平面自跟蹤天線技術(shù)在“動中通”衛(wèi)星通信中的應(yīng)用

1 引言

隨著我國通信、導(dǎo)航、遙控、遙測和遙感等各方面技術(shù)的飛躍突破，應(yīng)用于衛(wèi)星通信的天線技術(shù)也不斷進(jìn)步，我國從事微波技術(shù)與天線設(shè)計(jì)的專業(yè)技術(shù)人員在電磁波 導(dǎo)行與輻射傳輸工程領(lǐng)域積累了豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，為充分滿足我國軍隊(duì)、電信、公安、電力、水力、氣象、地震等領(lǐng)域的應(yīng)急衛(wèi)星通信使用需求，“動中通”衛(wèi)星通 信系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展十分迅速。天線是這一系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的設(shè)備，具有低剖面、高增益的平面陣列形式的高頻段“動中通”衛(wèi)星通信天線產(chǎn)品更好地滿足了應(yīng)急通 信需求。本文僅就平面自跟蹤天線技術(shù)在“動中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用作簡要敘述。

2 軍事領(lǐng)域的“動中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)使用需求對天線的要求

“動中通”天線技術(shù)是戰(zhàn)場信息傳輸系統(tǒng)中的主要實(shí)現(xiàn)技術(shù)。在信息化浪潮席卷全球的時代，戰(zhàn)爭形態(tài)正朝著信息化方向發(fā)展，信息化戰(zhàn)爭形態(tài)決定了 數(shù)字化戰(zhàn)場形態(tài)的到來。數(shù)字化戰(zhàn)場的本質(zhì)特征是提供戰(zhàn)場實(shí)時態(tài)勢感知，為作戰(zhàn)部隊(duì)和各種武器平臺提供戰(zhàn)場共享畫面，為戰(zhàn)役和戰(zhàn)術(shù)行動提供依據(jù)。這種本質(zhì)特 征決定了未來的數(shù)字化戰(zhàn)場要求參戰(zhàn)的部隊(duì)必須具有高度的機(jī)動能力，做到對瞬息萬變的戰(zhàn)場態(tài)勢做出快速反應(yīng)；要求信息傳輸設(shè)備不僅能迅速架設(shè)、運(yùn)作，還要能 實(shí)現(xiàn)部隊(duì)在運(yùn)動作戰(zhàn)的過程中，提供充分的信息支援，即實(shí)現(xiàn)“動中通”。

隨著數(shù)字化戰(zhàn)場建設(shè)的發(fā)展，對“動中通”的要求將越來越高：一是機(jī)動性更高，快速反應(yīng)能力更強(qiáng)；二是信息傳輸容量更大；三是對惡劣戰(zhàn)爭環(huán)境的適應(yīng)能力更 強(qiáng)。為滿足“動中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)在數(shù)字化戰(zhàn)場上的使用需求，采用Ku頻段及更高頻段的射頻傳輸設(shè)備勢在必行。而“動中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，天線是非常關(guān) 鍵的部件，因此要求“動中通”衛(wèi)星天線必須是強(qiáng)方向性的和高增益性的、具有較低剖面、設(shè)備體積小易于隱蔽、可實(shí)現(xiàn)天線波束對方向的自動跟蹤、在低仰角下仍 保持通信。

3 平面自跟蹤天線技術(shù)在“動中通”系統(tǒng)中的應(yīng)用

平面自跟蹤天線技術(shù)應(yīng)用于Ku頻段“動中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)，大大提高了天線設(shè)備性能和“動中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)的總體通信效果。采用寬頻帶陣列技術(shù)的天線輻 射陣元組成的天線，可以在有效降低天線剖面尺寸的同時保證天線具有更好的輻射效率和方向圖特性；可以減小天線系統(tǒng)的整體尺寸和重量，更易于安裝在車輛和飛 機(jī)等移動載體上，適合于移動通信。

3.1 平面自跟蹤天線技術(shù)簡介

平面自跟蹤天線技術(shù)（Planar Auto-tracking Antenna Technology）是一種區(qū)別于拋物反射面天線形式，采用在二維平面上按一定規(guī)律排列天線輻射單元和饋電電路的陣列天線形式；在天線波束對星指向跟蹤上采用單通道單脈沖自跟蹤的天線技術(shù)。

3.1.1平面陣列天線技術(shù)

在Ku頻段“動中通”衛(wèi)星通信天線設(shè)計(jì)上所采用的平面陣列天線技術(shù)主要是指，將一定數(shù)量的輻射單元在二維平面上按一定的空間位置關(guān)系排列，并通過控制單元 的饋電相位和幅度，在空間中某一方向形成定向波束的天線技術(shù)。平面陣列天線技術(shù)的主要特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)高增益，并可以靈活的控制波束形狀和副瓣電平等天線方向圖指標(biāo)。

平面陣列天線技術(shù)主要采用等間距陣列和不等間距陣列兩類陣元排布方式。其中由于等間距陣列天線形式中饋電網(wǎng)絡(luò)排布簡便，因此等間距陣列技術(shù)較為常用。不等間距陣列技術(shù)主要應(yīng)用于密度加權(quán)陣列、希布陣列。

