牛傳峰，杜 彪，韓國(guó)棟，張文靜，路志勇，劉 昕，張瑞東

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所，石家莊 050081)

0 引言

衛(wèi)星通信具有傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣、受干擾小、容量大、質(zhì)量高、通信方式靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)［1，2］，隨著全球經(jīng)濟(jì)和信息化的高速發(fā)展，越來(lái)越多的信息通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行傳輸，在移動(dòng)載體上隨時(shí)隨地與衛(wèi)星通信，也已成為軍民兩用應(yīng)急通信、實(shí)時(shí)通信的迫切需求。因此，衛(wèi)星通信已經(jīng)成為車(chē)載、船載、機(jī)載等移動(dòng)載體通信的重要手段。而衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一就是天線技術(shù)［3］，故動(dòng)中通天線技術(shù)的研究已成為衛(wèi)星移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

在全球范圍內(nèi)，衛(wèi)星通信的主要工作頻段有UHF頻段、L/S頻段、C頻段、Ku頻段、Ka頻段，但目前赤道同步軌道上Ku頻段同步衛(wèi)星眾多，具有通信容量大、可用轉(zhuǎn)發(fā)器多等優(yōu)點(diǎn)，因此Ku頻段是目前移動(dòng)衛(wèi)星通信的主要應(yīng)用頻段。

動(dòng)中通天線是針對(duì)在快速移動(dòng)中保持衛(wèi)星通信信號(hào)平穩(wěn)不間斷的使用需求而設(shè)計(jì)，能夠在多種惡劣天氣及顛簸路況下使用，可在車(chē)輛快速移動(dòng)中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、不間斷的高速率信息傳輸，充分滿足應(yīng)急通信保障高標(biāo)準(zhǔn)、高可靠性的要求，可廣泛用于新聞采集、應(yīng)急指揮等諸多領(lǐng)域［4，5］。

目前，國(guó)內(nèi)外動(dòng)中通天線主要供應(yīng)商有:美國(guó)的Trackstar、以色列的 RaySat、以色列的 Starling，國(guó)內(nèi)主要研制生產(chǎn)廠家有:中國(guó)電科第54研究所、中國(guó)電科第39研究所、中國(guó)航天704所等。

1 動(dòng)中通天線分類(lèi)及發(fā)展歷程

動(dòng)中通天線的類(lèi)型有很多種，其分類(lèi)方式也各不相同，按照不同的結(jié)構(gòu)形式可分為反射面天線、透鏡天線和陣列天線三種，三種天線典型的照片，如圖1所示。

圖1 三種結(jié)構(gòu)形式的天線照片

動(dòng)中通天線的發(fā)展過(guò)程，首先出現(xiàn)的是高輪廓的圓口徑反射面天線，然后是中輪廓的橢圓波束反射面天線、透鏡天線，最后是低輪廓的透鏡天線、反射面和陣列天線。三種典型的天線照片，如圖2所示。

圖2 三種不同輪廓的天線照片

動(dòng)中通天線的發(fā)展歷程如下。

(1)高輪廓圓口徑反射面天線

高輪廓天線:主要以圓口徑的反射面天線為主，國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研單位及公司已有較為成熟的產(chǎn)品。反射面天線優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)高增益、低旁瓣和低交叉極化性能，缺點(diǎn)是輪廓高。

高輪廓天線產(chǎn)品種類(lèi)非常多，如中國(guó)電科第54研究所研制的船載C頻段3.8 m、7.3 m衛(wèi)星通信動(dòng)中通天線，車(chē)載Ku頻段1.5 m環(huán)焦動(dòng)中通天線;中國(guó)電科第39研究所研制的0.8 m Ku波段環(huán)焦動(dòng)中通天線，0.6 m Ku波段環(huán)焦動(dòng)中通天線等。

(2)中輪廓橢圓反射面天線、透鏡天線

中輪廓天線:主要以橢圓口徑的反射面天線和透鏡天線為主，可以在較低的尺寸下實(shí)現(xiàn)較好的電氣性能。典型產(chǎn)品有2002年，國(guó)內(nèi)研制出了中輪廓的Ku頻段0.55 m、車(chē)載1.2 m橢圓波束環(huán)焦天線;2004年，日本推出了新型天線Lune-Q中輪廓的透鏡天線，用于接收衛(wèi)星電視節(jié)目;2009年，中國(guó)電科第54研究所采用賦形拋物面技術(shù)，研制出了車(chē)載中輪廓Ku頻段0.9 m動(dòng)中通天線。

