低轮廓动中天线的研究进展

低轮廓动中天线的研究进展

0动中通气线的应用卫星通信具有传播距离远、覆盖范围广、干扰小、能力强、通信方法灵活多样等优点。随着全球经济和信息化的快速发展，越来越多的信息通过卫星传输，移动设备上的卫星通信也成为紧急通信和实时通信的迫切需要。因此,卫星通信已经成为车载、船载、机载等移动载体通信的重要手段。而卫星移动通信系统的关键技术之一就是天线技术,故动中通天线技术的研究已成为卫星移动通信技术领域的研究热点之一。在全球范围内,卫星通信的主要工作频段有UHF频段、L/S频段、C频段、Ku频段、Ka频段,但目前赤道同步轨道上Ku频段同步卫星众多,具有通信容量大、可用转发器多等优点,因此Ku频段是目前移动卫星通信的主要应用频段。动中通天线是针对在快速移动中保持卫星通信信号平稳不间断的使用需求而设计,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、不间断的高速率信息传输,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。目前,国内外动中通天线主要供应商有:美国的Trackstar、以色列的RaySat、以色列的Starling,国内主要研制生产厂家有:中国电科第54研究所、中国电科第39研究所、中国航天704所等。1动中天麻线的发展动中通天线的类型有很多种,其分类方式也各不相同,按照不同的结构形式可分为反射面天线、透镜天线和阵列天线三种,三种天线典型的照片,如图1所示。动中通天线的发展过程,首先出现的是高轮廓的圆口径反射面天线,然后是中轮廓的椭圆波束反射面天线、透镜天线,最后是低轮廓的透镜天线、反射面和阵列天线。三种典型的天线照片,如图2所示。动中通天线的发展历程如下。(1)高轮廓天线高轮廓天线:主要以圆口径的反射面天线为主,国内外相关科研单位及公司已有较为成熟的产品。反射面天线优点是易于实现高增益、低旁瓣和低交叉极化性能,缺点是轮廓高。高轮廓天线产品种类非常多,如中国电科第54研究所研制的船载C频段3.8m、7.3m卫星通信动中通天线,车载Ku频段1.5m环焦动中通天线;中国电科第39研究所研制的0.8mKu波段环焦动中通天线,0.6mKu波段环焦动中通天线等。(2)天线的研制与发展中轮廓天线:主要以椭圆口径的反射面天线和透镜天线为主,可以在较低的尺寸下实现较好的电气性能。典型产品有2002年,国内研制出了中轮廓的Ku频段0.55m、车载1.2m椭圆波束环焦天线;2004年,日本推出了新型天线Lune-Q中轮廓的透镜天线,用于接收卫星电视节目;2009年,中国电科第54研究所采用赋形抛物面技术,研制出了车载中轮廓Ku频段0.9m动中通天线。(3)国外动中通气线的发展低轮廓天线主要有透镜天线、反射面天线、阵列天线三种形式。其突出优点是具有轮廓低、机动性好、体积小、易于安装、重量轻等特点,用于动中通时最大的特色是风阻小,适宜高速行驶的载体平台应用,可用于汽车、坦克及飞机等多种应用平台上。2005年,美国空军研究实验室研制出机载透镜阵列天线。2006年,韩国某公司采用赋形双反抛物面技术,研制出了中低轮廓反射面形式的Ku频段火车用卫星通信天线。2006~2010年,以色列RaySat公司推出多组平板阵列动中通天线,Mijet系列车载、机载动中通天线产品及E7000单片平板阵列天线等。2007年,美国TracStar推出宽带双向卫星通信系统IMVS450M动中通天线产品。2010年,中国电科第54研究所研制出了CTI-CM60-Ku2304型Ku频段车载低轮廓0.6m动中通天线。对于不同类型的动中通,性能优缺点比较见表1。2天线的发展方向为适应车载需求,性能优良的低轮廓天线是动中通天线的一个非常重要的发展方向。低轮廓动中通天线按照不同天线类型分类,可分为:低剖面反射面天线、多组介质透镜天线、平板阵列天线、相控阵天线。2.1天线工作原理及特点经过赋形设计的抛物面可以实现低剖面性能,比较有代表性的设计产品有:以色列Orbit公司研制的AL-3601、AL-3602型动中通天线系统、美国TracStar公司的IMVS450M车载动中通天线,天线的产品照片分别如图3、图4所示。