陳 真

（中國電子科技集團公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

高機動航空平臺常規(guī)通信手段主要包括短波和超短波等，其中超短波只能在視距范圍內(nèi)進行通信，通信距離有限，且受地理環(huán)境因素影響。短波可以實現(xiàn)超視距遠距離通信，但是由于信道不穩(wěn)定，易受環(huán)境氣候和電磁干擾。利用位于同步地球軌道衛(wèi)星、衛(wèi)星地面站和機載站組成的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，具有通信距離遠、覆蓋面積大、不易受地理環(huán)境因素影響、通信信道穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，可以有效解決以上通信方式的不足[1]。

受限于機載平臺天線安裝尺寸和高機動需求，在滿足語音通信和指揮、控制數(shù)據(jù)傳輸帶寬的前提下，選取UHF(Ultra-High Frequency)工作頻段的衛(wèi)星通信，可設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、尺寸較小、無需伺服控制系統(tǒng)，且具備較大俯仰角的全向天線[2]。UHF頻段衛(wèi)星通信與超短波通信的部分工作頻段重疊，為提高頻譜利用率，減少相互干擾，UHF頻段衛(wèi)星通信作為超短波通信的超視距延伸，兩種通信方式可在視距和超視距場景中選擇切換。在視距范圍內(nèi)，選擇超短波通信方式，當載機將進入超視距范圍時，切換到UHF衛(wèi)星通信方式，有效解決平臺超視距作戰(zhàn)通信保障需求。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

UHF頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于車載、艦載和大型航空平臺中，地面站和衛(wèi)星技術(shù)成熟，但一直未能應(yīng)用于高機動航空平臺[3]。本文提出由天線、射頻前端、和收發(fā)信機三部分組成的UHF頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)，實現(xiàn)航空平臺與地面指揮控制中心之間的衛(wèi)星通信動態(tài)入網(wǎng)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的組網(wǎng)通信，如圖1所示。

圖1 UHF頻段機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成

高機動平臺飛行速度快，對氣動性能要求很高，并且飛機平臺尺寸相對較小，因此要求安裝于平臺上的天線必須具有小的體積重量和較小迎風面，從而對飛機氣動影響盡可能小。綜合考慮天線工作頻段、方向圖覆蓋、極化方式、結(jié)構(gòu)和安裝方式等方面的要求，采用水平極化對稱振子天線方案。

UHF頻段的同步軌道衛(wèi)星屬于高軌道衛(wèi)星，空間鏈路衰減較大，受限于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功率和衛(wèi)通天線增益，接收的信號強度低于常規(guī)接收機接收電平。射頻前端由雙工器和低噪聲放大器組成，集成到天線中，減小饋線損耗，提高機載站的G/T值。

1.2 工作原理

超短波功能和UHF衛(wèi)星通信功能進行一體化設(shè)計，通過動態(tài)加載的方式實現(xiàn)超短波功能和UHF衛(wèi)通功能的分時工作。UHF衛(wèi)星功能主要由入網(wǎng)/退網(wǎng)管理和業(yè)務(wù)通信兩部分組成。

（1）入網(wǎng)/退網(wǎng)流程

系統(tǒng)上電后，將一體化端機切換到UHF衛(wèi)通工作參數(shù)加載波道，接收衛(wèi)通地面站下發(fā)的工作參數(shù)，完成解析和加載后，自動切換到UHF衛(wèi)通業(yè)務(wù)工作波道，接收地面站發(fā)送的入網(wǎng)點名消息，應(yīng)答消息完成入網(wǎng)。任務(wù)結(jié)束后由地面站控制退出網(wǎng)絡(luò)，切換到超短波功能。

（2）業(yè)務(wù)通信流程

1）數(shù)據(jù)工作流程

一體化端機接收地面站發(fā)送的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，解析后送航電系統(tǒng)；同時將航電系統(tǒng)信息處理后發(fā)送至地面站。

2）話音工作流程

一體化端機接收地面站發(fā)送的衛(wèi)通業(yè)務(wù)話音，處理后送音頻處理系統(tǒng)；飛行員通過按下衛(wèi)通話音發(fā)送按鍵啟動衛(wèi)通業(yè)務(wù)話音發(fā)送。

