低剖面动中通天线发展现状与趋势.docx

1、低Mi动中9!写g田敬波黑龙江省消防总队m在综述低剖面动中通天线系统研究现状的基础上，对全相控阵方式、面天线机械扫描方式和混合方式几种典型低割面动中通天线系统的工作原理、关键技术进行了分析，得出了不同天线的优缺点及适用范围，并对动中通天线系统的未来发展趋势进行了展望，指出了其发展需解决的关键技术。厦I动中通天线研究现状发展趋势引言动中通n丽移动通信系统是指搭栽在移动载体上,在其移动过程中仍能与同步卫星保持正常通信的地面通信系统。动中通卫星通信系统穴有卫星通信覆盖区域广、不受地形地域限制、传输线路稳定可靠等优点,其核心部件是动中通卫星通信天线。动中通卫星通信天线主要由伺服跟踪系统和天馈系统两部分

2、组成，其中天馈系统是天线系统设计的页点，传统的天馈系统均采用抛物反射面天线。随若现代移动通信对通信系统灵活机动要求的提高.传统的抛物反射面天线笨重、体积庞大的劣势日益显现。传统的动中通天线大都共有圆对称的口径.宜径约lm(0.81.2m).天线高度较高,在大型车辆匕使用时.常常要对车辆进行改造.较难适应在小型车辆上的应用。为实现动中通天线的通用化应用，小型化、低剖面的天线系统设计成为目前动中通天线的主要发展方向。同时，近几年现代微电子技术、机械加工技术的快速发展.也为传统抛物反射面天线动中通系统向低成本、低剖面、高性能方向发展提供了有力的支持。a动中通卫星通信天线发展现状现有的动中通卫星通信天

3、线从波束形成到实现波束扫描以及天线跟踪的方式，可以分成三种类型：全相控阵方式、面天线机械扫描方式和混合方式。2.1全相控阵方式全相控阵方式的天线由许多辐射单元组成阵列.停控制每个单元的相位和幅度来形成所需要的波束.通过相位、幅度改变引起波束指向的变化，实现对卫星的跟踪。图1所示的L频段海事卫星动中通天线即是此种类型的典型代表。全相控阵方式的动中通天线通常由底座、慎电网络、天线阵和天线罩组成,其中底座用于固定天线；馈电网络用于为天线阵的各个相元进行供配电，通过不同的供配电组合实现天线阵不同相元的加断电.从而形成不同的波束合成。此种类型的天线单元大都可放在一个或几个平面上.靠馈电网络来形成天线波束

4、和波束指向的改变.因此其优点是可以做到天线高度很低.波束变化很快，有利于栽体快速运动时波束跟踪卫星。然而，对现有的Ku蚀电/网络天线阵/宙封鹿天线，图1海事卫星平面相控阵动中通天线(a)美国Tracstw的MVS450M天线（c）以色列AL-3G02天线BB2机械跟踪低剖面反射面动中通天线系统波段通信卫星来讲.要实现宽频带（高码速*）的星通信.天线的增益要求很高.天线的单元数必然很多.导致波束形成网络结构极为殳杂.成本较高。此外.考虑到运动栽体颠簸和道路坡度的影响,车栽动中通大线波束扫描范IW吸求很宽.般要求方位0°36（）。俯仰0°-90°或更大.而II.对方位

5、面的旁瓣电平有严格的要求。这在平面全相控阵天线的慵况下坦以做F:,I.所述.全相控降方武的动中通天线适用于低频段、通信速率较低II载体快速运动时需要波束跟踪U星的设备.如低频段机戟设备。2.2面天线机械传动方式而天线机械传动方式的天线仍.波如指向变化撒方位和俯仰电机加传动机构的方式来实现和以往传统的动中通1J.星通信天线相比.它仅仅是通过压低反射面的高度成省采用柱型抛物面等方式.使反射面由原来的圆对称形状变成高度较低、宽度较宽的不对称反射面.因而,天线波束宽度由原来的方位面、俯仰面基本相等变成俯仰面波束大大宽于方位面波束，由于在高仰角时.惯源的纵向长度（沿馋源长度方向）也影响天线总的高度.因此