AL-3601、AL-3602型动中通天线采用双反射面技术,分别对天线副反射面和主反射面进行赋形设计,降低了天线剖面。天线工作在Ku频段,AL-3602型动中通天线主要性能指标如下。(1)天线增益:接收34dBi,发射35.4dBi;(2)天线G/T值:13dB/K;(3)交叉极化隔离度:>30dB;(4)天线俯仰调整范围:35°(15°~50°或35°~70°);(5)天线尺寸:Φ1058mm×488mm;(6)天线重量:96kg。IMVS450M型车载动中通天线采用抛物柱面馈源照射另一抛物柱面反射面,通过抛物柱面的旋转进行俯仰面的波束扫描。IMVS450M型动中通天线主要性能指标如下。(1)天线增益:发射35.5dBi,接收32.5dBi;(2)天线G/T值:11.5dB/K(30°仰角);(3)交叉极化电平:>20dB;(4)俯仰波束覆盖范围:20°~70°;(5)天线尺寸:Φ1190mm×290mm;(6)天线重量:74.3kg。低轮廓反射面天线的优点是:结构简单,射频器件少,可实现较大口径,易实现收发共用;缺点是:轮廓较高,增益随仰角有变化,不能实现低仰角和高仰角覆盖;适用范围是:等效口径0.45~1.2m中小口径、中低轮廓天线。2.2天线工作及分析介质透镜天线,也称龙伯透镜天线,可实现多波束(宽角扫描)、多频段共用等性能。通过几个透镜组阵可实现低轮廓。美国空军实验室对介质透镜阵列进行了实验研究,产品照片如图5所示。天线工作在20/44GHz,双圆极化,在20GHz增益为35dBi,44GHz增益为41dBi,俯仰面扫描范围达80°。介质透镜天线的优点是:电性能较好,波束扫描时增益基本不下降,配合多个馈源易实现多频段多波束;缺点是:频段高时透镜介质损耗大,天线效率降低;多个介质透镜天线组阵可实现低轮廓,但合成网络及同步结构复杂;适用范围是:多频段、扫描范围大,中等轮廓的天线应用。2.3主要技术指标平面阵列天线具有效率高、重量轻、体积小的特点。一般可以分为单片阵列与多片阵列两种类型,天线均采用两维机械扫描体制。(1)多组阵列动中通天线多组阵列动中通天线的代表产品是以色列Starling公司的生产的Ku频段多组阵列机载天线,天线照片,如图6所示。天线采用波导馈电的宽带天线单元、多天线子阵合成技术、极化自动实时跟踪,代表了合成天线的最高水平。现在应用于波音737、空客等大型飞机。天线的主要技术指标如下。(1)工作频率:发射14~14.5GHz,接收10.7~12.7GHz;(2)等效口径:0.45m;(4)G/T值11dB/K;(5)跟踪模式:惯导模块+GPS和机械波束扫描跟踪;(6)机扫范围:方位0~360°,俯仰10~90°;(7)尺寸:直径760mm,高度150mm;(8)重量:50kg。多片阵列动中通天线的另一代表产品是RaySat公司的StealthRayTM3000动中通天线,其内部排布照片如图7所示,该天线采用收发分开的微带阵列天线,接收阵列三组,发射阵列一组,置于三组接收阵列的前部。由于单元采用收发分开的微带天线,且天线拼阵距离随仰角变化是固定的,因此和Starling公司的多组平板阵列天线相比,电气性能较差。天线的主要技术指标如下。(1)天线增益:发射27dBi,接收29.3dBi;(2)天线G/T值:7.6dB/K(30°仰角);(3)交叉极化电平:>15dB;(4)俯仰波束覆盖范围:25°~70°;(5)天线尺寸:1153mm×897mm×145mm;(6)天线重量:29kg。多组阵列天线的优点是低轮廓,可实现收发共用,可实现较大口径;缺点是低仰角因片间有遮挡造成增益损失,高仰角因片间距较大导致副瓣抬高;适用范围是:高低仰角下允许性能下降的情况。(2)单组阵列动中通天线单组阵列作为现在的主要应用产品,典型代表产品有:以色列Starling公司研制出Mijet系列动中通天线(如图8所示)、RaySat公司的E7000型动中通天线(如图9所示)、EuropeanResearchArea(简称ERA)的动中通天线(如图10所示),中国电科第54研究所研制的CTI-CM60-Ku2304型Ku频段车载低轮廓0.6m动中通天线(如图11所示)等。