ku频段卫星通信终端的设计

ku频段卫星通信终端的设计

卫星通信具有广阔的特点，不受时间、时间和地形的限制。Ku频段频谱资源丰富,有条件建设宽带大容量卫星通信系统,能同时支持数据、语音、图像和视频业务,在应急通信中彰显优势。Ku频段星载天线的尺寸和转发器的输出功率有限,而卫星距离地球表面的垂直距离约为36000km,电波传播损耗大,雨衰严重。为了建立可靠的高速率通信链路,要求地面站天线达到足够的增益。一般来说,对于小型地球站,其天线增益应至少达到28dBi,天线波束宽度小于5°。作为卫星通信的移动载体,车辆、舰船和飞机在运动状态下,其方位、俯仰和横滚姿态角度的快速变化均能使天线波束不能准确对星,如果天线不能快速、准确地对星跟踪,将导致通信质量下降甚至通信中断。移动载体的姿态变化以及所在的地理经纬度,造成卫星来波信号与天线存在极化偏转角,如果不能动态调整天线的极化方向,将对同频率极化复用的相邻信道进行干扰。我国幅员辽阔,为了兼顾高纬度和低纬度卫星移动通信业务,地球站天线波束的仰角扫描范围为20°~90°,属于宽角跟踪。综上所述,Ku频段低轮廓“动中通”卫星天线应具有高增益、跟踪精度高、跟踪速度快、极化动态调整、宽角波束扫描的特性。本文对当今Ku频段低轮廓“动中通”天线的关键特性进行了总结分析,为天线的选择应用提供依据,为研制新型低轮廓“动中通”天线抛砖引玉。1低段“动与通”天线的主要类型1.1椭圆波束变焦距环焦天线的设计思路反射面天线具有效率高、成本低的优点,一般情况下,其口径辐射效率均能达到70%。基于反射面天线技术的“动中通”天线原理如图1所示。可见,反射面天线的馈电链路多为波导器件,功率容量大,插入损耗低,易于实现宽频应用。由于环焦天线具有馈源对主反射面遮挡小和副反射面对馈源反射小的优点,在中小口径地球站天线中获得广泛应用。然而,反射面天线的缺点是体积大,剖面高,在特殊条件下,会影响移动载体的机动性。为了降低反射面天线的剖面高度,通常的做法是:在环焦反射面天线的主反射面作椭圆形切割,短轴位于俯仰面,长轴位于方位面。切割后的主反射面为椭圆形,打破了圆形主反射面的对称性。由于初级馈源方向图具有圆形对称的特点,切割后造成主反射面在椭圆短轴方向上漏泄能量增加,不仅如此,初级馈源对主反射面的照射电平在长轴和短轴方向上不均衡,因此,如果仅对主面切割来降低剖面,天线效率无法保证,一般低于50%。为了克服上述问题,需要对切割后环焦反射面天线的主面和副面进行赋形修正,形成椭圆波束变焦距环焦天线。主要设计思路为:先由主面椭圆轮廓的长短轴确定副面的长短轴,在此基础上,选取副面长短轴之间的过渡函数,确定副面几何方程。根据反射定律和等光程条件再确定主面几何方程,得到所需的椭圆主面。这种赋形设计方法保证了旋转对称馈源对副面照射张角的一致性,也因此保证了椭圆主面边缘照射电平的一致性,形成椭圆主面口径场椭圆形等值分布的特性,从而提高切割环焦反射面天线的辐射效率,一般能达到65%以上。综上所述,切割环焦反射面天线能在一定程度上降低天线剖面。若要进一步降低天线剖面,需要在圆形抛物主面上大比例切割,即水平面的尺度远远大于俯仰面,在此条件下,设计变焦距赋形环焦天线的难度大大增加,辐射效率可能很难保证。切割环焦反射面天线的典型产品是美国GeneralDynamic公司的中等剖面切割反射面天线,如图2所示。1.2平板天线的网络与馈电网络平板天线基于宽频双极化天线单元组阵技术,实现较大的长宽比辐射口径,如图3所示。与切割反射面天线相比,平板天线可进一步降低天线剖面,其总体框架如图4所示。可见,平板“动中通”天线是一种机械跟踪天线。平板天线极化跟踪的解决方法是:天线阵无需旋转,由馈电网络将每一个双极化天线单元对应的垂直和水平极化端口进行合成,形成天线阵的双极化端口,一路对应天线阵的水平极化(H),另一路对应天线阵的垂直极化(V),由极化控制器电动调整水平极化和垂直极化端口的合成系数,实现极化跟踪的功能。与反射面天线不同,平板天线不存在空间能量漏失,其发射机输入功率通过馈电网络输送至阵面的每一个辐射单元,在空间进行功率合成。