一種用于衛(wèi)星地面移動通信系統(tǒng)的相控陣天線

摘 要：介紹了一種用于衛(wèi)星地面移動通信系統(tǒng)的相控陣天線。該天線采用GPS與電子羅盤相結合的跟蹤控制方案，控制天線波束在仰角30°～90°，方位角0°～360°的空域內快速掃描，自動跟蹤通信衛(wèi)星，確保話音通信和數(shù)據(jù)傳輸。增益優(yōu)于14 dB，圓極化工作，天線工作在L波段，直徑小于550 mm。介紹了單饋源雙頻圓極化天線單元、波束控制器的理論分析和工程設計，以及天線系統(tǒng)的組成和主要性能。實測結果表明該天線能夠滿足衛(wèi)星地面移動通信終端的應用。

關鍵詞：衛(wèi)星通信;移動終端;相控陣天線;微帶天線

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1704803

Phased Array Antenna System for Satellite Mobile Communication System

LIU Xinliang1，F(xiàn)ENG Kuisheng2，TIAN Qing1，LI Na3

(1.Xi′an Space Star Technology (Group) Corporation，Xi′an，710061，China;

2.College of Electronic and Information，Northwestern Polytechnic University，Xi′an，710072，China;

3.Telecommunication Engineer Institute，Air Force Engineering University，Xi′an，710077，China)

Abstract：This paper presents a design of phased array antenna system for mobile communication system.It can scan the communication satellite automatically from 30° to 90° in elevation and 360° coverage in azimuth.Its antenna gain is better than 14 dB and diameter is less than 550mm.This paper gives theoretical analysis and engineering design of the single-feed circularly polarized micro-strip antenna and the control system.The results indicate that the phased array antenna system is fit for the mobile ground terminal of satellite communication system

Keywords：satellite communication;mobile terminal;phased array antenna;micro-strip antenna

1 引 言

具有跟蹤能力的中等增益圓極化天線是中繼通信衛(wèi)星和衛(wèi)星移動通信這兩種通信系統(tǒng)的關鍵部件之一。對于衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)來說，系統(tǒng)解決了大量稀路由通信地區(qū)的通信、鄉(xiāng)村通信和客運、貨運、海運、航空、搶險救災、野外勘測、公安偵察、部隊調動等移動載體的“動中通”業(yè)務。相控陣天線安裝在海陸空的運動載體上，完成對通信衛(wèi)星的跟蹤和通信。近幾年得到了快速的發(fā)展，其應用功能主要包括衛(wèi)星電話、傳真、電子郵件、數(shù)據(jù)連接、位置報告以及車(船)隊管理等。

相控陣天線目前被公認為是最先進的通信天線，它通過控制數(shù)字式移相器使波束精確地跟蹤衛(wèi)星，同時實現(xiàn)信號傳輸。相控陣技術應用于中繼通信衛(wèi)星和衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)有許多其他技術無法比擬的優(yōu)點:跟蹤波束的快速掃描能力；天線波束形狀的快速變化能力；優(yōu)異的空間定向與空域濾波能力；空間功率合成能力；天線與載體平臺共形的能力^［1］。

按照天線的跟蹤方式，可以分為機械跟蹤系統(tǒng)和電子跟蹤系統(tǒng)。機械跟蹤系統(tǒng)是利用機械方法驅動天線將波束指向衛(wèi)星。電子跟蹤系統(tǒng)是利用移相器改變天線單元的相位，控制天線方向圖使其波束指向衛(wèi)星。本文采用電子跟蹤方案，通過GPS結合電子羅盤采集天線載體運動及姿態(tài)信息，通過波控機控制移相器，完成天線的自動跟蹤。

2 系統(tǒng)分析與設計

2.1 系統(tǒng)結構設計

要實現(xiàn)天線對通信衛(wèi)星的自動跟蹤，有兩種方案：一種是基于通信衛(wèi)星導頻信號的方案，即天線自動對全空域進行掃描，尋找通信衛(wèi)星的導頻信號并使天線對準導頻信號最強的方向，這種方案對于靜止的用戶十分有效，但對于運動中的用戶而言卻不適用，原因是用戶時刻都在運動，天線相對于衛(wèi)星的波束指向需要實時改變。另一種是借助移動用戶本身與運動狀態(tài)有關的信息，諸如：移動載體的速度，地理位置等，利用一定的算法實時計算天線對衛(wèi)星的波束指向并指向衛(wèi)星。本文采用的是第二種，即基于GPS結合電子羅盤的自動跟蹤方案。