(3)低輪廓透鏡天線、反射面天線、陣列天線

低輪廓天線主要有透鏡天線、反射面天線、陣列天線三種形式。其突出優(yōu)點(diǎn)是具有輪廓低、機(jī)動(dòng)性好、體積小、易于安裝、重量輕等特點(diǎn)，用于動(dòng)中通時(shí)最大的特色是風(fēng)阻小，適宜高速行駛的載體平臺(tái)應(yīng)用，可用于汽車(chē)、坦克及飛機(jī)等多種應(yīng)用平臺(tái)上。

2005年，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室研制出機(jī)載透鏡陣列天線。2006年，韓國(guó)某公司采用賦形雙反拋物面技術(shù)，研制出了中低輪廓反射面形式的Ku頻段火車(chē)用衛(wèi)星通信天線［6］。

2006～2010年，以色列RaySat公司推出多組平板陣列動(dòng)中通天線，Mijet系列車(chē)載、機(jī)載動(dòng)中通天線產(chǎn)品及E7000單片平板陣列天線等。2007年，美國(guó)TracStar推出寬帶雙向衛(wèi)星通信系統(tǒng)IMVS450M動(dòng)中通天線產(chǎn)品［7］。2010年，中國(guó)電科第54研究所研制出了CTI-CM60-Ku2304型Ku頻段車(chē)載低輪廓0.6 m動(dòng)中通天線。

對(duì)于不同類(lèi)型的動(dòng)中通，性能優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表1。

表1 各種動(dòng)中通天線性能比較

2 低輪廓?jiǎng)又型ㄌ炀€

為適應(yīng)車(chē)載需求，性能優(yōu)良的低輪廓天線是動(dòng)中通天線的一個(gè)非常重要的發(fā)展方向。低輪廓?jiǎng)又型ㄌ炀€按照不同天線類(lèi)型分類(lèi)，可分為:低剖面反射面天線、多組介質(zhì)透鏡天線、平板陣列天線、相控陣天線。

2.1 低剖面反射面天線

圖3 低剖面Ku波段衛(wèi)星通信天線

經(jīng)過(guò)賦形設(shè)計(jì)的拋物面可以實(shí)現(xiàn)低剖面性能，比較有代表性的設(shè)計(jì)產(chǎn)品有:以色列Orbit公司研制的AL-3601、AL-3602型動(dòng)中通天線系統(tǒng)、美國(guó)Trac-Star公司的 IMVS450M 車(chē)載動(dòng)中通天線［8］，天線的產(chǎn)品照片分別如圖3、圖4所示。

圖4 IMVS450M車(chē)載動(dòng)中通天線

AL-3601、AL-3602型動(dòng)中通天線采用雙反射面技術(shù)，分別對(duì)天線副反射面和主反射面進(jìn)行賦形設(shè)計(jì)，降低了天線剖面。天線工作在 Ku頻段，AL-3602型動(dòng)中通天線主要性能指標(biāo)如下。

(1)天線增益:接收 34 dBi，發(fā)射 35.4 dBi;

(2)天線G/T值:13 dB/K;

(3)交叉極化隔離度:＞30 dB;

(4)天線俯仰調(diào)整范圍:35°(15°～50°或 35°～70°);

(5)天線尺寸:Φ1 058 mm×488 mm;

(6)天線重量:96 kg。

IMVS450M型車(chē)載動(dòng)中通天線采用拋物柱面饋源照射另一拋物柱面反射面，通過(guò)拋物柱面的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行俯仰面的波束掃描。IMVS450M型動(dòng)中通天線主要性能指標(biāo)如下。

(1)天線增益:發(fā)射 35.5 dBi，接收 32.5 dBi;

(2)天線 G/T 值:11.5 dB/K(30°仰角);

(3)交叉極化電平:＞20 dB;

(4)俯仰波束覆蓋范圍:20°～70°;

