衛(wèi)星通信低剖面陣列動(dòng)中通天線

更新時(shí)間：2015年08月21日 

隨著全球信息化的高速發(fā)展，越來(lái)越多的信息通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行傳輸，在移動(dòng)載體上隨時(shí)隨地與衛(wèi)星通信，已成為軍民兩用應(yīng)急通信、實(shí)時(shí)通信的迫切需求。衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是天線技術(shù)，故適合移動(dòng)通信的低剖面動(dòng)中通天線技術(shù)的研究已成為衛(wèi)星移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。另一方面，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有動(dòng)中通天線產(chǎn)品不能完全滿足國(guó)內(nèi)的使用需求，且多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)被國(guó)外封鎖或壟斷。在此情況下，多部委提出應(yīng)用需求，并下達(dá)了研制任務(wù)。

“衛(wèi)星通信低剖面陣列動(dòng)中通天線”項(xiàng)目有多個(gè)子項(xiàng)目來(lái)源，4個(gè)主要來(lái)源項(xiàng)目是“低輪廓?jiǎng)又型ㄌ炀�”、“機(jī)載衛(wèi)星聲像傳輸系統(tǒng)”、“0.6米Ku/Ka雙頻段動(dòng)中通天線”、“新型通信裝備車(chē)”，均為部委下達(dá)的任務(wù)。項(xiàng)目組圍繞動(dòng)中通天線的高效率、低剖面、高精度穩(wěn)定跟蹤等難題展開(kāi)技術(shù)研究，研制的低剖面陣列動(dòng)中通天線裝載于車(chē)載、機(jī)載等多種移動(dòng)平臺(tái)，能夠支持Ka/Ku雙頻段或KU單頻段工作，滿足相關(guān)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)中不間斷信息傳輸要求。項(xiàng)目共獲得發(fā)明專利10項(xiàng)，制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇。項(xiàng)目成果已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈、衛(wèi)星偵察對(duì)抗、航天測(cè)控等軍事領(lǐng)域以及海監(jiān)、公安、消防、武警、新聞采集、抗震救災(zāi)等民用應(yīng)急通信領(lǐng)域，在國(guó)家重大事件的應(yīng)急保障活動(dòng)中發(fā)揮了重大作用，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著。該項(xiàng)目由中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所獨(dú)立完成。主要完成人員有牛傳峰、魏英杰、李建軍、蘇曉莉、陳若平、劉昕、米宏偉、詹英、李濤、楊國(guó)棟。

一、科學(xué)技術(shù)內(nèi)容

衛(wèi)星通信低剖面動(dòng)中通天線為國(guó)內(nèi)首次研制，技術(shù)難度大，研制過(guò)程中遇到了很多技術(shù)難題，經(jīng)過(guò)課題組的艱難攻關(guān)，均得到了較好地解決。該項(xiàng)目所研制的天線結(jié)構(gòu)組成和布局圖見(jiàn)圖1，下面以0.6米 Ku/Ka雙頻段動(dòng)中通天線為例對(duì)衛(wèi)星通信低剖面動(dòng)中通天線的研制內(nèi)容進(jìn)行論述。

天線組成：Ku/Ka雙頻段天線由Ku平板天線陣列及射頻信道、Ka平板天線陣列及射頻信道、信標(biāo)接收機(jī)、天線控制單元、天線座架、北斗（GPS）和慣導(dǎo)等部分組成，系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

天線工作原理：系統(tǒng)加電展開(kāi)后，根據(jù)衛(wèi)星經(jīng)度參數(shù)、車(chē)輛定位信息和姿態(tài)信息，天線控制單元ACU自動(dòng)引導(dǎo)天線指向衛(wèi)星并使信標(biāo)接收機(jī)鎖定，天線轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)，使天線始終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。Ku或Ka波段接收信號(hào)通過(guò)下變頻器轉(zhuǎn)換到C波段，通過(guò)同軸射頻關(guān)節(jié)提供通信終端設(shè)備；Ku或Ka波段發(fā)射信號(hào)，經(jīng)波導(dǎo)關(guān)節(jié)送入饋電網(wǎng)絡(luò)，然后通過(guò)天線陣列輻射出去。

天線接口采用波導(dǎo)接口，來(lái)自射頻功放的發(fā)射Ku信號(hào)經(jīng)俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、極化調(diào)整裝置、頻率雙工器通過(guò)天線陣列向空間輻射；天線陣列接收的Ku下行信號(hào)通過(guò)LNA放大后，進(jìn)入極化調(diào)整模塊進(jìn)行極化調(diào)整后，與下變頻器連接。

二、主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

1．高效率雙極化低剖面波導(dǎo)陣列天線技術(shù)

（1）發(fā)明了十字腔體波導(dǎo)同相陣列設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了天線陣列的大規(guī)模、雙極化、收發(fā)共用、低損耗、高效率，與傳統(tǒng)微帶天線相比，提高了天線效率，口徑效率高達(dá)90%。波導(dǎo)陣列及饋電網(wǎng)絡(luò)照片見(jiàn)圖3。陣列天線在同一輻射口面集成兩種正交的線極化陣列，使得能夠按照任意線極化方式工作。饋線部分采用帶線+波導(dǎo)組陣的方式，以達(dá)到低損耗的效果。