Mijet系列动中通天线采用背腔馈电单元,微带、波导混合馈电网络,对天线接收、发射组件进行一体化设计,功放内置于天线背板,天线结构紧凑,重量轻,集成化程度高,代表低轮廓机载卫星通信的发展方向。天线的主要技术指标如下。(1)天线增益:33.5dBi(14GHz);(2)天线G/T值:12dB/K(12GHz);(3)俯仰波束覆盖范围:0°~90°;(4)天线尺寸:直径960mm,高度190mm;(5)天线重量:27.2kg。ERA的动中通天线和RaySat公司的E7000型动中通天线采用波导喇叭馈电单元,纯波导馈电网络,天线馈电损耗小,天线阵列采用塑料电镀工艺,天线重量轻。E7000型动中通天线的主要技术指标如下。(1)等效口径:0.6m;(2)收发增益:发射36dB,接收35dB;(3)G/T值:13dB/K;(4)EIRP值:52dBW;(5)交叉极化:>25dB;(6)天线尺寸:直径1300mm,高300mm;(7)天线重量:50kg。CTI-CM60-Ku2304动中通天线采用高效率的收发共用波导口径天线单元、波导和带状线混合馈电网络,馈电损耗低,模块化设计,射频器件集成度高,相控电子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。该天线集多种动中通天线技术优点于一体,是由我国自主研发的第一款低剖面阵列动中通,它和E7000同时推出,在2010年的对比测试中,综合性能超过了E7000。目前该天线已经在新闻采集、公共安全、应急指挥中得到了广泛的应用。天线的主要技术指标如下。(1)增益:接收发射大于36.5dB;(2)G/T值:13.0dB/K;(3)极化形式:双线极化工作,自动极化调整;(4)交叉极化:>30dB;(5)跟踪方式:采用电子波束扫描体制跟踪;(6)机扫范围:方位360°连续,俯仰0~90°;(7)捕获时间:小于25s,重捕:小于3s;(8)尺寸:直径1290mm,高度298mm。单组阵列天线的优点是:组阵灵活,天线轮廓低,可实现收发共用,天线仰角可达0°~90°;缺点是:如实现大口径,需较大尺寸;适用范围是:用作0.9m以下口径天线。2.4天线的结构和技术指标由于Ku频段卫星通信需要的增益相对较高,相控阵天线需要的阵列规模较大才能获得足够的增益和G/T值,受天线集成度和成本等的限制,相控阵天线在卫星通信方面还不够成熟。目前应用的大多为一维扫描(即俯仰电扫描、方位机械扫描)相控阵天线或混合扫描相控阵天线。ERA最新推出的天线收发共用的动中通天线产品G3,采用了混合机械与电子扫描的专利技术,实现了天线宽带、双极化的孔径设计,馈电网络混合了印制板和波导元件,剖面非常低。天线结构模型如图12所示。天线实现了如下技术性能。(1)接收性能:增益大于30dBi,G/T值大于9dB/K;(2)发射性能:增益大于31dBi;(3)扫描范围:20°~90°;(4)天线尺寸:高度约100mm,尺寸为640mm×640mm,系统直径960mm。低轮廓相控阵天线另一代表性产品是ThinKom公司的ThinSat300相控阵天线如图13所示。其特点是:低剖面、采用VICTS天线形式;收发阵面采用层式结构,从上到下依次为极化罩、CTS天线层、线源激励层;通过转动下层圆盘实现俯仰面的波束扫描,转动上层圆盘实现方位面的波束扫描,两层都是通过机械皮轮带动圆盘转动。天线的主要技术指标如下。(1)工作频段:Ku频段;(2)G/T值:10~13dB/K,俯仰20度为8dB/K;(3)EIRP值:47~50dBW,俯仰20度为45dBW;(4)尺寸:1500mm×1000mm×110mm。一维相控阵天线的优点是轮廓较低,方位机扫、俯仰电扫;缺点是:扫描有增益损失,收发难于共用,孔径利用效率较低,阵列规模大,成本较高;适用范围是:可用作不需要低仰角工作情况下的低轮廓天线。