用于衛星地面移動(dòng)通信系統的相控陣天線(xiàn)

　　1 引 言

　　具有跟蹤能力的中等增益圓極化天線(xiàn)是中繼通信衛星和衛星移動(dòng)通信這兩種通信系統的關(guān)鍵部件之一。對于衛星移動(dòng)通信系統來(lái)說(shuō)，系統解決了大量稀路由通信地區的通信、鄉村通信和客運、貨運、海運、航空、搶險救災、野外勘測、公安偵察、部隊調動(dòng)等移動(dòng)載體的“動(dòng)中通”業(yè)務(wù)。相控陣天線(xiàn)安裝在海陸空的運動(dòng)載體上，完成對通信衛星的跟蹤和通信。近幾年得到了快速的發(fā)展，其應用功能主要包括衛星電話(huà)、傳真、電子郵件、數據連接、位置報告以及車(chē)(船)隊管理等。

　　相控陣天線(xiàn)目前被公認為是最先進(jìn)的通信天線(xiàn)，它通過(guò)控制數字式移相器使波束精確地跟蹤衛星，同時(shí)實(shí)現信號傳輸。相控陣技術(shù)應用于中繼通信衛星和衛星移動(dòng)通信系統有許多其他技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：跟蹤波束的快速掃描能力；天線(xiàn)波束形狀的快速變化能力；優(yōu)異的空間定向與空域濾波能力；空間功率合成能力；天線(xiàn)與載體平臺共形的能力。

　　按照天線(xiàn)的跟蹤方式，可以分為機械跟蹤系統和電子跟蹤系統。機械跟蹤系統是利用機械方法驅動(dòng)天線(xiàn)將波束指向衛星。電子跟蹤系統是利用移相器改變天線(xiàn)單元的相位，控制天線(xiàn)方向圖使其波束指向衛星。本文采用電子跟蹤方案，通過(guò)GPS結合電子羅盤(pán)采集天線(xiàn)載體運動(dòng)及姿態(tài)信息，通過(guò)波控機控制移相器，完成天線(xiàn)的自動(dòng)跟蹤。

　　2 系統分析與設計

　　2.1 系統結構設計

　　要實(shí)現天線(xiàn)對通信衛星的自動(dòng)跟蹤，有兩種方案：一種是基于通信衛星導頻信號的方案，即天線(xiàn)自動(dòng)對全空域進(jìn)行掃描，尋找通信衛星的導頻信號并使天線(xiàn)對準導頻信號最強的方向，這種方案對于靜止的用戶(hù)十分有效，但對于運動(dòng)中的用戶(hù)而言卻不適用，原因是用戶(hù)時(shí)刻都在運動(dòng)，天線(xiàn)相對于衛星的波束指向需要實(shí)時(shí)改變。另一種是借助移動(dòng)用戶(hù)本身與運動(dòng)狀態(tài)有關(guān)的信息，諸如：移動(dòng)載體的速度，地理位置等，利用一定的算法實(shí)時(shí)計算天線(xiàn)對衛星的波束指向并指向衛星。本文采用的是第二種，即基于GPS結合電子羅盤(pán)的自動(dòng)跟蹤方案。

　　相控陣天線(xiàn)由輻射陣列、可控數字移相器、波束控制器以及1：19功分網(wǎng)絡(luò )等部分組成，功能框圖如圖1所示。

　　天線(xiàn)單元選用圓形微帶貼片天線(xiàn)，組陣后可獲得較大范圍內的波束掃描。功分網(wǎng)絡(luò )采用微帶形式，可以做到與陣面良好的共形。由于天線(xiàn)單元的頻率特性覆蓋了目前導航接收機的天線(xiàn)頻率，且增益滿(mǎn)足要求，因此可選擇其中一個(gè)單元作為導航接收機天線(xiàn)。導航接收機采用GPS／GLONASS／北斗兼容接收機，與波控機的接口之間采用串行接口總線(xiàn)。波控機根據導航接收機送來(lái)的用戶(hù)運動(dòng)信息計算天線(xiàn)波束指向并控制移相器移相使天線(xiàn)波束自動(dòng)對準選取的通信衛星。

