卫星相控阵天线应用空间打开

证券研究报告|行业动态报告 2023年11月05日 卫星相控阵天线应用空间打开 评级及分析师信息 行业评级：推荐行业走势图 国防军工沪深300 15% 8%2% -5% -12%-18% 2022/112023/022023/052023/082023/11 分析师：陆洲邮箱：luzhou@hx168.com.cnSACNO：S1120520110001研究助理：林熹邮箱：linxi2@hx168.com.cn 国防军工 ►相控阵天线：星上和地面终端都必备 相对股价% 相控阵天线是指通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位，来改变方向图形状的天线。相控阵天线在卫星通信系统空间段和用户终端都有应用，包括星间数据链通信、北斗卫星导航系统、地面“动中通”通信系统、无人机通信控制系统、地面导航等平台。第三代低轨星载多波束相控阵天线主要工作在Ku和Ka频段，并有望朝着Q/V等更高频方向发展；目前主要采用模拟波束形成技术，但数字波束形成技术是其发展趋势；跳波束覆盖方式逐渐取代固定波束覆盖方式以实现灵活覆盖。 地面终端方面，以往的机械天线类似接收信号的“锅”，很难和低轨卫星进行持续连接。因为卫星在轨道上不停地快速运动，要跟踪快速运转的卫星，并迅速从跟踪一颗卫星切换到另一颗，很难在不造成通信中断的情况下使用单个天线连续跟踪卫星。而相控阵天线则无需机械转动，只通过遥控信号相位，就可以调整信号的方向来对准卫星，并可以实现一副天线支持多颗星同时工作，非常有利于中低轨卫星通信。 ►星网星链两大计划启动，卫星产业链需求大爆发 低轨卫星可以提高信道容量和传输速率，覆盖无基站覆盖区域，是未来发展趋势。随着技术的不断发展，特别是火箭可回收发射技术和微系统技术的出现，先前LEO通信因为不能与地球自转同步带来的种种难题迅速化解，而LEO卫星通信因距离大大缩短、EIRP大大改善、通信链路中的G/T值得到提高，LEO地通信技术出现重要转机。 我国目前主要有两大低轨卫星发射计划，一是GW星网，二是上海政府G60-星链，前者是统筹规划，后者是地方落地的产业集群。两大星座合计计划发射2.5万颗星。目前，卫星互联网技术试验星已成功发射并组网，产业链上下游将迎来需求爆发期。 ►星载T/R组件市场空间达千亿元 根据《卫星通信中相控阵天线的应用及展望》、《星载相控阵天线的技术现状及发展趋势》、《有源相控阵雷达T/R组件技术研究》等文献资料，单星一般需要约300个阵元，有源相控阵每个天线阵元都有独立的T/R组件，即单星需要300个T/R组件。根据国博电子招股书，T/R组件单价在1.35-1.65万元，那么单星T/R组件价值量约400~500万元。据我们估算，星载TR组件未来整体市场空间约为863.71亿元，考虑到替换问题和除GW星网和G60-星链外的我国其他卫星发射计划，星载TR组件高达近千亿价值量，而未来用户终端所需相控阵天线市场将更广阔。 请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 ►相控阵天线有望融入日常生活 相控阵天线尤其适用于高速数据传输和高质量图像接收的场景。随着相控阵产品更加轻量化、成本进一步降低，其将在卫星、无人机、地面通信乃至无人驾驶等军民用领域迸发出巨大价值。未来，相控阵天线有望完美融入人们生活。比如汽车的车顶就可能嵌入相控阵天线，随时与卫星进行通信；甚至在更远的未来，身上穿着的衣服可能就是计算机屏幕，而这样的衣服也很有可能嵌入了相控阵天线，进行信号的收发和探测。 投资建议 轨道资源的稀缺性+高信道容量和传输速率的需求+技术端的突破，决定低轨卫星星座组网的必要性和迫切性，在星网和G60星链两大计划推动下，卫星产业链上下游将迎来需求爆发期。而相控阵天线是促进卫星组网发展的关键部件之一，也是卫星互联网产业链优秀投资赛道之一。 