低剖面动中通、高速率卫星通信的发展

低剖面动中通、高速率卫星通信的发展

0低剖面动中通气线的关键需求随着全球经济和信息化的快速发展，移动卫星通信的应用非常广泛。移动设备上的卫星通信也是紧急通信和实时通信的迫切需要。动中通天线是根据在快速移动中保持卫星通信信号平稳不间断的使用需求设计,能够在多种恶劣天气及颠簸路况下使用,可在车辆快速移动中实现长时间、大区域、不间断的高速率话音、数据、图像等信息传输,充分满足应急通信保障高标准、高可靠性的要求,可广泛用于新闻采集、应急指挥等诸多领域。低剖面动中通天线的关键需求是通过使用最小口径的天线,实现最优的天线性能,从而实现通信系统最大的信息速率的传输。本文设计了一种等效天线口径0.6m的Ku波段高性能动中通天线,实现了视觉上的低剖面,电气性能上的高G/T值和高发射增益,伺服跟踪稳定、可靠,满足了车载或机载天线的实际使用需求。1动中天线线系统动中通天线系统由阵列天线、射频信道、天线座架、伺服控制、跟踪接收机、伺服控制单元、北斗(GPS)、惯导和天线罩等部分组成。主要单元部件的功能是:双极化低剖面长条形阵列天线(长宽比例为4∶1)接收和发射来自空间的射频信号;射频信道是收发信号的传输通道;天线座采用A-E型转盘式结构,为天线提供支撑并完成方位、俯仰运动;伺服控制单元主要作用是接收来自ACU的指令,进行天线的闭环控制;天线控制单元的主要作用是参数预置、接收站监控及惯导信息,向伺服控制单元发布控制指令,实现对天线的控制和自动跟踪;跟踪接收机由变频器和波束扫描控制及解调单元等部分组成,为伺服控制提供天线捕星和跟踪的依据;北斗(GPS)和惯导为伺服控制提供导航数据信息;天线罩则为天线提供整体保护。动中通天线系统组成框图如图1所示。天线系统的工作原理是:系统加电后,根据GPS惯导等提供的卫星经度参数、车辆定位信息和姿态信息,天线控制单元自动引导天线指向卫星,天线转入跟踪状态,使天线始终对准卫星。天线收发的信号流程为:天线阵列接收到的Ku波段下行信号通过下变频器转换成中频信号,通过同轴射频关节提供通信终端设备;来自射频功放的波段上行Ku波段信号,经Ku波导关节送入极化调整装置,然后通过天线阵列辐射出去。2阵列天线射频设计为减小天线剖面高度,充分利用天线的孔径效率,需采用收发共用的阵列天线,即在同一辐射口面内,实现水平、垂直双线两种极化波同时存在,且每一个极化都覆盖接收和发射频段。天线辐射单元采用高效率的谐振式波导腔体结构形式,阵列规模为32×8单元,馈线部分采用带线加波导组合方式,以达到低损耗的效果。将天线分为四块,天线的子阵分布示意图如图2所示。每一块都设计有垂直、水平极化的频率双工器,进行收发分离。对于发射频段,采用直接合成的方式,通过后端的发射极化调整模块使得天线系统能够按照任意线极化方式工作。对接收频段子阵的垂直极化、水平极化信号分别进行射频放大,输入到接收极化调整模块,通过数控移相器和数控衰减器调整水平极化信号和垂直极化信号之间的幅度和相位,然后通过合路器合成输出,实现每个子阵极化调整。最后通过四合一波束形成网络进行信号输出。将天线阵列、馈电网络、LNA、极化调整模块和波束形成网络进行一体化设计,减小了插入损耗,降低天线重量,缩小了天线厚度,提高了天线整体性能。阵列天线射频部分工作原理框图,如图3所示。使用HFSS高频仿真软件建模进行了仿真设计,设计的阵列天线结构模型如图4所示。通过HFSS仿真得出典型的方位和俯仰方向图如图5所示,图中,EL为阵列天线俯仰方向图,AZ为阵列天线方位方向图。由仿真方向图可以看出,方位面波束宽度约为1°,俯仰面波束宽度约为4°。方位面波束较窄,等效为1.5m抛物面的波束特性。一般情况下,赤道上空的现有同步通信卫星分布间隔为2°,由仿真的方向图可见,在偏离2°时,已经偏离到天线的主波束以外,天线在该方向的增益衰减较大,这对减小相邻星干扰具有重要作用。3动中通气线初始捕获过程天线跟踪采用相控电子波束扫描和惯导引导相结合的跟踪方式,以保证天线始终对准卫星。跟踪的基本原理是:天线阵列分为四个子阵,四个子阵之间采用相控电子波束扫描,利用低成本的惯导和跟踪接收机实现天线快速捕星、自动跟踪。相控波束扫描跟踪可对惯导数据进行适时修正,克服了惯导数据随时间漂移的固有缺陷,无需定时停车修正惯导数据,实现了无限长时间行进间的稳定跟踪。