3）UHF衛(wèi)通數(shù)據(jù)和話音切換

衛(wèi)通數(shù)據(jù)和話音分時工作，接收端通過數(shù)據(jù)幀頭自動識別數(shù)據(jù)或話音；發(fā)送端衛(wèi)通話音搶占優(yōu)先，當衛(wèi)通發(fā)話音使能有效時停止發(fā)送數(shù)據(jù)信息，非使能時發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

2 關(guān)鍵技術(shù)及解決方案

2.1 UHF機載衛(wèi)星通信天線設(shè)計

（1）衛(wèi)星通信天線方案設(shè)計

高增益、寬波束、小型化是機載天線設(shè)計在重點和難題。采用半波對稱振子的設(shè)計方案，天線饋電網(wǎng)絡(luò)和天線輻射振子一體化集成設(shè)計。印制對稱振子天線結(jié)構(gòu)原理示意如圖2所示。天線工作時，射頻信號通過射頻接頭，饋入印制饋線和印制接地線構(gòu)成的平衡饋電結(jié)構(gòu)中，并通過該平衡饋電結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對天線輻射振子兩個臂饋電，該平衡饋電結(jié)構(gòu)使饋入天線印制輻射振子兩個臂的射頻信號幅度相等、相位相差180°，滿足天線輻射所必需的激勵要求。當天線通過金屬安裝底板垂直安裝于飛機機身背部時，天線輻射的主要極化為水平極化，最大輻射方向指向天頂方向（z軸）。

圖2 水平極化印制偶極子天線原理示意圖

（2）天線電性能仿真分析

根據(jù)印制偶極子天線結(jié)構(gòu)及原理，運用電磁仿真分析軟件建立了天線仿真分析模型，并對其主要電性能指標進行了仿真分析和優(yōu)化設(shè)計。天線在仿真軟件中的模型如圖3所示。

圖3 水平極化印制偶極天線仿真分析模型

通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，天線各部分參數(shù)對其端口電壓駐波比、增益等影響各不相同。其中天線輻射振子長度L影響天線的諧振工作頻率；振子距金屬接地板的高度h影響天線的增益和方向圖性能，開路短截線的長度s直接影響天線的端口輸入阻抗，通過調(diào)整其長度，可以實現(xiàn)較好的阻抗匹配。天線其余結(jié)構(gòu)參數(shù)對天線性能的影響相對較小。

綜合考慮天線工作頻段、方向圖覆蓋、天線高度等方面的要求，通過仿真優(yōu)化設(shè)計得出天線在E面(Phi=90度平面)和H面(Phi=0度平面)的增益方向圖，如圖4、圖5所示。仿真時，將天線置于直徑1米的金屬接地板上。

從上述天線增益方向圖仿真結(jié)果可以看出，天線在高低頻段中心頻率處的最大增益約為7.5 dBi。天線E面在以天頂為0°，±70°范圍內(nèi)的增益均大于-1 dBi，H面在以天頂為0°，約±80°范圍內(nèi)的增益均大于-1 dBi，可較好地滿足設(shè)計要求。

圖4 E面天線增益方向圖

圖5 H面天線增益方向圖

2.2 高靈敏接收處理技術(shù)

（1）接收前端設(shè)計

天線安裝在機身背部，與轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星之間存在一定的夾角，天線接收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號強度隨航空平臺機動姿態(tài)變化，為了讓平臺獲取更大的機動范圍，盡可能發(fā)揮機動作戰(zhàn)性能，需在控制前端噪聲系數(shù)的前提下，盡可能提高接收靈敏度。

噪聲系數(shù)(F)和等效噪聲溫度(Te)的關(guān)系有：

為絕對溫度，N級級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)總的等效噪聲溫度如圖6所示，其中Te、F、G、B分別代表各級網(wǎng)絡(luò)的輸入等效噪聲溫度、噪聲系數(shù)、功率增益及等效噪聲帶寬[4]。