平板天线辐射口径通常由上百个辐射单元组成,馈电网络由多级功率分配器级联组成。在Ku频段,馈电网络若采用微带形式,馈电网络的功率损耗将大大降低平板天线的辐射效率。与微带传输线相比,波导损耗小,体积大,功率容量大,若将微带线和波导技术有机结合研制混合馈电网络,在损耗与体积之间开展优化设计,降低损耗的同时,使馈电网络的体积满足平板天线的低剖面安装要求。因此,在平板天线馈电网络中,混合馈电技术是关键,需要重点解决波导与微带传输线的匹配过渡。1.3有子阵的行业分布天线增益由辐射口径的大小决定,如果对辐射口径作子阵切割排列,如图5所示,在不考虑电波遮挡的条件下,这种多平板天线的增益与切割前并无二样,但剖面高度h<H。这种巧妙的设计思想最初来源于日本NHK公司研制的DBS车载接收天线。最近十年,美国Raysat、Starling公司以及韩国ETRI等开发的车载、机载低剖面“动中通”天线也采用类似方案,如图6所示,多平板天线有显著的剖面优势,因此成为民用Ku频段“动中通”天线研发的流行趋势。多平板天线的子阵一般由微带辐射元按矩形栅格或者三角形栅格排列组成,子阵可以是二维阵面,如图6(a)和图6(b)所示;为了进一步降低剖面、减小电波遮挡和降低剖面,子阵也可采用一维线阵,如图6(c)所示。每一个子阵的阵元数量可以不同,依据天线平台大小配置,以增益最大化为准则。多平板天线通常采用收发阵面分离的设计方案,以接收天线为例,略去机械伺服组件和传感器,多平板天线的主要组成如图7所示。多平板发射天线的组成与接收天线类似,区别是信号流程相反,在发射通道中增加了上变频组件和功放组件。如图7所示,接收子阵通过馈电网络合成水平和垂直极化两路通道,作为极化电调整的输入信号。馈电网络必须实现平面化设计和低损耗传输,如果采用无源设计,则子阵损耗较大,若采用有源设计,则馈电网络太复杂,可靠性较低。因此,可以采用有源和无源相结合的方法。多平板“动中通”天线依靠子阵的机械旋转在俯仰面对星,但由于多个平板子阵在空间上分离布设,在俯仰面上引入空间相位差,如图5所示。基于子阵移相器可消除空间相位差的影响,使得各子阵的远区辐射场同相合成,提高子阵辐射功率的空间合成效率,因此,多平板“动中通”天线是一种以机械跟踪为主的准相控阵天线。多平板天线的子阵依靠俯仰伺服电机调整阵面取向,满足俯仰面对星跟踪的需要。然而,当天线位于高纬度地区,阵面对星仰角低,如图8所示,子阵存在彼此遮挡,导致子阵的一部分辐射元实效,不仅减小了天线辐射口径面积,同时还造成被遮挡子阵的回波损耗增加,从而降低天线系统增益。为了在大部分对星角度上,电波遮挡尽量小,子阵之间的间距due04c0.5λ,因此,在俯仰面个别扫描角上,存在旁瓣电平较高的问题,需要对多级平板天线的子阵间距进行优化设计,形成不均匀间距排列,以降低旁瓣电平。1.4波音公司接收天线的互环补偿与机械跟踪天线相比,二维相控阵天线的剖面最低,波束扫描快、无惯性,对于解决载体快速颠簸震动条件下的天线对星跟踪问题具有明显优势,也是天线与载体共形的解决方案。然而在Ku频段,二维相控阵天线技术复杂,研制成本高。迄今为止,从公开发表的文献看,仅美国和日本成功研制实用化机载相控阵天线。在Ku频段,平面传输线结构(微带、带状线等)损耗大,因此,二维无源相控阵技术无法应用,必须使用有源相控阵。如果有源相控阵天线收发口径共用,则需要在有源组件中加入小型化双工器,不仅增加了研制成本,而且小型化双工器的收发隔离度很难提高。因此,Ku频段有源相控阵天线通常采用收发天线分开设计的方案,以接收天线为例,其主要框图如图9所示。每一个天线单元具有双极化正交馈电端口,分别以V和H表示垂直极化端口和水平极化端口。每一个接收组件含有波束扫描和极化成形电路,使二维相控阵天线波束对星的同时,与卫星来波极化匹配。由于接收组件含有源射频芯片,因此,接收组件含有三类接口信号,分别是射频、电源以及移相器逻辑控制。为了最大限度地降低二维相控阵天线的剖面,接收组件采用平面表贴式封装技术,以减小纵向尺寸。