(5)天線尺寸:Φ1 190 mm×290 mm;

(6)天線重量:74.3 kg。

低輪廓反射面天線的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，射頻器件少，可實(shí)現(xiàn)較大口徑，易實(shí)現(xiàn)收發(fā)共用;缺點(diǎn)是:輪廓較高，增益隨仰角有變化，不能實(shí)現(xiàn)低仰角和高仰角覆蓋;適用范圍是:等效口徑0.45～1.2 m中小口徑、中低輪廓天線。

2.2 多組介質(zhì)透鏡天線

介質(zhì)透鏡天線，也稱(chēng)龍伯透鏡天線，可實(shí)現(xiàn)多波束(寬角掃描)、多頻段共用等性能。通過(guò)幾個(gè)透鏡組陣可實(shí)現(xiàn)低輪廓。

美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室對(duì)介質(zhì)透鏡陣列進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，產(chǎn)品照片如圖5所示。天線工作在20/44 GHz，雙圓極化，在20 GHz增益為35 dBi，44 GHz增益為41 dBi，俯仰面掃描范圍達(dá)80°。

圖5 多組介質(zhì)透鏡動(dòng)中通天線

介質(zhì)透鏡天線的優(yōu)點(diǎn)是:電性能較好，波束掃描時(shí)增益基本不下降，配合多個(gè)饋源易實(shí)現(xiàn)多頻段多波束;缺點(diǎn)是:頻段高時(shí)透鏡介質(zhì)損耗大，天線效率降低;多個(gè)介質(zhì)透鏡天線組陣可實(shí)現(xiàn)低輪廓，但合成網(wǎng)絡(luò)及同步結(jié)構(gòu)復(fù)雜;適用范圍是:多頻段、掃描范圍大，中等輪廓的天線應(yīng)用。

2.3 平板陣列天線

平面陣列天線具有效率高、重量輕、體積小的特點(diǎn)。一般可以分為單片陣列與多片陣列兩種類(lèi)型，天線均采用兩維機(jī)械掃描體制。

(1)多組陣列動(dòng)中通天線

多組陣列動(dòng)中通天線的代表產(chǎn)品是以色列Starling公司的生產(chǎn)的Ku頻段多組陣列機(jī)載天線，天線照片，如圖6所示。

圖6 Starling公司的多組平板陣列天線

天線采用波導(dǎo)饋電的寬帶天線單元、多天線子陣合成技術(shù)、極化自動(dòng)實(shí)時(shí)跟蹤，代表了合成天線的最高水平。現(xiàn)在應(yīng)用于波音737、空客等大型飛機(jī)。天線的主要技術(shù)指標(biāo)如下。

(1)工作頻率:發(fā)射 14 ～14.5 GHz，接收 10.7 ～12.7 GHz;

(2)等效口徑:0.45 m;

(3)EIRP＞42 dBW;

(4)G/T值11 dB/K;

(5)跟蹤模式:慣導(dǎo)模塊+GPS和機(jī)械波束掃描跟蹤;

(6)機(jī)掃范圍:方位0 ～360°，俯仰10 ～90°;

(7)尺寸:直徑760 mm，高度150 mm;

(8)重量:50 kg。

多片陣列動(dòng)中通天線的另一代表產(chǎn)品是RaySat公司的StealthRayTM3000動(dòng)中通天線［3］，其內(nèi)部排布照片如圖7所示，該天線采用收發(fā)分開(kāi)的微帶陣列天線，接收陣列三組，發(fā)射陣列一組，置于三組接收陣列的前部。由于單元采用收發(fā)分開(kāi)的微帶天線，且天線拼陣距離隨仰角變化是固定的，因此和Starling公司的多組平板陣列天線相比，電氣性能較差。天線的主要技術(shù)指標(biāo)如下。

(1)天線增益:發(fā)射 27 dBi，接收 29.3 dBi;

(2)天線 G/T 值:7.6 dB/K(30°仰角);

(3)交叉極化電平:＞15 dB;

(4)俯仰波束覆蓋范圍:25°～70°;

(5)天線尺寸:1 153 mm×897 mm×145 mm;

