C波段無線網與S波段遙測天線共用技術研究

霍建華++劉丹++郭世偉

摘 要： 針對目前遙測頻率資源緊張與飛行試驗需求不斷增長之間的矛盾，對C波段無線網與S波段遙測天線共用技術進行研究。根據實際使用需求，要求在保持原有S波段功能的基礎上，增加C波段雙向傳輸功能。因此在對天線結構進行合理設計的基礎上，給出了一體化饋源設計方案，通過增加C波段無線網絡收/發器等關鍵設備，實現C波段無線網數據與S波段遙測數據的共同傳輸，極大地提高了遙測數據傳輸速率，緩解了遙測頻率資源緊張的現狀。

關鍵詞： C波段無線網； 天線共用； 一體化饋源； 遙測數據傳輸

中圖分類號： TN82?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）10?0093?03

0 引 言

隨著航空飛行試驗遙測需求的不斷增長，國外遙測界專家預測，航空飛行試驗遙測速率[1]幾年后將從當前的10 MB/s增長到100 MB/s，增加上行遙控數據鏈、實現飛行試驗的遠程控制能力，成為遙測的新需求。顯然，IRIG106遙測系統已不能完全適應當前和未來航空飛行試驗及其他軍工試驗的遙測新需求。近年來，在網絡技術發展突飛猛進的推動下，遙測系統的網絡化、集成化、空地一體化成為發展新趨勢，于是便提出了iNET[2] 的概念。它最大的特點是在測控目標與地面測控站之間增加了一條無線網絡鏈路，用于大容量網絡數據的準實時傳遞，實現對飛行目標的遠程控制以及頻譜資源的動態管理等。目前國內、外航空飛行試驗大都使用L或S波段，頻譜資源有限，已成為制約遙測發展的瓶頸。在各國飛行試驗和遙測專家的共同呼吁下，2007年世界無線電大會（WRC?2007）決定把C波段中的4 400～

4 940 MHz，5 091～5 250 MHz和5 925～6 700 MHz頻段在局部地區或全球范圍內，劃分給航空飛行試驗遙測使用。這一決定為飛行試驗遙測開辟新的頻段、解決頻譜資源需求矛盾奠定了基礎，有力推動飛行試驗遙測向C波段的擴展與應用。另外，隨著民用4G通信的啟動，與目前使用的遙測頻率資源[3] 相互沖突，嚴重制約了遙測數據的傳輸能力，限制了遙測實時監控的性能。因此需要在現有遙測系統基礎上，最大限度保證現有設備繼續發揮作用，并擴展遙測頻率資源，解決4G通信占用資源的問題。因此C波段無線網與S波段遙測天線共用技術研究顯得尤為重要。

1 天線結構設計

在遙測標準新舊交替之際，既要充分利用已有遙測資源，又要兼顧遙測的網絡化發展。S波段遙測鏈路和C波段無線網鏈路共存，將是一個長期的過程，雙波段遙測天線的共用和集成也是一種發展趨勢。雙波段自動跟蹤天線的結構是必需解決的首要問題。為了滿足工程應用和兼容性要求，簡化結構、降低成本，目前國外的雙波段、雙模式自動跟蹤天線基本上都采用天線共用和集成方案，主要有以下幾種方式：

方式一：雙天線同驅動方式。并肩（或背負）式天線，即在S波段遙測接收天線的一側再安裝一個C波段雙向寬帶數據鏈天線，或S波段遙測接收天線的上側背負一個C波段雙向寬帶數據鏈天線，兩個天線共用一套伺服驅動云臺。目前航空飛行試驗使用的遙測接收天線一般為小于2.5 m的拋物面天線，根據地面天線增益估算[4] ，C波段無線網收發器達到300 km/20 Mb/s的傳輸能力，需要使用2.4 m拋物面天線。2個2 m以上的天線相互并肩或背負，不僅使2個窄波束天線的調校帶來困難，也會由于提高了1倍的傳動負載和風阻，使自跟蹤天線的驅動部件產生質的改變，將地面天線的配套成本急劇增加。此種方案顯然不可取。

方式二：單天線多饋源方式。即拋物面天線和伺服驅動共用，S和C波段饋源相互獨立。對于此方式，首先，相當于增加了一個饋源的重量，提高了1倍的傳動負載，可能超過驅動部件的負載能力。其次，由于拋物面到天線底座連線孔位置有限，C波段饋源所產生的連接線無法到達底座，此方式也不可取。

方式三：單天線饋源集成方式。即拋物面天線和伺服驅動共用，S和C波段饋源集成在一起，外部看來和單波段天線沒有兩樣。該方案不會增加驅動部件的負載，連線也更加方便。該種方案不僅可行，而且更為合理。