基于多层线路板(MLWB)工艺,将并馈式功率合成网络、电源电路、波束控制电路分层设计,每一层电路的输出与接收组件的相应接口采用垂直互联技术,避免了天线内部大量电缆组件的使用,既简化天线的内部结构,又便于维护。发射相控阵天线与接收天线类似,不同的是信号流程相反,每一个天线单元与发射组件连接,发射组件内置固态功率放大器,对此本文不再赘述。波音公司二维相控阵天线如图10所示,其中,图10(a)为陶瓷封装的小型化表贴接收组件,图10(b)为安装在机舱顶部的相控阵接收天线,可实现本文略去了相控阵发射天线,实际上,发射天线与接收天线在机舱顶部相距1.25m以避免自扰。发射相控阵天线的辐射口径约为33cm×33cm,由873个辐射单元组成。天线阵面法向的等效全局辐射功率(EIRP)为49dBW,波束扫描角为62°时,等效全局辐射功率为46dBW,最大波束扫描角达70°(波束仰角20°),波束宽度为3.2°×3.5°。接收相控阵天线的辐射口径约为43cm×61cm,由1515个辐射单元组成。天线阵面法向的G/T=12.5dB/K,波束扫描角为62°时,G/T=9.5dB/K,最大波束扫描角为70°(波束仰角20°),波束宽度为2.1°×3.1°。由于高增益相控阵天线辐射口径的阵元数量多,互耦效应不可忽略。严重的互耦将导致相控阵天线回波损耗增加,甚至出现扫描盲点。不仅如此,互耦还引起辐射单元的馈电系数出现误差,降低波束指向精度,限制了相控阵天线的最大波束扫描角。因此,互耦补偿是研制宽角度二维扫描相控阵天线的关键技术。波音公司研制的二维相控阵天线基于圆形波导天线阵加载介质的方法,对阵元互耦进行有效补偿,实现收发天线最大波束扫描角达±70°的卓越性能。然而,高昂的研制成本是二维相控阵天线在卫星通信地球站市场应用受限的重要原因。为了实现小型化的设计目标,相控阵天线的有源组件通常采用微波集成电路(MMIC)的管芯进行多芯片封装。在X、Ku等较高频段,国内MMIC的产业化规模有限,导致有源组件的研制成本高。以美国波音公司二维相控阵天线为例,假设一个Ku频段有源组件的成本是1万元,则收发天线有源组件的研制成本达2388万,对于卫星“动中通”市场,二维相控阵天线的整机价格难以接受。2平板天线的性能指标将上述Ku频段“动中通”天线的典型参数进行归纳,如表1所示,得出如下结论。(1)切割反射面天线在切割比例适当的情况下,通过主面和副面的赋形设计,天线增益容易达到35dBi,且极化隔离度最高,达到30dB以上,但剖面和体积较大,若采用大切割比例压低剖面,赋形设计难度增加,效率很难保证。(2)平板天线的剖面高度可以做到30cm以下,通过阵面带线和波导混合馈电网络的合理设计,其增益能达到32dBi,若要进一步增加增益,在不增加剖面高度的条件下,可以扩展阵面的横向尺寸。平板天线的G/T一般大于10dB/K,与反射面天线相当。略有不足的是,其极化隔离度一般大于25dB。(3)多子阵天线可有效降低剖面和重量,由于存在阵面相互遮挡效应,增益一般不大于30dBi,且G/T一般为7.5dB/K,满足中等速率通信需求。不仅如此,多子阵天线在俯仰面局部扫描角上存在旁瓣电平较高的问题,可以应用于卫星移动单收站,若同时应用于发射场合,较高的旁瓣电平可能对邻星造成干扰。(4)二维相控阵天线的剖面最低,低于10cm。若辐射口径与反射面天线等效,则增益可与反射面天线相当,在仰角为30°时,G/T为9.5dB/K,在中高仰角以上,由于天线增益提高,且冷空噪声降低,天线G/T可达到12dB/K左右,满足1.5Mbps的通信速率要求。然而,高增益相控阵天线的研制成本高,在大多数场合难以应用。3反射面天线的切割目前,Ku频段卫星通信在军用和民用领域获得广泛应用,用户的需求推动“动中通”天线呈现多元化发展。以反射面为基本形式的机械跟踪天线,拥有成本低、效率高、宽角度扫描的显著优势,在车载、舰载平台获得广泛应用。平板天线的出现满足了一部分用户对天线低剖面的追求,尤其是机载平台,采用波