王 毅，李新華，王新榮，周一飛

（中國空間技術(shù)研究院航天恒星科技有限公司，北京 100086）

0 引 言

為滿足家庭用戶、中小企業(yè)、手機回程、高速移動等寬帶通信的需求，大容量低軌星座及對應(yīng)的Ka高通量（HTS）衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)迅猛發(fā)展。HTS地面應(yīng)用系統(tǒng)中的遠(yuǎn)端地球通信站——便攜站，得到了發(fā)展和大量應(yīng)用，也因此給便攜站Ka頻段通信天線提出了更高要求，如高性能、小型化、輕便易攜帶、可靠性高等。本文提出一種新型的低軌星座Ka便攜站天線設(shè)計方法和模型，采用X-Y座架實現(xiàn)過頂跟蹤，最大限度地保證通信系統(tǒng)的剛度和穩(wěn)定性。

1 概 述

0.6 米Ka便攜站天線滿足與低軌衛(wèi)星進(jìn)行實時跟蹤和通信，采用X-Y座架結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)過頂跟蹤。該天線設(shè)計最大限度地保證系統(tǒng)的剛度和穩(wěn)定性，滿足攜行對尺寸、重量要求，滿足邊瓣可拆裝或折疊、體積小、重量輕、增益高、可背負(fù)或裝箱拖行的特點。0.6米Ka便攜站天線由天饋子系統(tǒng)、伺服子系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)等組成，本文分別對各天線子系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計[1-2]。

2 天線設(shè)計

2.1 天線總體設(shè)計

0.6 米Ka便攜站天線結(jié)構(gòu)主要包含天線面板、X軸驅(qū)動部分和Y軸驅(qū)動部分，如圖1所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

2.2 天線面板設(shè)計

綜合考慮天線射頻性能和天線環(huán)境使用要求，0.6米Ka便攜站天線采用環(huán)焦拋物面天線面板形式，其中主面采用分瓣形式，如圖2所示[3-4]。

圖2 天線面板設(shè)計

使用期間，利用快速卡扣將分瓣面板拼裝在一起，在收藏狀態(tài)可實現(xiàn)對面板的快速拆卸，從而減小裝箱的難度，有效減少裝箱的空間，提高整個天線的便攜性。天線面板通過法蘭與Y軸座架連接，能夠?qū)崿F(xiàn)天線面板隨各個傳動機構(gòu)的運轉(zhuǎn)。

2.3 天饋子系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 天饋子系統(tǒng)組成

天饋子系統(tǒng)作為天線系統(tǒng)前端設(shè)備，為通信信號提供進(jìn)出地面設(shè)備的射頻通路。

2.3.2 天饋子系統(tǒng)指標(biāo)

0.6 米Ka便攜站天線的天饋分系統(tǒng)的主要指標(biāo)需求如表1所示。

表1 天饋分系統(tǒng)主要性能指標(biāo)需求

（1）天線形式及反射面設(shè)計

在Ka頻段，f=18.525 GHz時，D/λ≈37，采用環(huán)焦天線的形式，綜合分析取副面直徑d=80 mm，實現(xiàn)天線高增益、低旁瓣的特性。在GRASP軟件中建立環(huán)焦天線模型[5]，將饋源方向圖導(dǎo)入計算天線增益方向圖[6]，模型及仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 GRASP中環(huán)焦天線仿真模型

（2）饋源及饋源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

饋源形式如圖5所示，選用大張角波紋喇叭方案，具有帶寬寬、等化性好、相位中心穩(wěn)定的特點。回波損耗仿真結(jié)果如圖6所示[7]。

饋源網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計原理：波紋喇叭接收的Ka頻段信號先通過圓極化器使信號完成線圓轉(zhuǎn)換，再由正交模耦合器分成接收和發(fā)射兩個端口；接收端口通過Ka頻段阻發(fā)濾波器和Ka頻段低噪聲放大器連接，發(fā)射端口通過波導(dǎo)與Ka頻段功率放大器連接。饋源網(wǎng)絡(luò)的原理圖和仿真模型如圖7、圖8所示[8]。

圖4 天線在18.525 GHz方向圖

圖5 饋源仿真模型

圖6 饋源回波損耗仿真結(jié)果

圖7 饋源網(wǎng)絡(luò)原理

圖8 饋源網(wǎng)絡(luò)仿真模型

2.3.3 天線射頻性能參數(shù)

0.6 米Ka便攜站天線的主要性能指標(biāo)均能滿足指標(biāo)要求，如表2所示。

2.4 天線伺服子系統(tǒng)

