研究人员开发了一种设计有源多波束天线的新方法，可能会彻底改变未来6G网络的卫星通信。6G公众号（ID：sixgmobile）了解到最近一项研究“有源多波束天线设计方法及其在未来6G卫星网络中的应用”中详细介绍的这种新方法有望克服超高吞吐量卫星（VHTS）系统中长期存在的挑战，提供更好的覆盖范围和前所未有的数据速率。
解决传统卫星天线的局限性
卫星通信系统正在迅速发展以满足对高速全球连接日益增长的需求。当前的高吞吐量卫星通常采用多波束天线覆盖大面积区域，使用7色频率重用方案。这些系统旨在提供超过500个波束的覆盖，但传统天线设计在实现这一目标方面面临重大障碍。
现有的多波束天线技术主要分为两类：多孔径和无源多馈电系统。多孔径天线由3-4个反射器天线组成，在覆盖范围较大的边缘处，增益会降低，信号失真会增大。无源多馈电系统虽然能够补偿一些边缘波束问题，但当扩展到下一代卫星所需的500多个波束时，就会变得非常复杂。
有源多馈电天线通常用于移动通信卫星，它提供了一些改进，但仍然面临局限性。这些系统通常使用带有多馈电阵列的大型网格反射器来实现高水平波束重叠。然而，它们很难满足VHTS系统的严格要求，特别是在载波干扰比（C/I）和频率重用效率方面。
一种新方法：人工智能驱动的天线优化
为了应对这些挑战，研究人员提出了一种有源多波束天线的新设计方法，其中利用了多目标协作和多馈电幅度和相位加权优化算法。关键创新在于使用人工智能（AI）技术有效解决复杂的非线性优化问题。6G公众号（ID：sixgmobile）了解到该方法涉及八个关键步骤：①创建多波束天线的 GRASP（通用反射天线软件包）模型；②使用Python-GRASP联合模拟波束参数；③构建和训练卷积自动编码器代理模型；④验证模型的拟合度；⑤初始化和调试最大-最小（max-min）算法；⑥计算空间电场采样点的残差值；⑦迭代优化，直到达到性能目标；⑧使用GRASP验证结果。
这种由AI驱动的方法可以快速优化波束激励系数，同时平衡多个性能目标。最终的天线设计在补偿扫描损失方面显示出显著的改进，这是大覆盖区域中的常见问题。
重要性：随着全球向6G时代迈进，卫星通信将在提供全球高速连接方面发挥关键作用。这种新的天线设计方法可以显著提高卫星网络的容量和覆盖范围，有可能实现每秒兆比特（Tbps）级的通信。这些进步对于在全球范围内支持物联网、自动驾驶汽车和智慧城市等新兴技术至关重要。
研究人员应用他们的方法设计了一种基于VHTS技术要求的有源多波束天线。接收天线的孔径为3.2米，焦距为5.8米，而发射天线的孔径为5.0米，焦距为9.0米。
该设计的模拟展示了令人印象深刻的性能指标。该天线实现了超过50dBi的超高增益和近1000个波束中超过18dB的载波干扰比（C/I）。这些数字代表了卫星通信能力的重大飞跃，可能支持Tbps的通信容量。
虽然这些结果很有希望，但仍有几个问题。6G公众号（ID：sixgmobile）了解到包括在卫星平台上实际实施如此复杂的天线系统带来了重大的工程挑战；需要解决诸如功耗、热管理和恶劣太空环境中的长期可靠性等问题；此外，将这种先进的天线技术与现有的卫星通信基础设施和地面系统相结合需要仔细规划，并可能需要大量投资。
随着研究的进展，通过实际测试来验证这些模拟结果将至关重要。从理论模型到功能原型，再到最终运行的卫星系统的转变可能涉及进一步的改进和优化。尽管如此，这种创新的天线设计方法代表了下一代卫星通信系统发展的重要一步，使我们更接近6G时代全球高速连接的现实。