圖6 N級級聯(lián)等效噪聲溫度

由式（1）推廣可得：

航空平臺UHF頻段衛(wèi)星接收系統(tǒng)如圖7所示。設(shè)天線噪聲溫度為TA，饋線損耗為Lf

圖7 接收系統(tǒng)的等效輸入噪聲

可知Te主要由Lf和G1決定，在系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)盡量減小Lf值，提高G1值。由于UHF頻段衛(wèi)星通信天線為全向無源天線，傳統(tǒng)實現(xiàn)方案中，在天線和收發(fā)信機之間設(shè)計射頻前端組件，集成雙工器和低噪放，實現(xiàn)接收信號的放大和收發(fā)隔離。為降低Lf值，本文創(chuàng)新性的提出將射頻前端集成到天線中，通過收發(fā)信機饋線直流饋電向低噪放電路供電的設(shè)計方案。在不影響天線電性能和結(jié)構(gòu)特性的前提下，消除了第一級饋線對系統(tǒng)接收噪聲的影響，可將接收鏈路系統(tǒng)余量提高1 dB以上，增加衛(wèi)通天線與衛(wèi)星之間的俯仰角范圍，從而使平臺在相同位置條件下獲得更大的機動范圍。

（2）接收指標計算

主要從接收噪聲系數(shù)和接收增益要求設(shè)計前端電路，衛(wèi)通天線接收的信號進入雙工器，經(jīng)過限幅器后進入第一級低噪聲放大器，經(jīng)過射頻濾波器濾除帶外雜波后，再經(jīng)過一級限幅器送至第二級低噪聲放大器放大后輸出，射頻前端接收部分原理圖如圖8所示。

圖8 射頻前端接收部分原理圖

根據(jù)衛(wèi)通轉(zhuǎn)發(fā)器功率和信號傳輸鏈路損耗，可知到達機載天線端口的信號電平幅度范圍，結(jié)合接收機輸入電平要求，得出射頻前端接收增益G1≥38 dB，噪聲系數(shù)Nf小于3 dB。根據(jù)設(shè)計電路各器件參數(shù)，利用ADS仿真軟件計算出射頻前端接收通道指標：增益G1：39.2 dB,噪聲系數(shù)Nf：2.6 dB，滿足設(shè)計要求。仿真結(jié)果如表1所示。

表1 接收指標仿真結(jié)果表

2.3 收發(fā)信機一體化設(shè)計

（1）收發(fā)信機組成

UHF頻段衛(wèi)通功能的工作頻段和包含在超短波功能工作頻段內(nèi)，其傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)為數(shù)據(jù)和話音，信道帶寬和傳輸速率均小于超短波功能要求，信號處理波形的調(diào)制解調(diào)算法實現(xiàn)復(fù)雜度與超短波功能相當，發(fā)射功率略大于超短波功能?；谝陨咸攸c，可在同一硬件平臺上實現(xiàn)兩個功能，進行超短波和UHF衛(wèi)通功能一體化設(shè)計。收發(fā)信機由數(shù)據(jù)處理、中頻處理和射頻處理三部分組成，組成框圖如圖9所示。

圖9 收發(fā)信機組成框圖

（2）工作流程

UHF頻段衛(wèi)星通信作為超視距通信手段，與視距通信的超短波功能分時工作。接口與電源模塊完成與航電系統(tǒng)控制信息和數(shù)據(jù)、話音等業(yè)務(wù)信息的交付，實現(xiàn)收發(fā)信機電源轉(zhuǎn)換和濾波處理。終端模塊是收發(fā)信機的控制管理和信息處理的核心，由數(shù)據(jù)處理和信號處理兩部分組成；數(shù)據(jù)處理部分實現(xiàn)超短波和衛(wèi)通模式下的數(shù)據(jù)處理和對信道、功放的狀態(tài)控制；信號處理部分采用動態(tài)加載方式實現(xiàn)超短波功能和衛(wèi)通功能的波形的切換；信道模塊采用超外差方式實現(xiàn)中頻到射頻的變頻處理，頻率源為收發(fā)信機提供高穩(wěn)定時鐘。功放模塊實現(xiàn)激勵信號的濾波和功率放大。

2.4 電磁兼容設(shè)計

（1）兼容工作要求

機載平臺集成多種通信功能，功能之間工作頻率相近或者重疊時，兼容工作是系統(tǒng)設(shè)計的一個難題[5]。本系統(tǒng)電磁兼容主要面臨兩個方面的難題：一是衛(wèi)通功能采用異頻雙工工作方式，發(fā)射頻率f1，接收頻率f2，需要設(shè)計收發(fā)隔離度較高的雙工器和抗阻塞能力較強的低噪放解決收發(fā)自干擾問題；二是衛(wèi)通功能與超短波功能工作頻段重疊，其中一個功能工作時，天線輻射出去的信號通過空間耦合到另外一個功能的天線，為避免兩個功能之間相互影響，需要對衛(wèi)通工作頻率（f1f2）和超短波工作頻率（f3）進行合理規(guī)劃。系統(tǒng)工作場景如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)工作場景示意圖

