一種S和Ka雙頻段相控陣衛星動中通天線設計

周家喜，彭立軍，張正宇

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0　引言

隨著我國天地一體化信息網絡重大工程啟動建設，衛星通信的應用范圍將越來越廣泛，諸如民航飛機、火車、長途客車等載體都逐步加裝動中通衛星通信系統，以實現在運動過程中的不間斷衛星通信。

在全球范圍內，衛星通信主要工作頻段有UHF頻段、L/S頻段、C頻段、Ku頻段、Ka頻段，并朝著EHF和太赫茲等更高頻段發展，目前動中通系統大多針對單一頻段進行設計，在實際使用時可選擇的衛星資源相對較少，給應用帶來一定的限制[1-2]；另外受到高速運動載體安裝空間的限制，比如飛機和高鐵等對氣動外形有嚴格要求的平臺，對動中通天線的高度也有嚴格的限制。采用拋物面天線的動中通普遍較高，只能安裝在對高度要求不嚴格的平臺上，近年來研究的重點是平板陣列形式天線的動中通[3-6]，文獻[7-9]研究了不同形式的天線及極化跟蹤技術，文獻[10-17]研究了各種伺服跟蹤技術。

為了能更好地滿足同時支持多顆衛星且天線高度低的要求，相控陣技術逐漸應用于衛星通信中[6-7]。本文針對雙頻段天線設計以及相控陣體制在衛星動中通方面應用開展了研究，設計研制了一種同時支持S和Ka頻段、采用了相控陣體制的動中通天線，進一步降低了天線的高度，以滿足更多高速運動平臺的應用需求。

1　動中通天線系統總體設計

動中通天線的天線類型以及跟蹤方式眾多，根據采用的天線形式可以分為拋物面天線和切割拋物面天線、平板陣列天線，3種形式的天線高度依次降低。從采用的跟蹤體制可分為兩維機械跟蹤、一維機械一維相控陣跟蹤、兩維相控陣跟蹤，其中兩維機械跟蹤體制的動中通已有非常成熟產品。當前研究的熱點則是采用平板天線的低剖面相控陣動中通，主要包含一維機械一維相控陣跟蹤體制和兩維相控陣跟蹤體制，其中兩維相控陣體制由于受到天線掃描范圍的限制，目前主要是應用于導彈、戰斗機等對氣動外形要求非常嚴格的平臺，且需要使用多個天線才能滿足全空域的覆蓋要求。一維機械一維相控陣體制既發揮了相控陣的快速跟蹤和低剖面的優勢，又保留了機械跟蹤在空域覆蓋范圍上的優勢。

1.1　系統硬件設計

一維機械一維相控陣體制的動中通天線一般指方位機械跟蹤和俯仰相控跟蹤，從結構上可以分為轉子和定子兩部分，轉子部分可實現360°無限制旋轉，以保證方位向對衛星的跟蹤，定子部分則實現與平臺的安裝接口等。從實現的功能模塊上看，包含無源平板天線、發射組件、接收組件、功分器、收發通道、校正收發通道、微波鉸鏈、匯流環、波控單元、伺服控制以及電源等部分組成。S和Ka雙頻段一維機械一維相控陣跟蹤體制的動中通天線原理如圖1所示。

系統中主要的模塊功能為S和Ka頻段的無源天線實現信號的空間收發。發射組件即為小功率功放，主要實現信號的末級放大，發射組件內部包含有數字移相器、數控衰減器、濾波和功放等。接收組件主要實現對天線接收信號的初級放大，接收組件內部包含低噪聲放大器、數控移相器和濾波器等。功分器和合路器則實現信號的合成和分配，功分器是將發射通道輸出的信號功分至多個發射組件；合路器則是將多個接收組件輸出的信號進行合成，輸出一路信號到接收通道后續處理模塊。發射通道實現發射信號的放大

圖1　一維相控陣體制雙頻段天線實現原理

和濾波等功能；接收通道實現接收信號放大和濾波等功能。波控單元則實現對發射組件和接收組件內的數控移相器以及數控衰減器的實時控制，以調整天線的波束指向，實現對衛星的實時跟蹤。校正收發通道則實現校正信號的發射和接收。匯流環和微波鉸鏈分別實現低頻控制信號、電源和射頻信號從伺服轉臺的定子部分到轉子部分的傳輸。

