一種平面結(jié)構(gòu)的遙感衛(wèi)星接收天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

索宏澤，路志勇

(1.中國電子科技集團(tuán)公司航天信息應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

遙感衛(wèi)星包括資源衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星和災(zāi)害衛(wèi)星等多種衛(wèi)星。衛(wèi)星遙感技術(shù)不僅局限于針對地表的遙感監(jiān)測，而是對整個(gè)地球系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。各種遙感衛(wèi)星獲得了大量的圖像、測試數(shù)據(jù)等遙感信息，需要傳回到地面接收系統(tǒng)。由于數(shù)據(jù)量大，地面的衛(wèi)星接收系統(tǒng)一般采用高增益天線，以實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的高速傳輸。

常用的高增益天線有反射面天線、陣列天線等形式，其中陣列天線又可分為固定波束陣列天線和相控陣天線，各種形式的天線各有優(yōu)劣，方案選擇時(shí)需要綜合考慮。

國內(nèi)外，遙感衛(wèi)星接收天線一般采用反射面天線，文獻(xiàn)[1-5]給出了反射面天線在饋源設(shè)計(jì)、反射面設(shè)計(jì)和跟蹤方式等方面進(jìn)行的改進(jìn)工作。國內(nèi)外一些學(xué)者也在研究利用平面陣列天線形式用作遙感天線，文獻(xiàn)[6-9]給出了幾種平面陣列形式天線的設(shè)計(jì)，例如意大利的學(xué)者設(shè)計(jì)了用于遙感接收的L波段平面微帶陣列天線。利用平面陣列天線實(shí)現(xiàn)天線小型化是遙感衛(wèi)星接收天線的技術(shù)發(fā)展方向之一。

本文給出了一種平面結(jié)構(gòu)的遙感衛(wèi)星接收天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該天線采用有源子陣合成技術(shù)，克服了常規(guī)大型陣列天線效率低的問題，實(shí)現(xiàn)了高效率性能。采用相控波束掃描跟蹤方式，克服了常規(guī)單脈沖跟蹤方式存在的校相問題，實(shí)現(xiàn)了快速跟蹤。

1 總體設(shè)計(jì)

高增益的遙感衛(wèi)星接收天線有3種天線形式可供選擇：① 傳統(tǒng)的拋物面天線，采用差模單脈沖跟蹤或四喇叭單脈沖跟蹤；② 有源平面陣列天線，方位、俯仰均采用小角度相控波束掃描、機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤方式；③ 相控陣天線，采用一維或二維相控波束掃描跟蹤。3種天線形式的優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所示。

表1 幾種天線形式優(yōu)缺點(diǎn)比較

由表1可見，有源平面陣列天線與傳統(tǒng)的反射面天線相比，小型化優(yōu)勢明顯，是實(shí)現(xiàn)高效率、小型化艦載天線的有效辦法；與相控陣天線相比，全空域覆蓋性能優(yōu)勢明顯，技術(shù)難度相對較低、可實(shí)現(xiàn)性好、成本低。

等效4.5 m的有源平面陣列天線整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，相同電氣性能的4.5 m反射面天線整體結(jié)構(gòu)外形圖如圖2所示。比較圖1與圖2可見，采用有源平面陣列形式，天線系統(tǒng)的整體高度由反射面天線的5 500 mm減小到4 500 mm，回轉(zhuǎn)空間直徑由6 200 mm減小到5 000 mm，即有源平面陣列天線的整體高度和回轉(zhuǎn)空間直徑均比反射面天線小1 m以上，達(dá)到了小型化的設(shè)計(jì)目的。

圖1 等效4.5 m平面陣列天線整體結(jié)構(gòu)外形

圖2 4.5 m反射面天線整體結(jié)構(gòu)外形

2 有源平面陣列天線系統(tǒng)組成

有源平面陣列天線與天線座架、伺服跟蹤等一起構(gòu)成有源平面陣列天線系統(tǒng)，用于遙感衛(wèi)星接收系統(tǒng)中，可實(shí)時(shí)跟蹤遙感衛(wèi)星并實(shí)現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)接收。有源平面陣列天線系統(tǒng)組成框圖如圖3所示。

圖3 有源平面陣列天線系統(tǒng)組成

有源平面陣列天線是系統(tǒng)的信號(hào)接收部分，包括天線陣列、饋電網(wǎng)絡(luò)和低噪聲放大器等部分。天線座架采用A-E-C三軸座架，可實(shí)現(xiàn)天線波束全空域覆蓋，保證遙感衛(wèi)星接收系統(tǒng)全空域接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)。伺服跟蹤系統(tǒng)采用電子波束掃描方式，可實(shí)現(xiàn)天線波束快速跟蹤，滿足天線波束實(shí)時(shí)對準(zhǔn)衛(wèi)星的需要。

3 有源平面陣列天線難點(diǎn)分析及解決方法

有源平面陣列天線在保證天線性能的前提下，實(shí)現(xiàn)了天線系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)。該天線設(shè)計(jì)主要面臨2個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：

① 天線效率問題。對于常規(guī)的反射面天線，天線效率一般在60%以上。影響反射面天線效率的主要因素是饋源照射漏失和口徑分布。平面陣列天線沒有照射漏失問題，但是對大規(guī)模陣列進(jìn)行饋電，其饋電網(wǎng)絡(luò)具有較大損耗，也會(huì)影響天線效率。