3等优势在卫星通信中的角色平板阵列天线融合了射频领域的多种最前沿技术,以其独特的高效率、占用空间小等优势在卫星通信中扮演着重要角色。低轮廓“动中通”天线的关键技术主要有:双极化收发共用阵列天线技术、低损耗馈电网络与射频一体化模块化技术、高精度伺服跟踪技术、自动极化调整技术和相控阵动中通天线的小型化宽角扫描阵列天线技术。3.1双极化收缩单元为降低天线剖面,充分利用天线的孔径效率,需采用收发共用的阵列天线。如何设计频段能覆盖收发频段的天线单元及组阵形式是关键技术之一。双极化收发共用的基本原理是:在同一辐射单元内,实现垂直、水平双线极化波同时存在,并且每一个极化同时覆盖接收和发射频段。后端通过频率双工器实现接收和发射频率的分离,采用极化调整网络,实现空间极化的匹配。双极化收发共用天线单元应具备的特点有。(1)具备覆盖收发频段的宽带特性;(2)低剖面,易小型化;(3)易实现垂直水平双线极化;(4)具有较高的辐射效率;(5)易与射频组件集成。该关键技术在2009年取得突破,2010年市场上已经出现采用该技术的相关动中通天线产品,比较有代表性的产品有E7000型、CTI-CM60-Ku2304型低剖面动中通天线,天线单元均采用收发共用的波导口单元,它具有双极化辐射特性,并且具有很高的口面辐射效率。3.2天线的充分应用对于双极化收发共用阵列天线,选用低损耗馈电网络、天线与射频一体化、模块化设计技术可减小设备量,提高总体性能。(1)小型化低损耗馈电网络设计针对大规模的阵列天线单元,可供选择的低剖面馈电网络有:微带馈电网络、带状线馈电网络、SIW馈电网络;可供选择的低损耗馈电网络有:波导类馈电网络、SIW馈电网络。采用低损耗的波导馈电网络或混合型低损耗馈电网络。比如,E7000天线采用的是大规模纯H-T波导网络的馈电方式,而CTI-CM60-Ku2304动中通天线则是采用的混合馈电方式,从天线性能可以看出,两种馈电方式均取得了巨大成功。(2)天线射频组件一体化设计天线射频组件与天线单元一体化设计,射频组件中包括低噪声放大器、衰减器及移相器等,目的是减少放大器低噪声前的馈线损耗,提高天线的G/T值;两路正交极化射频组件一体化设计,通过控制相位和幅度实现线极化面的自动调整。(3)模块化设计将“子阵”为基本单元进行设计,内含辐射单元、馈电网络和低噪声放大器等模块,对有源器件进行模块化设计,如采用MMIC或LTCC等技术,不仅能提高天线各个单元的一致性,提高天线整体性能,而且模块化的制造技术降低了天线生产成本。另外,对于低剖面天线,采用层压的方式排布有源与无源模块,可以降低天线的整体厚度。3.3环境线型跟踪测试系统自身建设低剖面阵列天线的天线口径方位和俯仰面的差别较大,导致天线在方位和俯仰面的角度差别也较大。以单组波导阵列天线为例,在Ku频段等效天线口径为0.6m时,设计良好的低剖面阵列天线的方位面波束宽度在1.1°左右,俯仰面在4°左右,给动中通天线伺服跟踪带来较大的难度。实现良好跟踪性能一般采用两种方法。(1)采用高精度惯导系统,利用程序引导跟踪;(2)采用自跟踪体制,利用跟踪接收机跟踪卫星的信标或通信信号。自跟踪体制又有单脉冲跟踪体制和圆锥扫描跟踪方式。单脉冲跟踪体制在信噪比较高时才能工作,信噪比较低时通常采用圆锥扫描跟踪体制,又分为机械抖动扫描和电子波束扫描两种。为降低制造成本,国外产品采用机械抖动扫描跟踪,动态跟踪精度较低,可靠性较差。目前较好的跟踪措施是:采用低成本的惯导和跟踪接收机,利用电子波束扫描跟踪体制,可实现高精度的跟踪。电子波束扫描的跟踪的基本原理是:天线阵列分为四个子阵如图14所示,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。目前国内CTI-CM60-Ku2304天线采用的是该种跟踪方式。3.4要治疗线的开发Ku频段卫星通信多采用线极化工作方式。线极化工作时,地面站天线必须具备极化调整的能力,对于动中通天线更为重要。自动极化调整原理:通过控制两个正交线极化波的幅度比例,可以获得任意极化方向的线极化波。实现自