周家喜，彭立軍，張正宇

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0　引言

隨著我國天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)重大工程啟動建設(shè)，衛(wèi)星通信的應(yīng)用范圍將越來越廣泛，諸如民航飛機(jī)、火車、長途客車等載體都逐步加裝動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動過程中的不間斷衛(wèi)星通信。

在全球范圍內(nèi)，衛(wèi)星通信主要工作頻段有UHF頻段、L/S頻段、C頻段、Ku頻段、Ka頻段，并朝著EHF和太赫茲等更高頻段發(fā)展，目前動中通系統(tǒng)大多針對單一頻段進(jìn)行設(shè)計(jì)，在實(shí)際使用時可選擇的衛(wèi)星資源相對較少，給應(yīng)用帶來一定的限制[1-2]；另外受到高速運(yùn)動載體安裝空間的限制，比如飛機(jī)和高鐵等對氣動外形有嚴(yán)格要求的平臺，對動中通天線的高度也有嚴(yán)格的限制。采用拋物面天線的動中通普遍較高，只能安裝在對高度要求不嚴(yán)格的平臺上，近年來研究的重點(diǎn)是平板陣列形式天線的動中通[3-6]，文獻(xiàn)[7-9]研究了不同形式的天線及極化跟蹤技術(shù)，文獻(xiàn)[10-17]研究了各種伺服跟蹤技術(shù)。

為了能更好地滿足同時支持多顆衛(wèi)星且天線高度低的要求，相控陣技術(shù)逐漸應(yīng)用于衛(wèi)星通信中[6-7]。本文針對雙頻段天線設(shè)計(jì)以及相控陣體制在衛(wèi)星動中通方面應(yīng)用開展了研究，設(shè)計(jì)研制了一種同時支持S和Ka頻段、采用了相控陣體制的動中通天線，進(jìn)一步降低了天線的高度，以滿足更多高速運(yùn)動平臺的應(yīng)用需求。

1　動中通天線系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

動中通天線的天線類型以及跟蹤方式眾多，根據(jù)采用的天線形式可以分為拋物面天線和切割拋物面天線、平板陣列天線，3種形式的天線高度依次降低。從采用的跟蹤體制可分為兩維機(jī)械跟蹤、一維機(jī)械一維相控陣跟蹤、兩維相控陣跟蹤，其中兩維機(jī)械跟蹤體制的動中通已有非常成熟產(chǎn)品。當(dāng)前研究的熱點(diǎn)則是采用平板天線的低剖面相控陣動中通，主要包含一維機(jī)械一維相控陣跟蹤體制和兩維相控陣跟蹤體制，其中兩維相控陣體制由于受到天線掃描范圍的限制，目前主要是應(yīng)用于導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)等對氣動外形要求非常嚴(yán)格的平臺，且需要使用多個天線才能滿足全空域的覆蓋要求。一維機(jī)械一維相控陣體制既發(fā)揮了相控陣的快速跟蹤和低剖面的優(yōu)勢，又保留了機(jī)械跟蹤在空域覆蓋范圍上的優(yōu)勢。

1.1　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

一維機(jī)械一維相控陣體制的動中通天線一般指方位機(jī)械跟蹤和俯仰相控跟蹤，從結(jié)構(gòu)上可以分為轉(zhuǎn)子和定子兩部分，轉(zhuǎn)子部分可實(shí)現(xiàn)360°無限制旋轉(zhuǎn)，以保證方位向?qū)πl(wèi)星的跟蹤，定子部分則實(shí)現(xiàn)與平臺的安裝接口等。從實(shí)現(xiàn)的功能模塊上看，包含無源平板天線、發(fā)射組件、接收組件、功分器、收發(fā)通道、校正收發(fā)通道、微波鉸鏈、匯流環(huán)、波控單元、伺服控制以及電源等部分組成。S和Ka雙頻段一維機(jī)械一維相控陣跟蹤體制的動中通天線原理如圖1所示。

