劉錦超 王浩然

1.武警海警總隊(duì)作戰(zhàn)勤務(wù)保障隊(duì)技術(shù)保障室 北京 100195

2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 河北 石家莊 050081

船載衛(wèi)星通信天線能夠有效克服因船舶運(yùn)行造成的搖擺和顛簸等引起的位置變化,從而使天線始終高精度的指向衛(wèi)星,保證通信質(zhì)量和效率。在船載天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,對于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和靈活性具有較高的要求。因此,在實(shí)際應(yīng)用中,需要配合多種技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)。

1 三軸天線座技術(shù)

具有天線指向控制功能的天線座有很多,由于兩軸天線座如AE和XY天線座都存在跟蹤盲區(qū),因此在船用天線中通常選擇三軸天線座,方位俯仰交叉(AEC)或方位交叉俯仰(ACE),兩種三軸天線座的應(yīng)用有效避免了兩軸天線座存在的天頂和X軸向盲區(qū),以滿足船用不間斷通信系統(tǒng)的無盲區(qū)跟蹤。AEC和ACE座架的三軸天線座,都是在X-Y軸座架的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上增加一個方位軸,構(gòu)成A、E、C或A、C、E的三軸控制、兩軸穩(wěn)定跟蹤的工作模式,實(shí)現(xiàn)有效自動跟蹤,且三軸天線座架應(yīng)用于船載衛(wèi)星保證了船站衛(wèi)星通信不間斷。

考慮到船載天線的工作環(huán)境對于機(jī)械和傳動裝置提出較高的耐沖擊、抗振動、耐潮、防腐性能要求,還要應(yīng)對艦船搖擺造成的磨損,需要具有較高的耐磨性和抗疲勞性。因此一些天線廠商在設(shè)計(jì)之初采用齒形帶作傳動,齒形帶傳動不具備較高的耐磨性和抗疲勞性,常會出現(xiàn)故障,設(shè)備應(yīng)用可靠性不高。且由于應(yīng)用了齒形帶傳動設(shè)備,導(dǎo)致更換方位和俯仰軸齒形帶必須先拆除天線罩并拆開天線座架,為維修和更換帶來了諸多不便。因此在國內(nèi)市場,大多船載天線采用齒輪傳動的AEC型天線座架或ACE型天線座架。

2 自適應(yīng)跟蹤技術(shù)

自適應(yīng)跟蹤技術(shù)是與三軸天線座技術(shù)相配套的控制算法,在船用三軸系統(tǒng)中,考慮到俯仰(E)軸和交叉(C)軸的工作范圍是限定的,而俯仰動作需要借助于方位軸的配合,才能在一個相對合適的范圍中隔離船搖。在船的工作過程中,由于船的航向在不斷變化,因此就需要對AC軸位置進(jìn)行同步調(diào)整,保證天線的跟蹤功能不受到限制。而調(diào)整軸向是一項(xiàng)十分頻繁、繁瑣的工作,頻繁切換會造成方位軸(A)和交叉(C)軸嚴(yán)重磨損。因而在實(shí)際應(yīng)用中通常通過設(shè)置閥值來降低切換頻率,以保護(hù)軸架。具體而言,當(dāng)調(diào)整交叉軸工作點(diǎn)位置時(shí),通過交叉軸搖擺幅度,結(jié)合交叉軸的工作范圍來判斷并設(shè)定交叉軸偏離靠近限位的閥值。一般交叉軸的工作區(qū)間在-50°到+50°,搖擺幅度為30°,因此通常將調(diào)節(jié)閥值設(shè)定為10°,交叉軸的搖擺中心偏離也大約為10°。應(yīng)用了自適應(yīng)跟蹤技術(shù)的船載衛(wèi)星可以保證天線在合適的工作范圍內(nèi)運(yùn)行,有效避免交叉軸限位,從而保證連續(xù)通信。

3 應(yīng)用有限元模型的天線結(jié)構(gòu)

天線座的方位部分采用轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu),主要由方位軸承、天線底座、方位轉(zhuǎn)盤等組成,轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)的軸向尺寸小而承載能力大,具有較強(qiáng)的剛度和較高的精度。天線的主要承重材料使用45號鋼,天線反射面材料為碳纖維,天線內(nèi)部各主要部件采用螺栓連接。