(6)天線重量:29 kg。

圖7 RaySat公司的多組平板天線

多組陣列天線的優(yōu)點(diǎn)是低輪廓，可實(shí)現(xiàn)收發(fā)共用，可實(shí)現(xiàn)較大口徑;缺點(diǎn)是低仰角因片間有遮擋造成增益損失，高仰角因片間距較大導(dǎo)致副瓣抬高;適用范圍是:高低仰角下允許性能下降的情況。

(2)單組陣列動(dòng)中通天線

單組陣列作為現(xiàn)在的主要應(yīng)用產(chǎn)品，典型代表產(chǎn)品有:以色列Starling公司研制出Mijet系列動(dòng)中通天線［3］(如圖8所示)、RaySat公司的 E7000 型動(dòng)中通天線(如圖9所示)、European Research Area(簡(jiǎn)稱(chēng)ERA)的動(dòng)中通天線［8］(如圖10所示)，中國(guó)電科第54研究所研制的CTI-CM60-Ku2304型Ku頻段車(chē)載低輪廓0.6 m動(dòng)中通天線(如圖11所示)等。

Mijet系列動(dòng)中通天線采用背腔饋電單元，微帶、波導(dǎo)混合饋電網(wǎng)絡(luò)，對(duì)天線接收、發(fā)射組件進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，功放內(nèi)置于天線背板，天線結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，集成化程度高，代表低輪廓機(jī)載衛(wèi)星通信的發(fā)展方向。天線的主要技術(shù)指標(biāo)如下。

(1)天線增益:33.5 dBi(14 GHz);

(2)天線G/T值:12 dB/K(12 GHz);

(3)俯仰波束覆蓋范圍:0°～90°;

(4)天線尺寸:直徑960 mm，高度190 mm;

(5)天線重量:27.2 kg。

ERA的動(dòng)中通天線和RaySat公司的E7000型動(dòng)中通天線采用波導(dǎo)喇叭饋電單元，純波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)，天線饋電損耗小，天線陣列采用塑料電鍍工藝，天線重量輕。E7000型動(dòng)中通天線的主要技術(shù)指標(biāo)如下。

(1)等效口徑:0.6 m;

(2)收發(fā)增益:發(fā)射36 dB，接收35 dB;

(3)G/T值:13 dB/K;

(4)EIRP值:52 dBW;

(5)交叉極化:＞25 dB;

(6)天線尺寸:直徑1 300 mm，高300 mm;

(7)天線重量:50 kg。

CTI-CM60-Ku2304動(dòng)中通天線采用高效率的收發(fā)共用波導(dǎo)口徑天線單元、波導(dǎo)和帶狀線混合饋電網(wǎng)絡(luò)，饋電損耗低，模塊化設(shè)計(jì)，射頻器件集成度高，相控電子波束掃描跟蹤可對(duì)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行適時(shí)修正，克服了慣導(dǎo)數(shù)據(jù)隨時(shí)間漂移的固有缺陷，無(wú)需定時(shí)停車(chē)修正慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間行進(jìn)間的穩(wěn)定跟蹤。該天線集多種動(dòng)中通天線技術(shù)優(yōu)點(diǎn)于一體，是由我國(guó)自主研發(fā)的第一款低剖面陣列動(dòng)中通，它和E7000同時(shí)推出，在2010年的對(duì)比測(cè)試中，綜合性能超過(guò)了E7000。目前該天線已經(jīng)在新聞采集、公共安全、應(yīng)急指揮中得到了廣泛的應(yīng)用。天線的主要技術(shù)指標(biāo)如下。

(1)增益:接收發(fā)射大于36.5 dB;

(2)G/T 值:13.0 dB/K;

(3)極化形式:雙線極化工作，自動(dòng)極化調(diào)整;

(4)交叉極化:＞30 dB;

(5)跟蹤方式:采用電子波束掃描體制跟蹤;

(6)機(jī)掃范圍:方位360°連續(xù)，俯仰0～90°;

(7)捕獲時(shí)間:小于25 s，重捕:小于3 s;

(8)尺寸:直徑1 290 mm，高度298 mm。

單組陣列天線的優(yōu)點(diǎn)是:組陣靈活，天線輪廓低，可實(shí)現(xiàn)收發(fā)共用，天線仰角可達(dá)0°～90°;缺點(diǎn)是:如實(shí)現(xiàn)大口徑，需較大尺寸;適用范圍是:用作0.9 m以下口徑天線。