2.4.1 天線伺服子系統(tǒng)組成及工作原理

天線控制的根本目的是實現(xiàn)對目標(biāo)的快速捕獲和精確跟蹤，并使之達(dá)到系統(tǒng)要求的跟蹤性能和跟蹤精度。

表2 天線性能指標(biāo)結(jié)論

在控制結(jié)構(gòu)上采用典型的位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三環(huán)結(jié)構(gòu)，以改善機電結(jié)合系統(tǒng)的性能。位置環(huán)是保證跟蹤性能的外環(huán)；設(shè)計速度環(huán)是為了提高系統(tǒng)的抗負(fù)載擾動能力；設(shè)計電流環(huán)有利于改善電機的動態(tài)特性，克服力矩控制死區(qū)和非線性。在控制策略方面，采用多模式位置環(huán)路調(diào)節(jié)，使用不同的控制算法以適應(yīng)天線在大范圍調(diào)轉(zhuǎn)、快速捕獲目標(biāo)和精確跟蹤等不同工作狀態(tài)的下對伺服系統(tǒng)不同狀態(tài)的性能要求?？刂七壿嬤\行于天線控制工控機平臺，完成邏輯綜合、控制和狀態(tài)采集上報，大大提高了設(shè)備的集成度、可靠性和靈活性[9]。

天線控制子系統(tǒng)主要由天線控制單元（ACU）、天線驅(qū)動單元（ADU）（包含極化控制）、伺服電機和安全保護(hù)邏輯等組成，原理如圖9所示。

圖9 天線控制系統(tǒng)

2.4.2 天線驅(qū)動單元（ADU）

天線驅(qū)動單元（ADU）是天線控制子系統(tǒng)的一個重要組成部分，是天線控制的基礎(chǔ)，具備以下功能：

（1）完成天線伺服驅(qū)動電信號的功率放大；

（2）完成電流、速度環(huán)控制，改善被控制對象特性；（3）完成天線安全運行所需的控制和保護(hù)；（4）接受天線控制單元（ACU）遠(yuǎn)控響應(yīng)其指令，完成對應(yīng)操作。

實際上，天線驅(qū)動單元是X軸、Y軸兩個獨立轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。X、Y軸均設(shè)置有抱閘裝置，在天線設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。長時間停止工作的時候，可控制天線轉(zhuǎn)到收藏位置，啟動抱閘器實施加鎖動作，以保護(hù)人身、設(shè)備的安全。

2.4.3 天線控制單元（ACU）

天線ACU的工作方式有待機、指向、數(shù)字引導(dǎo)和收藏等，均可工作于分控和本控模式。ACU需完成以下主要功能：

（1）天線各種工作方式的控制與切換；（2）位置環(huán)路的實現(xiàn)；

（3）伺服性能指標(biāo)測試；

（4）設(shè)備故障檢測和告警指示；

（5）測量數(shù)據(jù)與運行狀態(tài)的實時顯示、記錄、處理，完成日志的記錄和存儲；

（6）與上位監(jiān)控進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，接收上位監(jiān)控的命令和參數(shù)，并將天線控制系統(tǒng)運行狀態(tài)實時上報；

（7）接收DTE發(fā)送的數(shù)引數(shù)據(jù)/程引的軌道根數(shù)，并上報測角數(shù)據(jù)。

2.5 天線結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)

整架結(jié)構(gòu)主要分為X軸、Y軸傳動機構(gòu)和倒伏機構(gòu)。下面分別介紹各個部分的方案設(shè)計。

2.5.1 X軸、Y軸傳動機構(gòu)

X軸傳動機構(gòu)由X軸支撐座、減速裝置、驅(qū)動裝置及測角裝置等部分組成，Y軸傳動機構(gòu)由Y軸支撐座、驅(qū)動系統(tǒng)和測角裝置等組成，如圖10、圖11所示。電限位裝置由微動式開關(guān)、開關(guān)支架、碰塊、底座和防護(hù)罩等組成。碰撞塊安裝在X軸、Y軸上，正常工作時隨軸一起轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動到感應(yīng)點即發(fā)揮作用[10]。

圖10 X軸傳動機構(gòu)

圖11 Y軸傳動機構(gòu)

2.5.2 倒伏機構(gòu)

為了便于天線的收藏運輸和在性能上起到便攜的作用，對于整架天線的分析，在立柱與平臺之間設(shè)立倒伏機構(gòu)。

如圖12所示，倒伏機構(gòu)由倒伏支耳、驅(qū)動裝置、回轉(zhuǎn)支撐、機械/電限位保護(hù)裝置、鎖定裝置和同步裝置等組成，結(jié)構(gòu)強度高，結(jié)構(gòu)緊湊，相對重量、體積小。天線有機械限位和鎖定限位之分，根據(jù)X（-90°～+90°）、Y（5°～8°）的要求，分別在各個運動機構(gòu)中設(shè)立精準(zhǔn)的角度對其進(jìn)行限位。

圖12 倒伏機構(gòu)

3 結(jié) 語

完成了0.6米Ka便攜站新型天線天饋子系統(tǒng)、伺服子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)等方面的設(shè)計，對電性能和結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了1:1建模仿真分析。分析表明，設(shè)計的0.6米天線性能參數(shù)均能滿足低軌星座衛(wèi)星系統(tǒng)對便攜站天線的應(yīng)用要求。