6、，必须设法尽帝减小馈源及馈电网络的纵向尺寸。美MTracstar的IMVS45OM、句，国的Koreasat-3和以色列Orbit公司的AL-36（）2大线就是该形式的典型应用.如图2所示。面天线机械传动方式的天线方位角波束可以得到很好的控制.在足够宽的角度范围内.方向图旁瓣电平满足卫星通信地球站的相应规定.II具有成本低的优点。然而由于把俯仰面天线波束宽度加大和原来高度较高的天线相比.天线的增益降低较多。综上所述.面天线机械传动方式的动中通天线适用于低成本、对体积等要求不高的卫星设备2.3混合方式混合方式主要有两种组合。-种是*面阵列/机械扫描混合方式.Jt天线由许多辐用单元组成的平面阵列构

7、成.天线波束固定不变.天线跟踪依林方位和俯仰电机带动天线阵列实现典型应用有L频段的嫁旋肝列海小卫星动中通天线和Ku频段的波导喇叭阵列动中通天线系统等.如图3所示。采用平面阵列/机械扫描混合方式.天线性能可以优化徊很好.俯仰跟踪角度较宽.可以实现（）°"0°范囹内的连续扫描.不采用移相器的扫描机制.节省成本.心4成孔径有利于提高天线增益。不足是天线阵列随.:定与天线增益相4制约，难以实现低剖面和高增益的组合.适用于对天线尺寸要求不高的情况。另外一种组合是相控阵/机械扫描(a)L-band螺旋院列天线(a)L-band螺旋院列天线(b)Ku-band波导,叭阵列天技图

8、3平面阵列/机械扫描混合动中通天线系统(a)平面混合相控阵(b)分块混合相枝阵图4混合相控阵动中通天线系统图5收发分开的混合相控阵动中通卫星通信天线系统混合方式。天线部分是由多个相控阵辐射单元构成,通过移相器调整每个天线单元辐射的相位和幅度得到所需要的天线波束.同时实现天线波束在俯仰方向上的扫描，而天线在方位方向上的跟踪还是要依停方位电机带动天线转动来实现。工程应用玉要有平面和分块两种形式的混合相控阵.如图4所示。常见的相控阵天线类型有波导裂缝阵列、平板阵列天线、微带阵列天线等.辐射元由振乎、隙缝和开口波导等组成.每个单元独立控制输出的相位和幅度，因此能得到精确合成的辐射波瓣和波束指向以及高效

9、率。采用混合相控阵方式，可以实现天线的超低剖面，便于安装和与载体共形，不足之处是平面相控阵天线本身难以实现宽角扫描，频带也难加宽.虽然可以通过将平面相控阵分拆成几块可转动的子块来补偿低仰角时的增益和方向性的不足.但是要实现俯仰0。9(。范国内的连续扫描难度较大。通常混合相控阵天线系统采用收发分开的形式来满足天线的发射和接收增益要求，以支持高速率业务的应用，如图5所示。上述天线适用于构型要求严格但不需要宽角扫描的情况。综合对上述凡种天线情况的分析.可以得到如下结论。(1)纯相控阵的方法可以做到天线高度很低.波束变化很快.但难以实现高增益.低频段、通信速率较低旦载体快速运动时需要波束跟踪卫星的设备

10、应用。(2)面天线+机械传动方式成本较低.但收发增益较低且体枳较大，适用于低成本、对体积等要求不高的卫星设备。(3) 混合方式中的平面阵列/机械扫描混合方式天线性能可以优化得很好.俯仰跟踪角度较宽、节省成本、天线增益较高.但是天线阵列随俯仰电机转动.天线高度由阵列口径决定与天线增益相互制约.难以实现低剖面和高增益的组合，适用于对天线hi寸要求不高的情况。(4) 混合方式中的相控阵/机械扫描混合方式可以实现天线的超低剖面.便于安装和与载体共形.但平面相控阵天线本身难以实现宽角扫描，频带也难加宽.适用于构型要求严格但.不需要宽角扫描的情况。S低剖面动中通天线发展趋势展望从天线技术角度出发,动中通天

11、线发展趋势主要有以下几个方面。(1)研制更宽频段天线。随若移动用户的增加,移动通信频道数L1不能满足需要,用户系统将面临升级.所以现在就要求天线工作频率范即增宽。为此.必须研制更宽频段的大线.即超宽带天线。(2)向K./Ku双频双极化天线发展。伴随着K顾段同步卫蜗的发射.今后【J.星地面移动通信业务将逐步向Ka频段推进。巾于Ka频段频率与目前普遍使用的动中通频率相比高出了许多.大员的现右成熟技术无法应用到心频段的天线上.因此需要进行大M的研究r作.七要集中在大线形式和微波网络器件的研究。鉴丁现石主要通信还集中在Ku频段,为了实现平稳过渡-Ka/Ku双频双极化动中通大线将会成为下一阶段动中通天线