2.4 相控陣天線

由于Ku頻段衛(wèi)星通信需要的增益相對(duì)較高，相控陣天線需要的陣列規(guī)模較大才能獲得足夠的增益和G/T值，受天線集成度和成本等的限制，相控陣天線在衛(wèi)星通信方面還不夠成熟。目前應(yīng)用的大多為一維掃描(即俯仰電掃描、方位機(jī)械掃描)相控陣天線或混合掃描相控陣天線［9］。

ERA最新推出的天線收發(fā)共用的動(dòng)中通天線產(chǎn)品G3，采用了混合機(jī)械與電子掃描的專(zhuān)利技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了天線寬帶、雙極化的孔徑設(shè)計(jì)，饋電網(wǎng)絡(luò)混合了印制板和波導(dǎo)元件，剖面非常低。天線結(jié)構(gòu)模型如圖12所示。

圖12 ERA的動(dòng)中通天線產(chǎn)品G3

天線實(shí)現(xiàn)了如下技術(shù)性能。

(1)接收性能:增益大于30 dBi，G/T值大于9 dB/K;

(2)發(fā)射性能:增益大于31 dBi;

(3)掃描范圍:20°～90°;

(4)天線尺寸:高度約100 mm，尺寸為640 mm×640 mm，系統(tǒng)直徑960 mm。

低輪廓相控陣天線另一代表性產(chǎn)品是ThinKom公司的ThinSat300相控陣天線如圖13所示。其特點(diǎn)是:低剖面、采用VICTS天線形式;收發(fā)陣面采用層式結(jié)構(gòu)，從上到下依次為極化罩、CTS天線層、線源激勵(lì)層;通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)下層圓盤(pán)實(shí)現(xiàn)俯仰面的波束掃描，轉(zhuǎn)動(dòng)上層圓盤(pán)實(shí)現(xiàn)方位面的波束掃描，兩層都是通過(guò)機(jī)械皮輪帶動(dòng)圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)。天線的主要技術(shù)指標(biāo)如下。

(1)工作頻段:Ku頻段;

(2)G/T值:10～13 dB/K，俯仰20度為8 dB/K;

(3)EIRP值:47～50 dBW，俯仰20度為45 dBW;

(4)尺寸:1 500 mm×1 000 mm×110 mm。

一維相控陣天線的優(yōu)點(diǎn)是輪廓較低，方位機(jī)掃、俯仰電掃;缺點(diǎn)是:掃描有增益損失，收發(fā)難于共用，孔徑利用效率較低，陣列規(guī)模大，成本較高;適用范圍是:可用作不需要低仰角工作情況下的低輪廓天線。

圖13 ThinSat300相控陣天線

3 動(dòng)中通天線的關(guān)鍵技術(shù)

平板陣列天線融合了射頻領(lǐng)域的多種最前沿技術(shù)，以其獨(dú)特的高效率、占用空間小等優(yōu)勢(shì)在衛(wèi)星通信中扮演著重要角色。低輪廓“動(dòng)中通”天線的關(guān)鍵技術(shù)主要有:雙極化收發(fā)共用陣列天線技術(shù)、低損耗饋電網(wǎng)絡(luò)與射頻一體化模塊化技術(shù)、高精度伺服跟蹤技術(shù)、自動(dòng)極化調(diào)整技術(shù)和相控陣動(dòng)中通天線的小型化寬角掃描陣列天線技術(shù)。

3.1 雙極化收發(fā)共用陣列天線技術(shù)

為降低天線剖面，充分利用天線的孔徑效率，需采用收發(fā)共用的陣列天線。如何設(shè)計(jì)頻段能覆蓋收發(fā)頻段的天線單元及組陣形式是關(guān)鍵技術(shù)之一。

雙極化收發(fā)共用的基本原理是:在同一輻射單元內(nèi)，實(shí)現(xiàn)垂直、水平雙線極化波同時(shí)存在，并且每一個(gè)極化同時(shí)覆蓋接收和發(fā)射頻段。后端通過(guò)頻率雙工器實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)射頻率的分離，采用極化調(diào)整網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)空間極化的匹配。