（2）衛(wèi)通收發(fā)自干擾分析及解決

衛(wèi)通發(fā)射信號通過雙工器進入接收通道，接收電路設(shè)計如上文圖8所示，雙工器的接收頻段帶外抑制能力NΔf，收發(fā)頻點之間的間隔Δf1=f1-f2,發(fā)射功率Po1，經(jīng)過雙工器之后，進入接收通道的信號功率PI=Po1-NΔf，當PI值不超過接收電路器件要求的工作范圍時，發(fā)射信號不會導(dǎo)致接收信號阻塞，解決收發(fā)自干擾問題。

（3）超短波與衛(wèi)通互干擾分析及解決

UHF衛(wèi)通的發(fā)射頻率f1在高端，接收頻率f2在低端，因此超短波和衛(wèi)通功能之間的互相干擾只需考慮超短波工作頻率f3與衛(wèi)通接收頻率f2之間的關(guān)系，如圖11所示。定義Δf2=f2-f1。

圖11 超短波與衛(wèi)通工作頻點關(guān)系示意圖

超短波和衛(wèi)通的兼容工作需滿足以下兩個條件：

超短波電臺主頻f3發(fā)射通過天線耦合至衛(wèi)通接收機的信號，通過衛(wèi)通雙工器之后應(yīng)小于衛(wèi)通前端的接收阻塞電平；

超短波電臺在工作頻點f3發(fā)射時，在衛(wèi)通接收頻率f2的產(chǎn)生的寬帶噪聲信號不能影響衛(wèi)通信號的解調(diào)。

根據(jù)超短波發(fā)射功率Po3，衛(wèi)通接收信號的解調(diào)門限值Eb/N0，雙工器接收帶外抑制NΔf等參數(shù)，可得出超短波工作頻率f3和衛(wèi)通接收頻率f2頻率一定間隔條件下超短波天線和衛(wèi)通天線隔離度之間的相互關(guān)系。根據(jù)超短波天線和衛(wèi)通天線的間隔距離、工作頻率、天線增益和方向性函數(shù)，可算計得出天線之間的隔離度值，從而規(guī)劃超短波和衛(wèi)通兼容工作的Δf2值范圍。

3 系統(tǒng)性能

本文設(shè)計的航空平臺UHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)，在超短波功能的基礎(chǔ)上，擴展了UHF頻段衛(wèi)星通信功能，實現(xiàn)了高機動航空平臺的視距/超視距無縫切換。國內(nèi)首次提出了機上衛(wèi)通天線小型化、與接收前端一體化設(shè)計方法，突破了天線裝機尺寸重量、波束空域覆蓋和增益需求的多參數(shù)制約瓶頸，大幅降低了天線體積、重量。超短波和UHF衛(wèi)通一體化設(shè)計方法節(jié)省了軟硬件資源，簡化了與航電系統(tǒng)的交聯(lián)。給出了超短波和UHF衛(wèi)通兼容工作的分析方法和頻譜規(guī)劃建議。工程經(jīng)驗表明，本研究方案性能指標優(yōu)良、穩(wěn)定可靠，滿足系統(tǒng)使用需求。

從應(yīng)用平臺、工作頻段、工作模式、業(yè)務(wù)類型、是否組網(wǎng)和天線性能等方面，跟國內(nèi)外實現(xiàn)水平進行對比，對比情況如表2所示。

表2 系統(tǒng)性能對比

從表2對比可以看出，本系統(tǒng)在整體技術(shù)體制和技術(shù)指標上處于國內(nèi)領(lǐng)先，達到世界先進水平，在天線重量指標上有所超越。

4 結(jié) 語

本文從高機動平臺超視距應(yīng)用場景需求出發(fā)，提出了由機載天線、射頻前端、和收發(fā)信機三部分組成的UHF頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)，解決了高靈敏接收處理技術(shù)、收發(fā)信機一體化設(shè)計和電磁兼容設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了性能優(yōu)異、人機交互好、穩(wěn)定可靠，適用于高機動平臺的UHF頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)。本文提出的方案以推廣至多型平臺中，工程應(yīng)用效果良好，成功解決了高機動平臺超視距作戰(zhàn)的通信保障難題。