（2）提出了4:1低剖面陣列天線的設(shè)計(jì)方法，與傳統(tǒng)拋物面天線相比，大大降低了剖面高度，實(shí)現(xiàn)了天線的低剖面、小型化，Ku單頻段天線剖面高度小于300mm，Ku/Ka雙頻段天線剖面高度小于320mm。另外，4:1的陣列比例獲得了方位:俯仰=1:4的波束寬度比，使0.6米天線方位面波束寬度等效1.5米的波束寬度，減小了天線的臨星干擾。0.6米Ku頻段動(dòng)中通天線尺寸及方向圖見(jiàn)圖4。

（3）一體化集成化設(shè)計(jì)技術(shù)。將天線陣列、饋電網(wǎng)絡(luò)、LNA、極化調(diào)整模塊、波束形成網(wǎng)絡(luò)、跟蹤接收機(jī)進(jìn)行模塊化、集成化設(shè)計(jì)，減小了饋線損耗，提高了天線效率和系統(tǒng)G/T值，降低了天線重量，縮小了天線厚度，提高了天線整體性能。Ku/Ka天線陣列布局分別見(jiàn)圖5。天線射頻信道原理框圖見(jiàn)圖6。

2．相控陣電子波束掃描綜合導(dǎo)航跟蹤技術(shù)

（1）發(fā)明了相控陣天線波束形成跟蹤方法，天線四個(gè)子陣之間采用相控陣方法進(jìn)行電子波束掃描，相控陣電子波束掃描頻率高達(dá)100Hz以上，電平跌落小于0.32dB。天線子陣分布及波束掃描效果示意圖見(jiàn)圖7，動(dòng)中通天線跑車(chē)照片及電平跌落曲線見(jiàn)圖8。

（2）提出了波束掃描跟蹤指向?qū)�慣導(dǎo)適時(shí)校正的技術(shù)方法，克服了傳統(tǒng)慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差累積漂移問(wèn)題，將捷聯(lián)慣導(dǎo)的理論、算法與傳統(tǒng)的伺服理論相結(jié)合，研發(fā)出基于動(dòng)中通天線平臺(tái)的低成本捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)。

3．自動(dòng)極化調(diào)整技術(shù)

Ku頻段衛(wèi)星信號(hào)為雙線極化，不同地域的極化角不同，因此需要對(duì)天線極化進(jìn)行調(diào)整。針對(duì)Ku接收頻段，采用可調(diào)衰減器分別調(diào)整兩個(gè)極化的分量，通過(guò)不同的幅度比例來(lái)改變天線的極化方向，實(shí)現(xiàn)了與衛(wèi)星信號(hào)極化的匹配。天線極化及極化調(diào)整原理圖見(jiàn)圖9。

4．天線罩和饋電網(wǎng)絡(luò)小插損測(cè)試技術(shù)

提出了利用Y因子法測(cè)量天線在帶罩和不帶罩情況下的噪聲溫度，計(jì)算二者的差值求得天線罩引起的天線剩余噪聲溫度，由此確定天線罩的插入損耗。提出了利用標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭比較測(cè)試饋電網(wǎng)絡(luò)的插入損耗的方法，由饋源喇叭的增益減去饋源網(wǎng)絡(luò)的增益，即得饋電網(wǎng)絡(luò)的插入損耗。

三、應(yīng)用推廣和效益情況

項(xiàng)目組對(duì)衛(wèi)星通信低剖面陣列動(dòng)中通天線進(jìn)行了國(guó)內(nèi)外比較。國(guó)內(nèi)方面，某部信息化部對(duì)0.6米低剖面動(dòng)中通天線進(jìn)行了招標(biāo)測(cè)試，在9家單位的產(chǎn)品中，該項(xiàng)目研制的動(dòng)中通天線性能突出，綜合排名第一，并獲得了“國(guó)防通信網(wǎng)設(shè)備器材進(jìn)網(wǎng)許可證”。國(guó)外方面，0.6米低剖面動(dòng)中通天線與國(guó)際上最先進(jìn)的以色列E7000動(dòng)中通天線和TracStar i450M動(dòng)中通天線進(jìn)行了多次對(duì)比測(cè)試，結(jié)果顯示，我國(guó)研制生產(chǎn)的0.6米低剖面動(dòng)中通天線多項(xiàng)性能優(yōu)于E7000和TracStar i450M動(dòng)中通天線，跟蹤信標(biāo)信號(hào)的跟蹤方式更適合我國(guó)國(guó)情。而且，天線完全自主生產(chǎn)，成本較國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品低，具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

目前項(xiàng)目產(chǎn)品已銷(xiāo)售500多套，直接經(jīng)濟(jì)效益超過(guò)4.7億元，在國(guó)家重大事件的應(yīng)急保障活動(dòng)中發(fā)揮了重大作用，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。整體來(lái)看，低剖面動(dòng)中通天線的研制成功打破了國(guó)外技術(shù)壁壘，促進(jìn)了天線技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，提高了我國(guó)在天線領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、制造水平，提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。為應(yīng)急衛(wèi)星通信提供了小型化、高效率、多頻段的新型天線，滿足了軍民兩用應(yīng)急通信、實(shí)時(shí)通信的迫切需求。攻克了“高效率雙極化波導(dǎo)陣列天線”等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，為小型化移動(dòng)衛(wèi)星通信終端的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供了技術(shù)支撐，帶來(lái)了小型化移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用熱潮。