雙極化收發(fā)共用天線單元應(yīng)具備的特點(diǎn)有。

(1)具備覆蓋收發(fā)頻段的寬帶特性;

(2)低剖面，易小型化;

(3)易實(shí)現(xiàn)垂直水平雙線極化;

(4)具有較高的輻射效率;

(5)易與射頻組件集成。

該關(guān)鍵技術(shù)在2009年取得突破，2010年市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)采用該技術(shù)的相關(guān)動(dòng)中通天線產(chǎn)品，比較有代表性的產(chǎn)品有E7000型、CTI-CM60-Ku2304型低剖面動(dòng)中通天線，天線單元均采用收發(fā)共用的波導(dǎo)口單元，它具有雙極化輻射特性，并且具有很高的口面輻射效率。

3.2 低損耗饋電網(wǎng)絡(luò)與射頻一體化、模塊化技術(shù)

對(duì)于雙極化收發(fā)共用陣列天線，選用低損耗饋電網(wǎng)絡(luò)、天線與射頻一體化、模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)可減小設(shè)備量，提高總體性能。

(1)小型化低損耗饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

針對(duì)大規(guī)模的陣列天線單元，可供選擇的低剖面饋電網(wǎng)絡(luò)有:微帶饋電網(wǎng)絡(luò)、帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)、SIW饋電網(wǎng)絡(luò);可供選擇的低損耗饋電網(wǎng)絡(luò)有:波導(dǎo)類(lèi)饋電網(wǎng)絡(luò)、SIW饋電網(wǎng)絡(luò)。

采用低損耗的波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)或混合型低損耗饋電網(wǎng)絡(luò)。比如，E7000天線采用的是大規(guī)模純H-T波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的饋電方式，而CTI-CM60-Ku2304動(dòng)中通天線則是采用的混合饋電方式，從天線性能可以看出，兩種饋電方式均取得了巨大成功。

(2)天線射頻組件一體化設(shè)計(jì)

天線射頻組件與天線單元一體化設(shè)計(jì)，射頻組件中包括低噪聲放大器、衰減器及移相器等，目的是減少放大器低噪聲前的饋線損耗，提高天線的G/T值;兩路正交極化射頻組件一體化設(shè)計(jì)，通過(guò)控制相位和幅度實(shí)現(xiàn)線極化面的自動(dòng)調(diào)整。

(3)模塊化設(shè)計(jì)

將“子陣”為基本單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，內(nèi)含輻射單元、饋電網(wǎng)絡(luò)和低噪聲放大器等模塊，對(duì)有源器件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，如采用MMIC或LTCC等技術(shù)，不僅能提高天線各個(gè)單元的一致性，提高天線整體性能，而且模塊化的制造技術(shù)降低了天線生產(chǎn)成本。另外，對(duì)于低剖面天線，采用層壓的方式排布有源與無(wú)源模塊，可以降低天線的整體厚度。

3.3 高精度伺服跟蹤技術(shù)

低剖面陣列天線的天線口徑方位和俯仰面的差別較大，導(dǎo)致天線在方位和俯仰面的角度差別也較大。以單組波導(dǎo)陣列天線為例，在Ku頻段等效天線口徑為0.6 m時(shí)，設(shè)計(jì)良好的低剖面陣列天線的方位面波束寬度在1.1°左右，俯仰面在4°左右，給動(dòng)中通天線伺服跟蹤帶來(lái)較大的難度。實(shí)現(xiàn)良好跟蹤性能一般采用兩種方法。

(1)采用高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)，利用程序引導(dǎo)跟蹤;

(2)采用自跟蹤體制，利用跟蹤接收機(jī)跟蹤衛(wèi)星的信標(biāo)或通信信號(hào)。

自跟蹤體制又有單脈沖跟蹤體制和圓錐掃描跟蹤方式。單脈沖跟蹤體制在信噪比較高時(shí)才能工作，信噪比較低時(shí)通常采用圓錐掃描跟蹤體制［10］，又分為機(jī)械抖動(dòng)掃描和電子波束掃描兩種。為降低制造成本，國(guó)外產(chǎn)品采用機(jī)械抖動(dòng)掃描跟蹤，動(dòng)態(tài)跟蹤精度較低，可靠性較差。目前較好的跟蹤措施是:采用低成本的慣導(dǎo)和跟蹤接收機(jī)，利用電子波束掃描跟蹤體制，可實(shí)現(xiàn)高精度的跟蹤。

