可變傾角連續(xù)斷面節(jié)陣列（VICTS）天線技術(shù)初探

1 簡介

連續(xù)斷面節(jié)陣列CTS技術(shù)天線，是在平板波導(dǎo)上連續(xù)開貫通的橫向縫并在橫向縫上加枝節(jié)實現(xiàn)輻射的天線，采用這種技術(shù)的天線具有很高的饋電效率和口徑效率，是高增益天線一個極為重要的方向。CTS天線效率可高達(dá)85%，陣列易于實現(xiàn)波束控制，加工成本低，具有廣泛的應(yīng)用前景。

但這種天線也存在增益隨仰角降低而下降，波束指向算法復(fù)雜，非固定方向圖和測試?yán)щy等缺點。本文結(jié)合美國ThinKom公司生產(chǎn)的車載動中通天線介紹一下該技術(shù)在車載中的應(yīng)用，該天線采用可變傾角連續(xù)斷面節(jié)陣列技術(shù)（VICTS），具有高性價比、超低輪廓、小巧輕便、高頻譜利用率等特點，可以提供運動中的寬帶大數(shù)據(jù)量話音、數(shù)據(jù)和視頻通信。

圖1 車載VICTS天線外觀圖

天線的控制采用閉環(huán)協(xié)同控制算法，具有一健精準(zhǔn)對星功能。天線內(nèi)置功放、天線控制器，內(nèi)置信標(biāo)和載波跟蹤接收機，具有信標(biāo)跟蹤、載波跟蹤或同時跟蹤功能，可以不依賴調(diào)制解調(diào)器獨立工作。

2 結(jié)構(gòu)

圖2 車載VICTS天線內(nèi)部圖

該天線采用新穎的二維斷面掃描裝置，收發(fā)天線面分離，兩個天線面均為層式同心圓盤結(jié)構(gòu)，裝置由一組簡單的可旋轉(zhuǎn)同心圓盤組成。從上到下依次為極化控制層；CTS天線層（上層圓盤），靜態(tài)的線源激勵層（下層圓盤）。激勵層是帶有連續(xù)線性輻射源的一維晶體格柵盤，即激勵源層。通過轉(zhuǎn)動下層圓盤實現(xiàn)方位面的波束掃描，轉(zhuǎn)動上層圓盤實現(xiàn)俯仰面的波束掃描，兩層都是通過機械皮輪帶動圓盤轉(zhuǎn)動，最底層的盤同時起射頻隔離作用。各層間的電波傳播為空氣介質(zhì)傳導(dǎo)方式，阻抗損耗被降低到最小的程度，因此阻抗效率大幅度提高，由于高阻抗效率和采用巧妙的阻抗掃描損耗的降低方法，采用VICTS技術(shù)的天線在獲得相同性能的情況下，比普通的天線所需的天線面積減少了30%到75%，即使在很極端的掃描角度（0°～20°）下也可以較好地工作。天線尋星采用機械掃描和電掃描相結(jié)合的方式。

圖3 VICTS天線結(jié)構(gòu)剖面圖

圖4 CTS天線層結(jié)構(gòu)示意圖

3 工作原理

VICTS技術(shù)天線采用一整套功能完善的傳感器和電子器件配合一套科學(xué)的算法，可使天線在運動和靜止?fàn)顟B(tài)均能精準(zhǔn)對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星。天線可以實現(xiàn)電子掃描和波束動態(tài)聚焦，如波束的線性掃描、扇形掃描以及動態(tài)聚焦等。結(jié)合各層盤面的機械運動，實現(xiàn)方位、俯仰和極化的調(diào)整。

采用VICTS技術(shù)的天線波束圖與常規(guī)拋物面截然不同，該方向圖是非對稱和動態(tài)的。該天線的方向圖因仰角、方位角和極化角的不同而不同，天線的主波束是在天線面上是動態(tài)移動的，不同的頻率、仰角、方位角和極化角時，天線的主波束也處在天線面的不同位置，見圖5。紅色表示主波束所在位置。因此，該天線的波束圖有無數(shù)個，只有固定了頻率、方位角、仰角和極化角時，天線波束圖才是惟一的。采用這一技術(shù)的該天線的主波束的功率譜密度（PSD）是可控的，同理旁瓣功率譜密度也是可控的。

圖5 VICTS天線波束圖舉例

拋物面天線波束圖與VICTS天線波束圖的對比。從圖6中可以看出，拋物面天線的副瓣是水紋狀呈現(xiàn)對稱性向四周衰落的；從圖7中可以看出，VICTS天線的副瓣主要分布在主瓣旁呈十字狀分布。這一特性使得天線適用于工作在大極化角狀態(tài)，而不會帶來臨星干擾，并且大幅度提高主波束譜密度，因而該技術(shù)的使用可以大幅提高衛(wèi)星頻帶利用率。