系統(tǒng)中主要的模塊功能為S和Ka頻段的無源天線實(shí)現(xiàn)信號的空間收發(fā)。發(fā)射組件即為小功率功放，主要實(shí)現(xiàn)信號的末級放大，發(fā)射組件內(nèi)部包含有數(shù)字移相器、數(shù)控衰減器、濾波和功放等。接收組件主要實(shí)現(xiàn)對天線接收信號的初級放大，接收組件內(nèi)部包含低噪聲放大器、數(shù)控移相器和濾波器等。功分器和合路器則實(shí)現(xiàn)信號的合成和分配，功分器是將發(fā)射通道輸出的信號功分至多個發(fā)射組件；合路器則是將多個接收組件輸出的信號進(jìn)行合成，輸出一路信號到接收通道后續(xù)處理模塊。發(fā)射通道實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號的放大

圖1　一維相控陣體制雙頻段天線實(shí)現(xiàn)原理

和濾波等功能；接收通道實(shí)現(xiàn)接收信號放大和濾波等功能。波控單元則實(shí)現(xiàn)對發(fā)射組件和接收組件內(nèi)的數(shù)控移相器以及數(shù)控衰減器的實(shí)時控制，以調(diào)整天線的波束指向，實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星的實(shí)時跟蹤。校正收發(fā)通道則實(shí)現(xiàn)校正信號的發(fā)射和接收。匯流環(huán)和微波鉸鏈分別實(shí)現(xiàn)低頻控制信號、電源和射頻信號從伺服轉(zhuǎn)臺的定子部分到轉(zhuǎn)子部分的傳輸。

由于Ka頻段信號傳輸損耗大，特別是通過微波鉸鏈時的損耗很大，且Ka頻段的毫米波鉸鏈成本極高，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，將頻率源和相應(yīng)的變頻模塊放置到天線轉(zhuǎn)子部分，最終變?yōu)镾頻段或者L頻段經(jīng)過多工器合并后再經(jīng)過雙通道的微波鉸鏈。

轉(zhuǎn)子部分的頻率源為Ka頻段收發(fā)通道、Ka頻段接收通道以及Ka頻段校正通道中的變頻器提供本振時鐘，特別需要注意的是，相控陣系統(tǒng)需要進(jìn)行校正，因此全系統(tǒng)時鐘需進(jìn)行相參設(shè)計(jì)，頻率源的參考時鐘采用外部輸入。

在該系統(tǒng)中，除了結(jié)構(gòu)的緊湊集成設(shè)計(jì)外，最重要的是Ka頻段相控陣的設(shè)計(jì)與校正以及伺服跟蹤控制兩個方面。

1.2　Ka頻段天線與組件的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)

Ka頻段相控陣天線采用多個通道并行收發(fā)，在天線設(shè)計(jì)時，為滿足上半空域覆蓋，天線至少需要實(shí)現(xiàn)±45°的掃描角度，俯仰向的天線單元間距約為半個波長；另外對于Ka頻段，功放芯片的效率相對較低，通常在30%左右，且單個芯片輸出功率較小，通常在1 W左右。為了實(shí)現(xiàn)天線陣面上熱量的均勻分布，便于系統(tǒng)散熱，在進(jìn)行天線設(shè)計(jì)時除了將天線設(shè)計(jì)為俯仰向每行一個接口外，在方位向也將天線一分為二，即將天線設(shè)計(jì)為2列N行的形式，進(jìn)一步增加通道數(shù)量，以在總的EIRP要求不變的前提下，降低每個通道的發(fā)射功率要求。這種設(shè)計(jì)方案既可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射組件的輕小型化，又可以實(shí)現(xiàn)熱量的均勻分布，且可直接將組件安裝于天線背面，利用天線板進(jìn)行散熱。天線設(shè)計(jì)及組件安裝示意圖如圖2所示。

圖2　天線設(shè)計(jì)及組件安裝示意

1.3　相控陣天線校正設(shè)計(jì)

由于Ka頻段元器件本身的一致性較差，再加上加工工藝來帶的誤差，使得各個天線單元以及收發(fā)組件之間的幅度和相位存在較大的不一致性，為了有效合成波束，必須對相控陣天線系統(tǒng)進(jìn)行校正，消除各個通道之間的不一致性。通常的發(fā)射校正采用時分方式，每次打開一個發(fā)射通道，這種校正方式需要在每個發(fā)射組件內(nèi)部集成開關(guān)，并且還需要波控單元輸出開關(guān)控制信號到每個發(fā)射組件，增加了組件和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。而BIT(Built-in Test)行波校正法則可以利用信號的正交性，不需要對發(fā)射組件進(jìn)行開關(guān)控制，可極大簡化發(fā)射組件的設(shè)計(jì)，減少了模塊之間的連接電纜數(shù)量。