相控陣天線由輻射陣列、可控數(shù)字移相器、波束控制器以及1∶19功分網絡等部分組成，功能框圖如圖1所示。

天線單元選用圓形微帶貼片天線，組陣后可獲得較大范圍內的波束掃描。功分網絡采用微帶形式，可以做到與陣面良好的共形。由于天線單元的頻率特性覆蓋了目前導航接收機的天線頻率，且增益滿足要求，因此可選擇其中一個單元作為導航接收機天線。導航接收機采用GPS/GLONASS/北斗兼容接收機，與波控機的接口之間采用串行接口總線。波控機根據(jù)導航接收機送來的用戶運動信息計算天線波束指向并控制移相器移相使天線波束自動對準選取的通信衛(wèi)星。

2.2 天線單元設計

在眾多天線單元中，微帶天線單元最適合用于衛(wèi)星通信相控陣天線系統(tǒng)中，其特點是:剖面薄、體積小、重量輕；便于把饋電網絡與天線結構做在一起，適合用印刷電路技術大批量生產；能與有源器件和電路集成在同一基板上；便于獲得圓極化，容易實現(xiàn)雙頻段、雙極化工作。由于該天線工作在L波段，接收和發(fā)射共用一幅天線，其百分比帶寬約為8.5%。同時，為增加相控陣俯仰方向掃描范圍，要求陣列單元的增益、軸比方向圖應具有寬角特性。由于陣元數(shù)目較多，單元形式應盡量簡單，以減輕天線重量和陣元之間的互耦作用，從而避免重量的超標和陣列電性能的損失。經過比較，輻射單元選用單饋源雙頻微帶天線，圖2為其結構示意圖。在貼片表面開槽，切斷了原先的表面電流路徑，使電流繞槽邊曲折流過而路徑變長，貼片等效尺寸相對增加，諧振頻率降低，可使天線小型化。選擇適當?shù)牟蹚亩刂瀑N片表面電流以激勵相位差90°的極化簡并模，從而形成圓極化輻射和實現(xiàn)雙頻工作。

圖3為輻射單元在收發(fā)頻段的駐波特性。同時，單元增益可達7 dBi，軸比在帶寬范圍內小于6 dB，滿足天線對頻帶和增益的要求。

在分析設計時發(fā)現(xiàn):隨槽的長度增加，天線諧振頻率降低，天線尺寸減小;天線尺寸的過分縮減會引起性能的急劇劣化，其中帶寬與增益尤為明顯，而方向圖影響不大;增加介質板厚度可改變天線的帶寬，但將引起表面波損耗，同時，重量明顯增加。因此，開槽需在小型化與性能之間折衷，帶寬需要在天線增益和重量之間折衷。

2.3 波束控制器的設計

波束控制器是相控陣天線的重要組成部分。由于相控陣天線波束的掃描和跟蹤是由波束控制器實現(xiàn)的，因此，波束控制器很大程度上決定了天線的動中通性能。

移動用戶在行進中其位置與姿態(tài)不斷改變，要保證不間斷通話，應不受載體位置、姿態(tài)變化的影響，天線波束必須始終對準衛(wèi)星信號方向。天線波束跟蹤采用開環(huán)控制方式，波控機由單片機、GPS OEM板、驅動單元及數(shù)字移相器組成。單片機通過RS 232接口與搭載GPS OEM板聯(lián)接，用來讀取移動用戶的實時位置、姿態(tài)信息。根據(jù)通信衛(wèi)星、移動用戶天線的坐標，單片機經過坐標變換、角度算法計算，求得運動用戶天線指向通信衛(wèi)星信號的俯仰、方位角(θ，Φ)。根據(jù)指向角(θ，Φ)，同一單片機計算出要求的陣內相位差，量化后得到每個移相器(3 b)的波束控制碼，通過驅動單元控制移相器工作，從而實現(xiàn)移動用戶天線波束自動跟蹤、掃描工作。波控機的硬件組成如圖4所示。