圖6 拋物面天線波束圖

圖7 VICTS天線波束圖

天線工作時，首先，GPS定位出天線所在位置的經(jīng)緯度，根據(jù)設(shè)置的目標(biāo)衛(wèi)星軌道位置，計算出當(dāng)時接收天線的方位角和仰角和極化角。天線的波束自頂部開始快速掃描，直到天線內(nèi)的信標(biāo)接收機在設(shè)定的頻率上收到一個窄帶的信號；車輛在運動過程中，結(jié)合傾角儀和陀螺儀（慣導(dǎo)）給出的俯仰、航向、橫滾、角速度、加速度等參數(shù)，不斷連續(xù)校正車體的滾動和傾斜差值，保持天線內(nèi)的信標(biāo)接收機在設(shè)定的頻率上，收到的窄帶的信號電平保持在一個最佳水平上；之后天線控制系統(tǒng)精確微調(diào)天線將接收波束調(diào)整到最佳位置，并進(jìn)行峰值捕獲精準(zhǔn)對星。

接收天線對星完成后，發(fā)射天線參照接收天線的位置，自動將發(fā)射波束對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星。陀螺儀（慣導(dǎo)）在運動中保持兩個天線面始終處于正確位置。接收天線始終持續(xù)檢測信號以保證接收天線面始終處于最佳對星狀態(tài)，同時不斷校正因車體運動產(chǎn)生的偏差。初始對星時間不大于30秒，之后的再次對星時間小于1秒。

圖8 VICTS盤面和波束調(diào)整示意圖

4 特點

（1）超低高度。天線高度僅11厘米。

（2）全內(nèi)置。天線的功放、LNB、陀螺和天線控制單元等，完全集成在天線體內(nèi)部。

（3）收發(fā)天線面分開。采用VICTS技術(shù)的ThinSat300有收和發(fā)兩個天線面，由于使用獨特的設(shè)計，省去了TR組件、移相器、波束控制器件等。使天線高度和成本大大降低。易于實現(xiàn)輪廓低，易于與車輛共形、天線體積比傳統(tǒng)的電子掃描相控陣小，對于給定的GT值，該天線只有傳統(tǒng)的拋物面天線的口徑尺寸25%到40%。VICTS技術(shù)適用于X波段、Ka波段以及W、Q等多個波段。

（4）高頻譜利用率。由于VICTS技術(shù)獨特的旁瓣特性，使用VICTS技術(shù)的天線可以采用高譜密度的調(diào)制方式和高編碼率，如5/6、7/8甚至更高。例如：常規(guī)車載低輪廓天線采用1/2 BPSK，傳輸?shù)男畔⑺俾蕿?.048Mb/s時，占用衛(wèi)星頻寬約為5.2MHz；而采用本天線，可以使用7/8 QPSK的編碼調(diào)方式，占用衛(wèi)星頻寬僅為1.67MHz?？梢妭鬏斖瑯拥男畔⑺俾?，大大節(jié)省衛(wèi)星帶寬。

（5）極低鄰星干擾。VICTS技術(shù)因其獨特的天線波束特性，天線的旁瓣低，可以達(dá)到-20dB以下。圖9中虛線表示衛(wèi)星軌道，可見該天線只有主波束在目標(biāo)衛(wèi)星的軌道弧線上，目標(biāo)衛(wèi)星的軌道弧上幾乎沒有旁瓣，因此不會帶來鄰星干擾。

圖9 VICTS天線波束圖與衛(wèi)星軌道示意圖

（6）簡單直觀的操作界面

圖10 操作界面圖

（7）系統(tǒng)造價低，性價比高。采用VICTS技術(shù)天線集成的衛(wèi)星車系統(tǒng)，能有效提高車輛通過性能，同時系統(tǒng)總造價大大降低。衛(wèi)星信道占用少，節(jié)省衛(wèi)星信道租用費；天線重量輕安裝簡單，體積小，車輛負(fù)荷低，車改費用大幅度降低；天線耗電低，節(jié)省供電設(shè)備費用和耗電量。

（8）應(yīng)用領(lǐng)域。該天線在車載領(lǐng)域的應(yīng)用暫露頭角，正在逐步得到用戶的接受和認(rèn)可；船載應(yīng)用與常規(guī)天線應(yīng)用一樣。機載應(yīng)用將顯現(xiàn)出更大的優(yōu)越性：收發(fā)分開的布局方式，使安裝更加靈活方便。低高度可以極大地降低氣動風(fēng)阻，便于與飛行器進(jìn)行整體設(shè)計；重量輕可提高飛行器的有效載荷。

（趙立和/華建威科技股份有限公司）