BIT行波校正法通過在天線單元與發(fā)射組件之間增加行波饋電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對天線單元近似等幅度和線性相位激勵。在單根線陣下加一根耦合波導(dǎo)作為校正網(wǎng)絡(luò)，耦合波導(dǎo)與天線之間耦合度設(shè)計(jì)為-45 dB，校正網(wǎng)絡(luò)與天線陣采用一體化設(shè)計(jì)和加工。校正網(wǎng)絡(luò)的輸出端接校正收發(fā)通道模塊，另一端接匹配負(fù)載。校正網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3　校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)示意

BIT行波校正原理為：發(fā)射機(jī)輸出射頻信號激勵天線，校正耦合網(wǎng)絡(luò)通過耦合通道耦合輸出各發(fā)射組件的射頻信號形成行波信號，再將行波信號輸出到待檢的饋電系統(tǒng)中，從而用注入到行波饋電網(wǎng)絡(luò)的信號來模擬輻射到θ方向的遠(yuǎn)場信號(θ為波束偏離天線陣面法線方向的角度)。在通道相位校準(zhǔn)過程中，按照一定波束指向角(-45°～45°)，設(shè)置所有移相器的相位來模擬輻射到不同角度的遠(yuǎn)場信號，通過有序地改變波束指向，接收機(jī)測出每一掃描位置發(fā)射信號的相位和幅度值，并將信號通過接口送入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行矩陣求逆后可以得到陣元幅度和相位值。

對于N個單元的陣列天線，最終將獲得一組N個復(fù)數(shù)代數(shù)方程，每個方程代表由各單元激勵的遠(yuǎn)場輻射場E(θm)，m從1步進(jìn)到N，利用矩陣求逆來求解這組方程可以得到陣元的激勵電壓。校正實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖4所示。

圖4　BIT行波校正原理

1.4　伺服跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行伺服跟蹤時，首先根據(jù)當(dāng)前使用衛(wèi)星的經(jīng)緯度以及載體的經(jīng)緯度和高度信息，計(jì)算出天線在地理坐標(biāo)系下的方位和俯仰角。伺服平臺安裝在載體上，只能以載體坐標(biāo)系為基準(zhǔn)控制天線運(yùn)動。為了保持天線波束指向穩(wěn)定，在控制天線運(yùn)動前必須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，求得在載體坐標(biāo)系下的天線控制角度。

在地理坐標(biāo)系中，天線波束指向應(yīng)與單位矢量[u]重合

式中，ψ為天線俯仰角；α為天線方位角。

一般情況下，地理坐標(biāo)系和載體坐標(biāo)系的軸線是不重合的，將單位矢量[u]轉(zhuǎn)換到載體坐標(biāo)系有：

式中，αt、ψt、θt分別為載體的偏航角、俯仰角和橫滾角；[αt]，[ψt]和[θt]均為3×3坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)矩陣，

所以，在載體坐標(biāo)系中[u]b為：

式中，

Xb=cosψ[cosθtsin(α-αt)+sinθtsinψtcos(α-αt)]-

sinψsinθtcosψt；

Yb=cosψcosψtcos(α-αt)+sinψsinψt；

Zb=cosψ[sinθtsin(α-αt)-cosθtsinψtcos(α-αt)]+

sinψcosθtcosψt。

進(jìn)而可以求得天線在載體坐標(biāo)中的方位角αb和俯仰角ψb分別為：

(6)