由于Ka頻段信號傳輸損耗大，特別是通過微波鉸鏈時的損耗很大，且Ka頻段的毫米波鉸鏈成本極高，因此在系統設計時，將頻率源和相應的變頻模塊放置到天線轉子部分，最終變為S頻段或者L頻段經過多工器合并后再經過雙通道的微波鉸鏈。

轉子部分的頻率源為Ka頻段收發通道、Ka頻段接收通道以及Ka頻段校正通道中的變頻器提供本振時鐘，特別需要注意的是，相控陣系統需要進行校正，因此全系統時鐘需進行相參設計，頻率源的參考時鐘采用外部輸入。

在該系統中，除了結構的緊湊集成設計外，最重要的是Ka頻段相控陣的設計與校正以及伺服跟蹤控制兩個方面。

1.2　Ka頻段天線與組件的綜合優化設計

Ka頻段相控陣天線采用多個通道并行收發，在天線設計時，為滿足上半空域覆蓋，天線至少需要實現±45°的掃描角度，俯仰向的天線單元間距約為半個波長；另外對于Ka頻段，功放芯片的效率相對較低，通常在30%左右，且單個芯片輸出功率較小，通常在1 W左右。為了實現天線陣面上熱量的均勻分布，便于系統散熱，在進行天線設計時除了將天線設計為俯仰向每行一個接口外，在方位向也將天線一分為二，即將天線設計為2列N行的形式，進一步增加通道數量，以在總的EIRP要求不變的前提下，降低每個通道的發射功率要求。這種設計方案既可以實現發射組件的輕小型化，又可以實現熱量的均勻分布，且可直接將組件安裝于天線背面，利用天線板進行散熱。天線設計及組件安裝示意圖如圖2所示。

圖2　天線設計及組件安裝示意

1.3　相控陣天線校正設計

由于Ka頻段元器件本身的一致性較差，再加上加工工藝來帶的誤差，使得各個天線單元以及收發組件之間的幅度和相位存在較大的不一致性，為了有效合成波束，必須對相控陣天線系統進行校正，消除各個通道之間的不一致性。通常的發射校正采用時分方式，每次打開一個發射通道，這種校正方式需要在每個發射組件內部集成開關，并且還需要波控單元輸出開關控制信號到每個發射組件，增加了組件和系統的設計復雜度。而BIT(Built-in Test)行波校正法則可以利用信號的正交性，不需要對發射組件進行開關控制，可極大簡化發射組件的設計，減少了模塊之間的連接電纜數量。

BIT行波校正法通過在天線單元與發射組件之間增加行波饋電網絡，實現對天線單元近似等幅度和線性相位激勵。在單根線陣下加一根耦合波導作為校正網絡，耦合波導與天線之間耦合度設計為-45 dB，校正網絡與天線陣采用一體化設計和加工。校正網絡的輸出端接校正收發通道模塊，另一端接匹配負載。校正網絡結構示意圖如圖3所示。

圖3　校正網絡設計示意

BIT行波校正原理為：發射機輸出射頻信號激勵天線，校正耦合網絡通過耦合通道耦合輸出各發射組件的射頻信號形成行波信號，再將行波信號輸出到待檢的饋電系統中，從而用注入到行波饋電網絡的信號來模擬輻射到θ方向的遠場信號(θ為波束偏離天線陣面法線方向的角度)。在通道相位校準過程中，按照一定波束指向角(-45°～45°)，設置所有移相器的相位來模擬輻射到不同角度的遠場信號，通過有序地改變波束指向，接收機測出每一掃描位置發射信號的相位和幅度值，并將信號通過接口送入計算機，在計算機內進行矩陣求逆后可以得到陣元幅度和相位值。

對于N個單元的陣列天線，最終將獲得一組N個復數代數方程，每個方程代表由各單元激勵的遠場輻射場E(θm)，m從1步進到N，利用矩陣求逆來求解這組方程可以得到陣元的激勵電壓。校正實現原理框圖如圖4所示。

圖4　BIT行波校正原理

1.4　伺服跟蹤系統設計

在進行伺服跟蹤時，首先根據當前使用衛星的經緯度以及載體的經緯度和高度信息，計算出天線在地理坐標系下的方位和俯仰角。伺服平臺安裝在載體上，只能以載體坐標系為基準控制天線運動。為了保持天線波束指向穩定，在控制天線運動前必須進行坐標轉換，求得在載體坐標系下的天線控制角度。