伺服控制系统由天线控制单元、伺服控制盒、极化控制模块、方位驱动模块、俯仰驱动模块和跟踪模块等部分组成。设计的天线伺服控制组成框图如图6所示。动中通天线初始捕获过程如下。计算机根据机载导航设备提供的信息(车体的地理经度、纬度、车体航向角、横摇角、纵摇角)和卫星的经度,实时计算出天线指向卫星的方位、俯仰地理角度,经过坐标变换,将指向卫星的地理角度转换成天线轴角,并将转换后的天线轴角作为目标角在宽带位置环上进行闭环控制,使天线对准卫星。当天线伺服控制单元捕获卫星后,转入自跟踪状态。在自跟踪状态,伺服控制单元根据接收机提供的跟踪信号进行天线方位、俯仰轴电子波束扫描跟踪。伺服跟踪性能设计如下。假定伺服跟踪技术指标为:跟踪电平损失≤0.5dB(R.M.S),对应方向图方位跟踪误差约为0.2°、俯仰跟踪误差约为0.5°。伺服采用典型Ⅱ型伺服系统,开环对数幅频特性具有-40dB/dec、-20dB/dec和-40dB/dec形式,如图7所示。典型Ⅱ型系统是加速度有滞后误差、速度无滞后误差的伺服系统。根据实际工作条件参数,采用数字调节器实现校正。假定天线方位最大运动角加速度为200°/s2,那么方位环路加速度增益需做到2000,伺服环路带宽需达到20Hz,要求天线座架结构谐振频率不能小于45Hz,这就需要提高天线座架的刚度,带来的问题是天线的重量也随之增加,因此有必要采取其他措施降低对天线座架结构谐振频率的要求,从而减轻天线重量。采用速率前馈补偿措施,可在有限的伺服带宽内提高环路增益,从而降低天线座架结构谐振频率要求,必要时在伺服环路中设置凹坑滤波器抑制谐振峰值,通过以上措施,结构谐振频率可降到25Hz,这在工程上是可实现的。预估方位跟踪误差约0.2°,同理俯仰跟踪误差不会大于0.5°,能够满足跟踪精度要求。4天线跟踪性能测试设计制造的低剖面阵列动中通天线内部结构照片如图8所示,天线座采用A-E型转盘式结构,俯仰工作范围可达0°～90°。设计的天线罩外形直径尺寸为1300mm,剖面高度仅为298mm,装车照片如图9所示。由图9可见,天线较高、中轮廓天线具有明显的外观优势,在提高载车的机动性、减小风阻方面具有重要作用。在摇摆台对低剖面阵列动中通天线跟踪性能进行了测试,测试周期为4s,幅度为±5°。在天线摇摆期间,用频谱分析仪记录跟踪信号电平的变化,测试出跟踪信号变化的均方根误差(静态跟踪时的接收信号电平为计算参考值),考察天线系统运动情况下的跟踪性能。测试的信号电平变化曲线如图10所示,由测试数据计算,天线跟踪精度的测试结果为0.34dB。由测试曲线可见,信号电平跌落较小,电平变化规律无突变现象,在一定程度上减小了运动中天线增益损失,能够提高了通信系统的通信效率。随后在18个不同的路况(沙石路面、急转弯、塌陷路、搓板路及坡道路段等)对动中通天线进行了跑车试验,整个路段卫星上、下行图像流畅,只有在极其恶劣的环境下偶尔会出现丢包现象,但没有出现失锁现象。跑车试验充分体现了相控电子波束扫描和惯导引导相结合跟踪方式的优良的跟踪性能。在天线专用测试场,使用远场法对天线的方向图进行了测试,接收频率方位面、俯仰面测试方向图如图11所示,发射频率方位面、俯仰面测试方向图如图12所示。其中,AZ为方位面方向图,EL为俯仰面方向图。由图读出的波束宽度如下:在接收频段方位面、俯仰面的波束宽度分别为1.15°和4.1°;在发射频段方位面、俯仰面的波束宽度分别为0.95°和3.9°。俯仰面波束宽度和方位面波束宽度的比值接近4∶1,这和阵列天线的在俯仰和方位方向的阵列规模、口径具有对应关系,即在俯仰方位上,阵列规模为8∶32,口径尺寸比例为1∶4。这种4∶1的赋形波束在应用方面的优势体现在两个方面:方位面的窄波束特性减小了方位面赤道方向上的临星干扰;俯仰面的宽波束特性减小了俯仰面的跟踪压力,对提高天线的跟踪性能具有重要意义。另外,实际测试的天线方向图波束宽度和仿真设计的方向图基本一致,但副瓣对称性和仿真方向图有所差别,这是由于天线馈电结构和测试环境影响所致,不影响天线的实际使用。5模拟结果对比介绍了一种车载低剖面阵列动中通天线的系统组成,论述了各部分功能及系统工作原理,天线阵列采用形式新颖的高效率收发共用的双极化阵列天线形式,阵列口面4∶1低剖面设计,给出了