在完成波束指向角度的計(jì)算后，首次伺服系統(tǒng)控制方位電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)臺使得天線波束指向方位角αb，然后再通過波控單元控制發(fā)射組件和接收組件內(nèi)的移相器，實(shí)現(xiàn)俯仰波束指向俯仰角ψb，使天線法線指向與單位矢量u重合。在完成運(yùn)動補(bǔ)償后，天線將指向既定目標(biāo)，然后控制器檢測到跟蹤接收機(jī)送來的信號強(qiáng)度幅值反饋信息，通過小步進(jìn)調(diào)整天線指向，使得接收到的信號幅值最大，通過這個信號幅值檢測跟蹤最后實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)閉環(huán)跟蹤。

由于動中通天線系統(tǒng)規(guī)模一般相對較小，波控單元需要控制的移相器數(shù)量也較少，在設(shè)計(jì)時可以直接將天線各個掃描角度對應(yīng)的移相器數(shù)值計(jì)算好并生成移相碼表常駐于內(nèi)存之中，波控單元在進(jìn)行俯仰向波束控制時，首先根據(jù)掃描角度信息查移相碼表，得出每個移相器對應(yīng)的移相碼數(shù)值，再按照相應(yīng)時序關(guān)系，通過控制接口將移相碼送到各移相器。

2　系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案研制了S和Ka頻段一維機(jī)械一維相控陣動中通系統(tǒng)的試驗(yàn)樣機(jī)，并進(jìn)行了天線的暗室測試以及衛(wèi)星跟蹤通信試驗(yàn)，如圖5所示。

圖5　天線暗室測試和外場跟蹤試驗(yàn)

2.1　天線暗室測試結(jié)果

S頻段一維相控陣天線的收發(fā)波束均可進(jìn)行相控陣掃描，遠(yuǎn)場暗室測試中分別測試了收發(fā)波束在-35°、0°、35°掃描角對應(yīng)的方向圖，結(jié)果如圖6所示。

Ka頻段一維相控陣天線的波束可進(jìn)行相控陣掃描，遠(yuǎn)場暗室測試中分別測試了波束在-35°、-20°、0°、20°、35°掃描角對應(yīng)的方向圖，結(jié)果如圖7所示。

圖6　S頻段波束法向及掃描方向圖

圖7　Ka頻段波束法向及掃描方向圖

2.2　衛(wèi)星跟蹤試驗(yàn)情況

利用外場環(huán)境搭建測試平臺以驗(yàn)證天線的衛(wèi)星跟蹤功能。天線安裝在一個測試轉(zhuǎn)臺上，開啟測試轉(zhuǎn)臺，讓測試轉(zhuǎn)臺在俯仰向和方位向進(jìn)行動態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，以模擬正式安裝平臺的動態(tài)特性。外場的另一端搭建一個由測試電腦、頻譜儀和接收天線組成的信號接收平臺，在進(jìn)行測試時，開啟Ka頻段發(fā)射天線，讓發(fā)射波束指向信號接收平臺，信號接收平臺實(shí)時采樣接收到的Ka頻段發(fā)射波束的功率值，通過計(jì)算得出功率偏差值以及偏差值對應(yīng)的發(fā)射波束指向誤差。通過試驗(yàn)測試表明，系統(tǒng)的跟蹤誤差小于十分之一的波束寬度。同時開展了衛(wèi)星對接試驗(yàn)，驗(yàn)證了相控陣業(yè)務(wù)通信，實(shí)現(xiàn)了雙向的數(shù)據(jù)傳輸。

3　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的雙頻段衛(wèi)星動中通天線可以實(shí)現(xiàn)單臺設(shè)備同時支持2個頻段工作。一維機(jī)械跟蹤一維相控陣跟蹤體制，不僅提升了跟蹤的響應(yīng)速度，同時還因?yàn)樘炀€可以傾斜安裝，降低了天線的整體高度。采用BIT行波校正算法，將校正網(wǎng)絡(luò)和天線一體化設(shè)計(jì)，在滿足校正功能的同時簡化了發(fā)射組件和波控單元的設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的天線系統(tǒng)，不僅結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高，同時因?yàn)椴捎昧讼嗫仃圀w制，將原先一個大功率功放變成多個獨(dú)立的發(fā)射組件，單個組件的實(shí)效不會對系統(tǒng)的通信性能帶來太大的影響，極大地提升了系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。實(shí)際研制的樣機(jī)進(jìn)行了暗室測試和動態(tài)衛(wèi)星通信試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。