主要受益标的：1、雷电微力 国内毫米波有源相控阵微系统（T/R组件）核心供应商，产品 广泛应用于精确制导、通信数据链、雷达探测等专用领域，也可拓展应用至5G通信基站、车载无人驾驶雷达、商业卫星链路系统、移动终端“动中通”等通用领域。据公司公告及投资者问答平台，公司相继参与多项通信数据链相关毫米波有源相控阵微系统的承研承制，是国内少数能够提供宇航级通信数据链产品的企业之一，某定型产品已经成功应用于多个卫星。 2、铖昌科技 国内相控阵T/R芯片重要供应商，产品已应用于星载、机载、舰载、车载及地面相控阵雷达等多种型号装备中，星载相控阵T/R芯片系列产品在某系列卫星中实现了大规模应用，提升了卫星雷达系统的整体性能，达到了国际先进水平。 3、臻镭科技 军用射频芯片领军企业，主要产品包括射频收发芯片及高速高精度ADC/DAC芯片、终端射频前端芯片、电源管理芯片、微系统及模组等。产品适配性强，下游覆盖面广，可应用于无线通信终端、新一代电台、高速跳频宽带数据链、雷达、卫星通信、5G基站等，目前客户主要是航天两大集团。民用市场拓展方向主要是移动通信系统和卫星互联网等。 此外，鸿远电子、北斗星通也给低轨卫星有部分配套和产品交付。 风险提示 低轨卫星建设节奏不及预期、市场竞争加剧的风险，相控阵天线技术研制风险等。 备注：华西证券股份有限公司子公司华西金智管理的泸州华西金智银聚股权投资基金合伙企业（有限合伙）持有雷电微力股份占比为2.51%。 正文目录 1.相控阵天线：多波束、高速度、低成本4 1.1.相控阵天线是什么4 1.2.相控阵天线的原理与优势5 2.空间段和用户终端均需配置，相控阵天线作用关键6 2.1.空间段：卫星数据链核心部件，实现目标跟踪功能6 2.2.用户终端：实现抗干扰、多星信号灵活接收等功能9 3.卫星需求大爆发，星载T/R组件开启千亿元市场10 3.1星网星链两大计划推动，卫星产业链需求大爆发10 3.2星载T/R组件市场空间达千亿元11 4.投资建议12 5.风险提示12 图表目录 图1相控阵雷达的天线4 图2无源相控阵和有源相控阵结构图5 图3相控阵天线系统的基本组成5 图4相控阵雷达原理图（无源）5 图5星载多波束相控阵天线的发展历程7 图6铱星MMA天线示意图7 图7铱星MMA天线波束覆盖示意图7 图8第二代Globalstar的星载天线8 图9Starlink星载相控阵天线8 图10OneWeb用户链路覆盖图9 图11OneWeb用户链路天线9 图12鸿雁首发星9 图13中国电科的相控阵天线10 图14Isotropic天线效果图10 图15卫星轨道示意图11 图16卫星互联网实验星发射画面11 表1传统机械天线与相控阵天线的对比6 表2星载T/R组件价值量估算表12 1.相控阵天线：多波束、高速度、低成本 1.1.相控阵天线是什么 相控阵天线指的是，通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位，来改变方向图形状的天线。控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。传统雷达依靠360度旋转来扫描目标，而相控阵雷达与它的区别是，绝大多数相控阵雷达都是不动的，相控阵雷达的天线由无数个小单元天线组成，这些小单元天线叫做“阵元”，对于有源相控阵雷达来说，每一个阵元都是独立控制的，它们既能独立发射雷达波，也能接收雷达波的回波信号。 与传统天线比，相控阵天线具备扫描速度高的最大优势。用机械方法旋转天线惯性大、速度慢，相控阵天线则克服了这一缺点，波束的扫描速度很高。它的馈电相位一般用电子计算机控制，相位变化速度很快（毫秒量级），天线方向图最大值指向或其他参数的变化迅速。这是相控阵天线的最大优势。 图1相控阵雷达的天线 资料来源：力学科普，华西证券研究所 相控阵天线可以分为无源相控阵天线和有源相控阵天线。无源相控阵天线所有的阵元共用一个发射/接收（Transmit/Receive，T/R）单元，结构和功能简单。