② 天線跟蹤問題。對于常規(guī)的反射面天線，天線跟蹤采用單脈沖跟蹤方式。單脈沖跟蹤方式對天線接收靈敏度具有較高的要求，并且需要繁瑣的校相工作[10]，使用起來非常不方便。利用陣列天線便于分塊的特點(diǎn)，分成4部分，通過相位控制形成4個(gè)方向的波束掃描，引導(dǎo)天線跟蹤。

對于天線效率問題，采取的主要措施是采用高效率的天線子陣形成有源子陣，有源子陣再合成大型陣列。這樣，既保證了天線高效率性能，又使整個(gè)天線的復(fù)雜度不會(huì)過高。對于等效4.5 m口徑反射面的大型有源平面陣列天線[11]，可分成16×16個(gè)有源子陣，每個(gè)有源子陣由天線子陣和有源模塊組成，組成框圖如圖4所示。每個(gè)天線子陣由8×8個(gè)天線單元構(gòu)成，天線單元采用圓極化背腔天線單元[12]，子陣內(nèi)部的合成網(wǎng)絡(luò)采用波導(dǎo)形式，具有很低的損耗，保證天線子陣具有80%以上的效率。天線單元也可采用其他形式，根據(jù)系統(tǒng)要求確定合適的天線形式[13-15]。

圖4 天線陣列組成

利用有源子陣合成技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高效率的大型陣列天線[16]，其原因：一是天線子陣內(nèi)部的合成網(wǎng)絡(luò)具有很小差損，減小了合成網(wǎng)絡(luò)損耗帶來的效率下降；二是子陣間的合成網(wǎng)絡(luò)位于低噪聲放大器之后，其差損是在信號(hào)放大之后，對天線噪聲的影響幾乎可以忽略[17-18]。

對于天線跟蹤問題，采用陀螺穩(wěn)定和相控電子波束掃描體制，保證高精度跟蹤。天線跟蹤時(shí)，首先根據(jù)衛(wèi)星軌跡和艦體位置、姿態(tài)信息，自動(dòng)掃描搜索捕獲衛(wèi)星；當(dāng)相控電子波束掃描接收機(jī)輸出AGC電平滿足跟蹤條件時(shí)自動(dòng)切換到自跟蹤狀態(tài)。

根據(jù)有源平面陣列形式的特點(diǎn)，可設(shè)計(jì)一種簡單的跟蹤方式，可稱作相控波束掃描跟蹤方式。這種跟蹤方式的實(shí)現(xiàn)方法是：整個(gè)有源平面陣列天線分成上左、上右、下左、下右4個(gè)部分，每部分包含8×8個(gè)有源子陣，如圖5所示。與單脈沖跟蹤方式不同的是，每部分之間不使用和差網(wǎng)絡(luò)形成和差波束，而是每部分用各自的合成網(wǎng)絡(luò)合成后再分別連接移相器，最后用合路器合成。通過控制移相器的相位，可以控制天線波束向上、下、左、右4個(gè)方向的小角度掃描，即形成相控電子波束掃描。

圖5 陣列劃分及移相器配置原理

控制移相器移相后，電子波束掃描情況如圖6所示。圖6中，中間曲線為波束未偏移的方向圖，左右2條曲線分別為波束左右(或上下)偏移后的方向圖。可以看出，波束偏移后，正前方電平(-0.3 dB)與波束最大值電平(0 dB)相差0.3 dB，可以為電子波束掃描跟蹤接收機(jī)提供誤差信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高精度跟蹤。特別指出的是，相控波束掃描跟蹤沒有單脈沖跟蹤方式存在的校相問題，且設(shè)備組成簡單，便于在各種場合，尤其是機(jī)動(dòng)站使用。

圖6 小角度相控波束掃描示意

4 天線實(shí)測結(jié)果分析

設(shè)計(jì)并加工了平面陣列天線的8×8子陣，測試了該子陣的各項(xiàng)性能，子陣方向圖實(shí)測結(jié)果如圖7所示。該8×8天線子陣在1 GHz帶寬內(nèi)，實(shí)測的波束寬度在7.04°～7.66°之間，天線增益范圍26.36～27.25 dB，天線口面效率范圍83.33%～86.37%。可見，該天線子陣達(dá)到了80%以上的口面效率。另外，該天線子陣還具有良好的寬帶匹配特性和圓極化軸比特性。

圖7 8×8子陣方向圖實(shí)測結(jié)果

有源子陣中，有源模塊主要包括低噪聲放大器。通過測試，低噪放模塊達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為：相位一致性：≤±3°；幅度一致性：≤±0.2 dB；增益：≥30 dB；噪聲系數(shù)：≤1.15 dB。該低噪放具有良好的噪聲系數(shù)，可保證整個(gè)天線系統(tǒng)的良好性能；同時(shí)該低噪放增益較高，后級(jí)的合成網(wǎng)絡(luò)、電纜等損耗對系統(tǒng)噪聲的影響幾乎可以忽略。

從實(shí)測結(jié)果可以看出，該平面陣列天線可以達(dá)到80%以上的效率，滿足高效率、小型化的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

采用有源子陣合成的方法，不僅可以實(shí)現(xiàn)高效率的平面陣列天線和天線系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)，而且便于實(shí)現(xiàn)相控波束掃描的跟蹤體制，簡化天線跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)。用平面陣列天線實(shí)現(xiàn)的大型高增益天線與傳統(tǒng)反射面天線相比，具有效率高、外形尺寸小和跟蹤性能好等優(yōu)勢。該天線不僅適合用作小型化的遙感衛(wèi)星接收天線，也可用于偵收、通信等系統(tǒng)中。用作小型化或可拆裝的便攜站或車載站天線具有廣泛的應(yīng)用前景。

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