等間距陣列按照排布方式也分為矩形柵格陣列，三角柵格陣列等。三角柵格陣列技術(shù)一般應(yīng)用在相控陣天線設(shè)計(jì)中以減少T/R組件數(shù)量，縮小單元間距，而“動中通”系統(tǒng)中一般采用矩形柵格陣列技術(shù)，為了方便饋電網(wǎng)絡(luò)排布。

3.1.2天線自跟蹤技術(shù)

目前采用的天線自跟蹤技術(shù)包括：陀螺及慣導(dǎo)組合跟蹤、極大值跟蹤、圓錐掃描跟蹤及單脈沖跟蹤的方式。

陀螺慣導(dǎo)跟蹤依托高精度陀螺和慣性導(dǎo)航組合技術(shù)，驅(qū)動天線保持波束指向衛(wèi)星。跟蹤精度取決于陀螺和慣導(dǎo)的精度，與天線本身的信號無關(guān)；

極大值跟蹤方式需要獲得天線接收信號的強(qiáng)度值，根據(jù)信號的強(qiáng)弱驅(qū)動天線指向信號最大的方向，在天線具有較寬的波束寬度時跟蹤效果較好；

圓錐掃描跟蹤方式，需要將天線的副反射面或饋源做極小的偏軸，形成圓錐形旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生差值信號，并在不同的旋轉(zhuǎn)位置進(jìn)行采樣，獲取跟蹤參數(shù)完成跟蹤。天線在工作時副面或饋源必須不停頓的轉(zhuǎn)動，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，且只能適用于反射面天線。

單脈沖跟蹤需要天線系統(tǒng)形成合差信號，利用天線指向誤差造成合差信號相位誤差的原理，使用單脈調(diào)制通過跟蹤接收機(jī)檢測誤差信號，根據(jù)誤差信號驅(qū)動天線完成跟蹤。是目前最先進(jìn)、最穩(wěn)定的跟蹤方式。

3.2 國產(chǎn)YW10-22型Ku頻段動中通天線系統(tǒng)技術(shù)特色

3.2.1低輪廓收發(fā)共面

天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為方位長、俯仰短的形式，在保證天線面積的前提下最大限度的降低了天線高度。采用寬頻帶陣列設(shè)計(jì)方案，使天線的工作頻率覆蓋Ku波段的發(fā) 射和接收兩個頻段。所有陣列單元排布在同一塊天線板上，避免了不同天線發(fā)射面板和天線接收面板之間在俯仰角度上的相互遮擋的問題，使天線在低俯仰角度下也 可以工作，提高天線的隨動性。

3.2.2高效率、低旁瓣

天線效率高，在同樣的增益參量水平上天線可以體積更小、重量更輕和更易于安裝于移動載體；天線低的旁瓣特性，可以允許天線使用更大功率發(fā)射信號的并在天線移動過程中避免臨星干擾。

3.2.3單通道單脈沖自跟蹤

應(yīng)用于Ku頻段“動中通”衛(wèi)星天線的單脈沖自跟蹤技術(shù)，是通過閉環(huán)跟蹤方式，從一個脈沖中獲得和、差射頻信號，確定天線波束指向與衛(wèi)星之間的位置關(guān)系，驅(qū) 動波束指向隨天線自身運(yùn)動而運(yùn)動，使天線波束指向持續(xù)地對準(zhǔn)衛(wèi)星的跟蹤技術(shù)。單脈沖自跟蹤技術(shù)具有實(shí)時性好、跟蹤速度快和跟蹤精度高的優(yōu)點(diǎn)。

“動中通”衛(wèi)星通信天線會在載體移動過程中時刻發(fā)生姿態(tài)和位置變化，單脈沖自跟蹤技術(shù)可以使天線在工作過程中不斷修正波束指向，穩(wěn)定地對準(zhǔn)衛(wèi)星，確保通信在載體移動過程中不會間斷。

3.2.4高隔離度極化跟蹤

采用具有專利技術(shù)的極化器，不僅可以實(shí)現(xiàn)極化自動跟蹤，也可以有效抑制極化之間的相互干擾，更好的提高提高天線信噪比，確保更高的傳輸精度；提高通信信道的頻率利用率，使信道獲得更寬的利用頻率，信息傳輸容量大。

3.2.5 0-90°俯仰角內(nèi)穩(wěn)定工作

天線在0-90°俯仰角范圍內(nèi)可工作并具有均衡而穩(wěn)定的預(yù)期方向圖特性，即使天線水平位置隨載體移動而發(fā)生傾斜或通信中遇到車輛行進(jìn)在坡面路段，仍可以維持通信的不間斷性。

4 結(jié)束語

“動中通”衛(wèi)星通信天線系統(tǒng)的核心設(shè)備是天線，平面自跟蹤天線技術(shù)在“動中通”衛(wèi)星天線系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)使那些安裝了不超過30cm高度的低輪廓衛(wèi)星天線的車輛靈活地穿越各種復(fù)雜路面環(huán)境并通暢地實(shí)時傳遞音視頻信息。