電子波束掃描的跟蹤的基本原理是:天線陣列分為四個(gè)子陣如圖14所示，四個(gè)子陣之間采用相控電子波束掃描，利用低成本的慣導(dǎo)和跟蹤接收機(jī)實(shí)現(xiàn)天線快速捕星、自動(dòng)跟蹤。目前國(guó)內(nèi)CTI-CM60-Ku2304天線采用的是該種跟蹤方式。

圖14 天線子陣分布示意圖

3.4 自動(dòng)極化調(diào)整技術(shù)

Ku頻段衛(wèi)星通信多采用線極化工作方式。線極化工作時(shí)，地面站天線必須具備極化調(diào)整的能力，對(duì)于動(dòng)中通天線更為重要。

自動(dòng)極化調(diào)整原理:通過(guò)控制兩個(gè)正交線極化波的幅度比例，可以獲得任意極化方向的線極化波。

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)極化調(diào)整的方式有電路極化調(diào)整和機(jī)械極化調(diào)整兩種方式。國(guó)外天線接收和發(fā)射采用的是機(jī)械調(diào)整方式，國(guó)內(nèi)在發(fā)射頻段采用的機(jī)械極化調(diào)整，在接收頻段則是采用電路調(diào)整的方式，調(diào)整原理框圖，如圖15所示。

圖15 自動(dòng)極化調(diào)整原理框圖

4 動(dòng)中通天線的發(fā)展趨勢(shì)

動(dòng)中通天線發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面。

(1)向更高更多頻段發(fā)展

由于寬帶業(yè)務(wù)需求的增長(zhǎng)，現(xiàn)有的C波段和Ku波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)已不能提供足夠的帶寬滿足衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)量的不斷增長(zhǎng)。另一方面，Ka頻段通信衛(wèi)星具有帶寬寬，容量大等優(yōu)點(diǎn)，Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展是衛(wèi)星通信發(fā)展的一個(gè)重要方向和趨勢(shì)。近幾年來(lái)，赤道上空的Ka頻段衛(wèi)星也越來(lái)越多，地面衛(wèi)星移動(dòng)通信業(yè)務(wù)也將逐步向Ka頻段發(fā)展。因此，兼容Ku/Ka雙頻段甚至C/Ku/Ka三頻段等多頻段共用的動(dòng)中通天線是今后動(dòng)中通天線的發(fā)展方向［11～13］。

(2)向共形相控陣天線方向發(fā)展

相控陣天線具有小型化、低剖面、可共形、高性能等特點(diǎn)，但是目前相控陣天線在通信領(lǐng)域的應(yīng)用僅限于一維相位掃描天線，實(shí)現(xiàn)兩維全相控應(yīng)用還有很多有待解決的技術(shù)問(wèn)題:低仰角增益不足、天線陣列增益不夠、天線射頻組件數(shù)量龐大導(dǎo)致成本高等。隨著微波射頻器件小型化技術(shù)的發(fā)展，以及計(jì)算信號(hào)處理技術(shù)的提升，通過(guò)天線陣列與射頻器件的一體化、集成化設(shè)計(jì)，可以大大提高天線效率，為進(jìn)一步降低天線剖面提供了可能，相控陣天線將能實(shí)現(xiàn)與載體的共形設(shè)計(jì)［14］。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)各種形式用于移動(dòng)載體的衛(wèi)星移動(dòng)通信低輪廓天線分析研究可知，反射面天線、平面陣列及相控陣天線，都各具優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)性能指標(biāo)和載體的要求，選用合適的天線形式。動(dòng)中通天線的發(fā)展方向:多頻段、高性能、低輪廓、易共形、重量輕、體積小、模塊化、集成化等;相控陣動(dòng)中通天線也是目前動(dòng)中通天線發(fā)展方向之一［15］。另外，新材料的使用也將推動(dòng)動(dòng)中通天線向更低剖面發(fā)展［16］。

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