構(gòu)建天線的有限元模型首先需要分析天線的結(jié)構(gòu)型式,并對主要結(jié)構(gòu)件的受力進(jìn)行簡化,從而對于結(jié)構(gòu)件的材料進(jìn)行正確賦值,并合理設(shè)置天線模型條件和工況載荷,保證簡化模型在結(jié)構(gòu)和功能上與天線的實(shí)際工作狀態(tài)盡量一致。對于天線有限元模型材料的屬性、劃分方式、邊界條件等參數(shù)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行多次模擬與修正,以保證模型與真實(shí)數(shù)據(jù)的誤差保持在較小的范圍。

4 天線類型與口徑

船載衛(wèi)星通信天線通常采用拋物面天線,通信天線主要包括主反射面、副反射面、饋源三大部分。其中,使用副反射面的通信天線的饋源輻射拋物面采用后饋,后饋天線具有結(jié)構(gòu)緊湊、縮小天線罩規(guī)模的優(yōu)點(diǎn)。而天線內(nèi)部結(jié)構(gòu)、天線罩、通信天線的口徑等因素都極大影響通信頻率。目前,以Ku波段為主的普遍應(yīng)用在船載寬帶衛(wèi)星通信天線中。

船舶是一種移動載體,天線只能安裝在空間有限的甲板上,因此必須選擇和安裝合適口徑的天線,而口徑越小的天線所使用的天線罩就越小。隨著衛(wèi)星資源日益豐富,通信終端產(chǎn)品越來越多的涌入市場,保持較小的天線口徑能保證鄰星之間不會產(chǎn)生干擾,還能有效滿足各種類型船只的使用需求。至于天線口徑應(yīng)用于船載衛(wèi)星通信的標(biāo)準(zhǔn)沒有具體要求,只需保證Ku波段不會產(chǎn)生干擾即可入網(wǎng)使用。

確定天線口徑工作完成后,還需要對拋物面天線的電性能指標(biāo)如接收頻率范圍和增益、發(fā)射頻率范圍和增益、交叉極化隔離度、駐波比等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。應(yīng)當(dāng)注意到,船載衛(wèi)星通信天線的實(shí)際使用環(huán)境情況復(fù)雜,因此需要配備使用天線罩,而應(yīng)用了天線罩之后就需要考慮天線罩的影響,以及需要測量帶著天線罩時(shí)的工作數(shù)據(jù)。

5 穩(wěn)定與電機(jī)傳動

船載衛(wèi)星通信天線的穩(wěn)定型是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),對于船載衛(wèi)星通信天線控制的實(shí)現(xiàn)具有重要作用,而船載衛(wèi)星所采用的電機(jī)和傳動方式?jīng)Q定了天線的綜合性能和使用壽命。

5.1 天線穩(wěn)定型 船載衛(wèi)星天線不同于普通的固定衛(wèi)星天線,船載衛(wèi)星天線需要穩(wěn)定型結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)天線角度的自動調(diào)整,使其對準(zhǔn)衛(wèi)星的方向,以實(shí)現(xiàn)信號不間斷傳輸。固定衛(wèi)星天線多采用線極化,需要調(diào)整天線的軸線和極化角,以提高天線的收發(fā)效率。使用三軸結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星天線要想實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、不間斷通信,需要調(diào)整天線的方位角、橫滾角、俯仰角、極化角等同時(shí)對準(zhǔn)衛(wèi)星,因此至少使用四個電機(jī)。

5.2 電機(jī)和傳動 船載衛(wèi)星通信天線多應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)、無刷直流電機(jī)、伺服電機(jī)等小型電機(jī)。其中,步進(jìn)電機(jī)具有控制簡便、扭矩大的優(yōu)勢,在低速環(huán)境中應(yīng)用具有顯著優(yōu)勢,適用于兩軸穩(wěn)定型天線。無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速高、跟蹤速度快,適用于三軸穩(wěn)定型天線,但具有扭矩小、配重要求高、控制難度大等缺點(diǎn)。

而船載衛(wèi)星產(chǎn)品使用皮帶傳動已十分普遍,皮帶傳動具有平穩(wěn)、無間隙的優(yōu)點(diǎn),尤其是對于震動環(huán)境,皮帶可以吸收并緩解船體的震動。

6 小結(jié)

總而言之,海上衛(wèi)星通信的需求與日俱增,且越來越迫切。在設(shè)計(jì)船載天線系統(tǒng)時(shí),需要結(jié)合海上運(yùn)行環(huán)境,應(yīng)用智能穩(wěn)定控制算法,保證捕捉衛(wèi)星的快捷靈敏,保證跟蹤精度。在衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的階段,實(shí)現(xiàn)船載衛(wèi)星通信天線的普及,促進(jìn)海洋衛(wèi)星通信的健康可持續(xù)發(fā)展。