在地理坐標系中，天線波束指向應與單位矢量[u]重合

式中，ψ為天線俯仰角；α為天線方位角。

一般情況下，地理坐標系和載體坐標系的軸線是不重合的，將單位矢量[u]轉換到載體坐標系有：

式中，αt、ψt、θt分別為載體的偏航角、俯仰角和橫滾角；[αt]，[ψt]和[θt]均為3×3坐標旋轉矩陣，

所以，在載體坐標系中[u]b為：

式中，

Xb=cosψ[cosθtsin(α-αt)+sinθtsinψtcos(α-αt)]-

sinψsinθtcosψt；

Yb=cosψcosψtcos(α-αt)+sinψsinψt；

Zb=cosψ[sinθtsin(α-αt)-cosθtsinψtcos(α-αt)]+

sinψcosθtcosψt。

進而可以求得天線在載體坐標中的方位角αb和俯仰角ψb分別為：

(6)

在完成波束指向角度的計算后，首次伺服系統控制方位電機驅動轉臺使得天線波束指向方位角αb，然后再通過波控單元控制發射組件和接收組件內的移相器，實現俯仰波束指向俯仰角ψb，使天線法線指向與單位矢量u重合。在完成運動補償后，天線將指向既定目標，然后控制器檢測到跟蹤接收機送來的信號強度幅值反饋信息，通過小步進調整天線指向，使得接收到的信號幅值最大，通過這個信號幅值檢測跟蹤最后實現了系統閉環跟蹤。

由于動中通天線系統規模一般相對較小，波控單元需要控制的移相器數量也較少，在設計時可以直接將天線各個掃描角度對應的移相器數值計算好并生成移相碼表常駐于內存之中，波控單元在進行俯仰向波束控制時，首先根據掃描角度信息查移相碼表，得出每個移相器對應的移相碼數值，再按照相應時序關系，通過控制接口將移相碼送到各移相器。

2　系統測試結果與分析

根據以上設計方案研制了S和Ka頻段一維機械一維相控陣動中通系統的試驗樣機，并進行了天線的暗室測試以及衛星跟蹤通信試驗，如圖5所示。

圖5　天線暗室測試和外場跟蹤試驗

2.1　天線暗室測試結果

S頻段一維相控陣天線的收發波束均可進行相控陣掃描，遠場暗室測試中分別測試了收發波束在-35°、0°、35°掃描角對應的方向圖，結果如圖6所示。

Ka頻段一維相控陣天線的波束可進行相控陣掃描，遠場暗室測試中分別測試了波束在-35°、-20°、0°、20°、35°掃描角對應的方向圖，結果如圖7所示。

圖6　S頻段波束法向及掃描方向圖

圖7　Ka頻段波束法向及掃描方向圖

2.2　衛星跟蹤試驗情況

利用外場環境搭建測試平臺以驗證天線的衛星跟蹤功能。天線安裝在一個測試轉臺上，開啟測試轉臺，讓測試轉臺在俯仰向和方位向進行動態運轉，以模擬正式安裝平臺的動態特性。外場的另一端搭建一個由測試電腦、頻譜儀和接收天線組成的信號接收平臺，在進行測試時，開啟Ka頻段發射天線，讓發射波束指向信號接收平臺，信號接收平臺實時采樣接收到的Ka頻段發射波束的功率值，通過計算得出功率偏差值以及偏差值對應的發射波束指向誤差。通過試驗測試表明，系統的跟蹤誤差小于十分之一的波束寬度。同時開展了衛星對接試驗，驗證了相控陣業務通信，實現了雙向的數據傳輸。

3　結束語

本文設計的雙頻段衛星動中通天線可以實現單臺設備同時支持2個頻段工作。一維機械跟蹤一維相控陣跟蹤體制，不僅提升了跟蹤的響應速度，同時還因為天線可以傾斜安裝，降低了天線的整體高度。采用BIT行波校正算法，將校正網絡和天線一體化設計，在滿足校正功能的同時簡化了發射組件和波控單元的設計。本文設計的天線系統，不僅結構緊湊、集成度高，同時因為采用了相控陣體制，將原先一個大功率功放變成多個獨立的發射組件，單個組件的實效不會對系統的通信性能帶來太大的影響，極大地提升了系統的任務可靠性。實際研制的樣機進行了暗室測試和動態衛星通信試驗，驗證了設計的可行性。