在硬件電路的基礎上，還需配以相應的軟件程序。其主要功能一方面是提取GPS的定位數(shù)據(jù)；另一方面就是對數(shù)據(jù)進行處理計算，求出移動用戶坐標系中移動用戶所處位置相對于通信衛(wèi)星的方位角A、仰角E。結合搭載在車載用戶上的GPS速度方位角，算出移動用戶天線波束指向通信衛(wèi)星信號的方位角Φ、仰角θ。根據(jù)Φ、θ計算得到每個移相器的波束控制碼。

2.4 相控陣天線系統(tǒng)

完整的相控陣天線系統(tǒng)由輻射單元陣列、移相器、功分網絡、波束控制器以及電源等輔助設備組成。

天線陣列 天線陣面由19個單元組成，單元基本尺寸為：D=63 mm，ΔS/S=2.5%。陣元間距100 mm，按照圓形陣分三圈分布，由內到外單元數(shù)依次為1-6-12，半徑240 mm，介質層厚度h=6 mm，相對介電常數(shù)為 2.65，單元饋電點通過過孔與背板上的SMA相連。天線陣形式如圖5所示。

移相器與功分網絡 選用微帶二極管型式的3 b可控數(shù)字移相器。其特性參數(shù)插損約為1 dB，駐波比小于1.25，質量40 g，功耗0.6 W，滿足在相控陣天線中對數(shù)字移相器體積小、功率低、轉換時間短、穩(wěn)定性好的要求。功分網絡采用威金森功分器，以1∶19進行設計，實測帶內插損約1 dB，端口隔離度＞20 dB。結構如圖6所示。

波束控制器 GPS模塊選用 GARMIN的15L OEM板，它并行12通道，可同時跟蹤12顆衛(wèi)星，定位精度高，功耗低。 DGPS可實時WAAS差分或偽距差分，差分精度3~5 m。電子羅盤采用Honeywell的3300磁感應芯片的OEM電子羅盤模塊。它可提供數(shù)字航向，直接輸出數(shù)字信號，通過RS 232可與單片機通信。它的傾斜角可達±10°，在此范圍內，可以提供較精確的三維角度，航向精度為1°。它的數(shù)據(jù)更新率可以達到10 Hz，用戶可以自由配置和存儲參數(shù)。

單片機 選用SILICON公司C8051F020，能夠滿足以上系統(tǒng)的要求。C8051F020單片機采用SILICON公司的專利CIP-51微處理器內核。該芯片在程序運行時可實現(xiàn)內、外部時鐘的切換，這在低功耗應用系統(tǒng)中非常實用，同時C8051F020還在內部增加了復位源，從而大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

輔助設備 系統(tǒng)輔助設備包括給系統(tǒng)供電的直流電源，連接電纜以及射頻接口等。

3 設計與實驗結果

按照設計方案研制了樣機，掃描范圍：仰角30°～90°，方位角0°～360°。系統(tǒng)功分網絡輸出口處電壓駐波比如圖7所示。

4 結 語

本文給出了一種應用于衛(wèi)星地面移動通信終端的相控陣天線的設計，采用GPS結合電子羅盤的方案采集運動載體的相關信息，通過波控機控制天線波束自動跟蹤通信衛(wèi)星，對天線單元和波束控制系統(tǒng)進行了分析和設計。實測結果與理論設計吻合較好，從而為衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)實現(xiàn)“動中通”提供了一種新的方案。

參 考 文 獻

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作者簡介 劉新良 男，1964年出生，高級工程師，碩士生導師。主要從事天線、微波器件方面的研究。

馮奎勝 男，1979年出生，博士生。主要從事電磁計算、智能天線方面的研究。

田 青 男，1981年出生，工程師。主要從事衛(wèi)星天線方面的研究。

李 娜 女，1982年出生，博士生。主要從事軍事通信技術方面的研究。