12、的E要形式之-。(3)相控阵天线为动中通奠定K发展方向。相控阵天线为动中通天线卜一步向小型化、低削血、高性能发展提供r方向.但是相控阵天线自身存在的不足严，币制约r其在动中通天线中的应用,因此还需在以下关键技术方面仃所突破和发展C共形相控阵天线技术：用以克服平面相控阳低仰角增益和方向性变z的不足，展宽天线俯仰扫描范期。移相器技术：RF-MEMS(微电子机械系统)技术、压控电介质技术和光电F技术的发展将为移相器提供相应的技术支持-从而为实现高性能的相控阵天线萸定基础。稀布阵技术：稀布相控阵天线是按一定统计煽律.从孔径抽去部分单元的电扫阵列天线。稀布阵与洒阵相比共有主瓣更窄.节约造价等优点，在相控

13、阵击达、卫星接收天线及射电涉仪等领域已有应用。故字化电路：用全数字的T/K模块代检原来的移相器、不等功率分配器、微波衰减器等构成的模拟T/R模块，既可以方便地产'I井种所需波束又可以灵活对天线阵列进行相位和幅度加权处理,从而简化了系统结构.实现天线的小型化。(4)低成本跟踪方式研究。目前.现仃的动中通稳跟踪系统多采用激光陀螺等高性能的传感器.成本很高.不适合民用.因此，如何利用较低成本的中低精度陀螺等传!画器设计出满足系统性能耍求的高性价比动中通系统将成为下一步研究的热点之一。参考文献黄小军.茶军动中通通信体东浅#.无报电通信找末.200542期.15春(2) 沥饨.曲中通何成.系统的

14、设计»!代由达.200344期，2<(3 刘it军.卫矍体动大找系此(傩).卫星电视与1：帝罗媒体.2007年8期.5卷同都路璃.处吏*).苏嫩.“动中通"tt定与末.鲨述与*+枕,2006(2)(5Jfitter.卫星侈动通信的枝末发晨区.矜点及处铮.卫基侈幼通信与祐会肯料汇煽CJ.2004年12期.7尊(6J陈延中.译.动中通宣牛卫矍通信地面终繇.，卜军电优动态.2002(5)7KwnHeongAng.ChongLi.PIDcontro)syitemanalysisdesignandtechnotogy.ControlSystemsTeehKtogy.EEETra

15、nsacttonj.2008(4)(8|Babiteh.Dmtol.AutocraticantermPointingsystembwdonglctsaJPosraonirgsystem(GPS)atutudeformation.UnitedSutes：5347286.199如对本文内*有任何观点或评论.清发E-mau至eStorO。作者简介田敬波.现任黑龙江省公安消防总队通信处处长。NASA好奇号火星车安度“恐怖7min”WindRiverVxWorks建奇功美国国家航空航天局喷气推进实验室采用经过验证的风河技术为其最先进的好奇号火星探测车提供支持风河VxWorks让好奇号探测车以精确方式完成

16、复杂的着陆过程，并执行关键任务过去20多年里.风河已成功为全球范围内无数空间探测产品提供支持。在NASAJP以星科学实验室好奇号探测车已于火星成功着陆之际.嵌入式和移动软件提供商风河公司宣布，好奇号探测车采用的是风河公司领先业界的VxWorks实时操作系统作为最核心的软件基础。好奇号探测车将调查火星上是否存在适合于微生物生长的环境，并评估未来人类在火星上驻扎的可行性。从2011年11月26曰火箭离开地球那一刻起一直到任务完成.VxWorks作为火星探测车的核心操作系统，将在本次具有历史意义的活动上发挥至关重要的作用,好奇号采用VxWorks系统完成被称为EDL(进入火星大气层、下降以及着陆)的复杂着陆过程。由于宇宙飞船安全着陆需要绝对的精确度，这一过程被称为“恐怖7min"。在火星上停留期间，好奇号将依BVxWorks系统来执