无源相控阵天线表面的阵元只有改变信号相位的能力而没有发射信号的能力，信号的产生需要依靠天线后方的信号产生器，然后利用波导管将产生的信号送到放大器上，再传送到阵列单元上面，接收时则反向而行。 有源相控阵每个天线阵元都有独立的T/R组件，且采用微波集成的方法，可实现设备小型化。有源相控阵的每个天线阵元都有一个独立的T/R组件，每个T/R组件都包含一个移相器和放大器，通过调整从每个天线阵元发射信号的相位和幅度来形成波束，可以同时在多个频率上以不同方向形成多个波束，整个过程都是电子控制完成。相较于无源相控阵天线，有源相控阵天线的优点是使用微波集成的方法，将移相器、滤波器、衰减器、功放和低噪放等集成在芯片中，实现了设备的小型化、轻型化，波束指向精度较高且具备一定的波束旁瓣抑制能力。 相控阵天线系统的主要组成部分包括:天线单元及阵面、T/R组件、波束形成网络、电源、波控以及结构与热控组件，如图3所示。其中，天线单元的作用是实现射频信号与空间电磁波之间的相互转换，其工作带宽和辐射效率等特性对整个相控阵系统的设计至关重要，因此必须根据系统要求选择合适的天线单元形式。波束形成网络则是用来实现波束扫描时相控阵天线各单元所需的幅度和相位分布，其实现方式直接影响着整个相控阵天线的系统架构。T/R组件是有源相控阵雷达的关键部分，T/R组件的性能会对整个雷达系统的性能有直接和关键性的影响，如雷达发射信号的波束形成、测向精度及系统稳定性等。 图2无源相控阵和有源相控阵结构图图3相控阵天线系统的基本组成 资料来源：《相控阵天线的基本原理及其典型星载应用》，华西证券研究所 资料来源：《超宽带相控阵天线的发展现状及星载应用展望》，华西证券研究所 1.2.相控阵天线的原理与优势 原理上，相控阵天线主要是通过控制每个天线单元的相位差，调整波束的指向角度，从而实现对目标的准确定位、追踪和扫描。相控阵天线通常由大量天线单元组成，这些单元以规则的二维阵列排列。每个天线单元可以独立地调整发射或接收信号的相位。通过适当地控制每个天线单元的相位差，可以使得天线系统在特定方向上形成一个集束，即波束。通过调节相位差，波束的指向角度可以改变，从而实现对目标的准确定向、追踪或扫描。 图4相控阵雷达原理图（无源） 资料来源：力学科普，华西证券研究所 相控阵天线优势包括：（1）多波束成形和快速扫描，相控阵天线可以在一个重复周期内通过转换波束形成多个指向不同的发射波束和接收波束，这些波束可相互独立，且具有快速扫描捷变能力；（2）波束赋形，通过调整相控阵阵列中各单元通道内信号幅度与相位，可改变天线方向图函数或天线波束形状；（3）抗干扰能力强，相控阵天线可集中多个辐射单元的功率形成大功率模式，也可以通过自适应控制能量和主瓣增益向不同方向发射所需能量，从而提高其抗干扰能力；（4）高可靠性，相控阵雷达因为省去了整个天线的机械驱动系统，所以它的可靠性非常高，平均无故障时间远远高于传统雷达。另外，相控阵雷达的思想类似于互联网，某些节点坏了不影响整体功能的使用，数百个或上千个阵元中，就算有百分之十的阵元损坏，相控阵雷达依然可以使用。 表1传统机械天线与相控阵天线的对比 对比项 传统机械天线 相控阵天线 （1）天线效率高，性能好 （1）平板天线只有很少或没有移动部件，不会产生决定天线寿命的移动部件磨损情况 优点 （2）天线的指向角调整范围大，在高纬度地区（低仰角）仍保持与GEO卫星的正常连接 （2）可实现瞬间波束切换和对星，从而实现持续稳定和低时延的通信 （3）天线低轮廓、重量轻、尺寸小，可与载体平面共形， 满足运输通过性要求 缺点 （1）机械转动天线的重量重、尺寸大，应用场景局限于对重量和尺寸要求不高的环境（2）机械转动天线有较多的移动部件，长时间的持续工作容易发生机械故障，并且维护困难 （3）终端天线一次只能连接一个卫星波 束，如果需要跟踪多个卫星，则必须建 （1）扫描范围受限，一般在±60度范围内，对于同步轨道卫星，其增益损失较大，效率较低，但对非同步轨道卫星，其扫描受限问题将消失 （2）极化隔离度问题（3）功耗、温控（4）当前阶段成本高 设多副天线，其切星速度也低 资料来源：《基于