2 一體化饋源設計

饋源集成微帶線和差網絡，具有性能高、尺寸小、重量輕的特點，適合電小天線設計。一體化饋源單元布局方案有3種，如圖1所示。

圖1（a）中，采用九單元雙極化微帶饋源，中間為C頻段發射單元，四周邊角A、B、C、D為S頻段接收單元，四周R1、R2、R3、R4為C頻段接收單元。圖1（b）和圖1（c）采用五單元雙極化微帶饋源，圖1（b）中間為S頻段接收單元，四周為C頻段收發單元，圖1（c）則相反。

對應饋源單元的3種布局，可以采取不同的跟蹤方式。對于圖1（a）方式，S波段和C波段都可以進行跟蹤；圖1（b）方式，只能采取C波段進行跟蹤；圖1（c）方式，只能采取S波段進行跟蹤。現有系統絕大多數使用S波段進行跟蹤，采用第3種方式可以不改變原有跟蹤方式，是最經濟實用、風險最小的設計方案。

圖1 饋源單元布局圖

因此，饋源設計采用五單元雙極化微帶饋源，每個微帶單元形成的水平極化波和垂直極化波經過圓極化器形成左旋圓極化和右旋圓極化波。集成微帶線和差網絡，左旋通道和差形成網絡如圖2所示，右旋通道和差形成網絡與左旋通道相同。

圖2 左旋通道和差形成網絡

方位差和俯仰差信號經[0π]調制器正交調制后合成到合通道上，形成單通道單脈沖信號，其正交調制波形如圖3所示[4] 。

圖3 單通道單脈沖正交調制信號

3 波段無線網絡數據傳輸

iNET標準在傳統PCM遙測鏈路外增加上下行的雙向無線網絡鏈路，使遙測系統既有串行PCM下行功能，也具有遙測數據上下行功能，實現飛行試驗遙測系統的網絡化和空地一體化[2，5] 。本研究中通過增加C波段網絡收/發器、LNA和功放等關鍵設備，實現C波段網絡數據的雙向傳輸，地面站C波段無線網絡數據傳輸原理框圖如圖4所示。

圖4 C波段無線網絡數據傳輸原理框圖

LNA模塊安裝在接近饋源端口位置，減小饋源輸出和功放接口間的饋纜損耗能直接降低系統的噪聲系數。如果饋纜損耗由1 dB降低至0.5 dB，那么整個系統的噪聲系數就變好0.5 dB，即最小接收靈敏度提高了0.5 dB，也相當于間接增大信號的覆蓋范圍。LNA盒安裝在饋源盒頂部，并通過低損射頻饋纜與C波段饋源聯接，最大限度縮短該射頻饋纜長度，能夠提高系統靈敏度。

將無線網絡收發器和功放安裝在天線底座內，高速數據匯流環的上方，通過高速數據匯流環實現高速網絡數據的通信，可以減少電纜傳輸的損耗，提高寬帶雙向鏈路的靈敏度。

4 結 語

通過對C波段無線網與S波段遙測天線共用技術進行研究，提出了可行性技術方案，對原有系統進行改造升級，實現了雙波段數據的實時傳輸，通過飛行試驗驗證了該方案的可行性。隨著國家經濟的高速發展，民用需求的快速擴張，遙測頻率資源被占用的問題不能避免，這雖然對科研試飛任務帶來了不利影響，但也是擴展頻率資源、提高技術能力的一個最佳時機。重新規劃整合遙測系統資源，自主研發遙測系統設備，實現遙測頻段的擴展，改進原有系統不足，并實現系統設備的國產化替代，為提高測試能力提供支持。

參考文獻

[1] 宋政斌，王偉，權永剛.無線網在飛行試驗遙測傳輸中的研究與應用[J].計算機測量與控制，2012，20（1）：153?154.

[2] 張俊民，袁炳南，白效賢.iNET的技術框架和應用前景[J].測控技術，2010，29（11）：15?17.

[3] 國防科學技術工業委員會.GJB 21.1B?2006 遙測標準 第1部分：無線電信道[S].北京：國防科學技術工業委員會，2007.

[4] 中國人民解放軍總裝備部軍事訓練教材編輯工作委員會.無線電遙測遙控（上冊）[M].北京：國防工業出版社，2001.

[5] 袁炳南，霍朝暉，白效賢.新一代遙測網絡系統：TmNS[J].測控技術，2010，29（11）：18?21.

[6] 白效賢，范旭明，于艷.基于無線網的飛行試驗遙測傳輸技術研究[J].航空科學技術，2008（5）：26?28.