　　2.2 天線(xiàn)單元設計

　　在眾多天線(xiàn)單元中，微帶天線(xiàn)單元最適合用于衛星通信相控陣天線(xiàn)系統中，其特點(diǎn)是：剖面薄、體積小、重量輕；便于把饋電網(wǎng)絡(luò )與天線(xiàn)結構做在一起，適合用印刷電路技術(shù)大批量生產(chǎn)；能與有源器件和電路集成在同一基板上；便于獲得圓極化，容易實(shí)現雙頻段、雙極化工作。由于該天線(xiàn)工作在L波段，接收和發(fā)射共用一幅天線(xiàn)，其百分比帶寬約為8.5％。同時(shí)，為增加相控陣俯仰方向掃描范圍，要求陣列單元的增益、軸比方向圖應具有寬角特性。由于陣元數目較多，單元形式應盡量簡(jiǎn)單，以減輕天線(xiàn)重量和陣元之間的互耦作用，從而避免重量的超標和陣列電性能的損失。經(jīng)過(guò)比較，輻射單元選用單饋源雙頻微帶天線(xiàn)，圖2為其結構示意圖。在貼片表面開(kāi)槽，切斷了原先的表面電流路徑，使電流繞槽邊曲折流過(guò)而路徑變長(cháng)，貼片等效尺寸相對增加，諧振頻率降低，可使天線(xiàn)小型化。選擇適當的槽從而控制貼片表面電流以激勵相位差90°的極化簡(jiǎn)并模，從而形成圓極化輻射和實(shí)現雙頻工作。

　　圖3為輻射單元在收發(fā)頻段的駐波特性。同時(shí)，單元增益可達7 dBi，軸比在帶寬范圍內小于6 dB，滿(mǎn)足天線(xiàn)對頻帶和增益的要求。

　　在分析設計時(shí)發(fā)現：隨槽的長(cháng)度增加，天線(xiàn)諧振頻率降低，天線(xiàn)尺寸減??；天線(xiàn)尺寸的過(guò)分縮減會(huì )引起性能的急劇劣化，其中帶寬與增益尤為明顯，而方向圖影響不大；增加介質(zhì)板厚度可改變天線(xiàn)的帶寬，但將引起表面波損耗，同時(shí)，重量明顯增加。因此，開(kāi)槽需在小型化與性能之間折衷，帶寬需要在天線(xiàn)增益和重量之間折衷。

　　2.3 波束控制器的設計

　　波束控制器是相控陣天線(xiàn)的重要組成部分。由于相控陣天線(xiàn)波束的掃描和跟蹤是由波束控制器實(shí)現的，因此，波束控制器很大程度上決定了天線(xiàn)的動(dòng)中通性能。

　　移動(dòng)用戶(hù)在行進(jìn)中其位置與姿態(tài)不斷改變，要保證不間斷通話(huà)，應不受載體位置、姿態(tài)變化的影響，天線(xiàn)波束必須始終對準衛星信號方向。天線(xiàn)波束跟蹤采用開(kāi)環(huán)控制方式，波控機由單片機、GPS OEM板、驅動(dòng)單元及數字移相器組成。單片機通過(guò)RS 232接口與搭載GPS OEM板聯(lián)接，用來(lái)讀取移動(dòng)用戶(hù)的實(shí)時(shí)位置、姿態(tài)信息。根據通信衛星、移動(dòng)用戶(hù)天線(xiàn)的坐標，單片機經(jīng)過(guò)坐標變換、角度算法計算，求得運動(dòng)用戶(hù)天線(xiàn)指向通信衛星信號的俯仰、方位角(θ，φ)。根據指向角(θ，φ)，同一單片機計算出要求的陣內相位差，量化后得到每個(gè)移相器(3 b)的波束控制碼，通過(guò)驅動(dòng)單元控制移相器工作，從而實(shí)現移動(dòng)用戶(hù)天線(xiàn)波束自動(dòng)跟蹤、掃描工作。波控機的硬件組成如圖4所示。