷的成本初始占比大致持平，商业化后卫星载荷成本占比将提升至70-80%。预计到2030年，卫星载荷的市场空间将达到约569亿元，2025年至2030年CAGR为71.0%。

进一步拆分通信卫星载荷中，主要由相控阵天线、激光通信终端等构成。其中相控阵天线价值量在卫星载荷中占比约54%，预计到2030年，相控阵天线的市场空间将达307亿元。

从某种意义上说，卫星通信的技术史，就是一部天线技术不断进化的历史。从最初的简单偶极子天线，到抛物面天线，再到如今的相控阵天线，每一次天线技术的跃迁，都带来卫星通信能力的指数级提升。

相控阵天线之所以成为卫星产业链上的“明珠”，不仅在于它凝聚了微波技术、半导体工艺、材料科学等多个领域的最前沿成果，更在于它是连接“天上的卫星”与“地上的用户”的关键桥梁。在低轨卫星互联网加速落地的今天，谁掌握了先进的相控阵技术，谁就掌握了太空通信的主动权。这颗“明珠”的价值，正在被越来越多的国家和企业所认识，而围绕它的技术竞赛与产业布局，才刚刚拉开帷幕。

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