用于衛(wèi)星地面移動(dòng)通信系統(tǒng)的相控陣天線

　　1 引 言

　　具有跟蹤能力的中等增益圓極化天線是中繼通信衛(wèi)星和衛(wèi)星移動(dòng)通信這兩種通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。對于衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)來說，系統(tǒng)解決了大量稀路由通信地區(qū)的通信、鄉(xiāng)村通信和客運(yùn)、貨運(yùn)、海運(yùn)、航空、搶險(xiǎn)救災(zāi)、野外勘測、公安偵察、部隊(duì)調(diào)動(dòng)等移動(dòng)載體的“動(dòng)中通”業(yè)務(wù)。相控陣天線安裝在海陸空的運(yùn)動(dòng)載體上，完成對通信衛(wèi)星的跟蹤和通信。近幾年得到了快速的發(fā)展，其應(yīng)用功能主要包括衛(wèi)星電話、傳真、電子郵件、數(shù)據(jù)連接、位置報(bào)告以及車(船)隊(duì)管理等。

　　相控陣天線目前被公認(rèn)為是最先進(jìn)的通信天線，它通過控制數(shù)字式移相器使波束精確地跟蹤衛(wèi)星，同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。相控陣技術(shù)應(yīng)用于中繼通信衛(wèi)星和衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)有許多其他技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：跟蹤波束的快速掃描能力；天線波束形狀的快速變化能力；優(yōu)異的空間定向與空域?yàn)V波能力；空間功率合成能力；天線與載體平臺(tái)共形的能力。

　　按照天線的跟蹤方式，可以分為機(jī)械跟蹤系統(tǒng)和電子跟蹤系統(tǒng)。機(jī)械跟蹤系統(tǒng)是利用機(jī)械方法驅(qū)動(dòng)天線將波束指向衛(wèi)星。電子跟蹤系統(tǒng)是利用移相器改變天線單元的相位，控制天線方向圖使其波束指向衛(wèi)星。本文采用電子跟蹤方案，通過GPS結(jié)合電子羅盤采集天線載體運(yùn)動(dòng)及姿態(tài)信息，通過波控機(jī)控制移相器，完成天線的自動(dòng)跟蹤。

　　2 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　要實(shí)現(xiàn)天線對通信衛(wèi)星的自動(dòng)跟蹤，有兩種方案：一種是基于通信衛(wèi)星導(dǎo)頻信號(hào)的方案，即天線自動(dòng)對全空域進(jìn)行掃描，尋找通信衛(wèi)星的導(dǎo)頻信號(hào)并使天線對準(zhǔn)導(dǎo)頻信號(hào)最強(qiáng)的方向，這種方案對于靜止的用戶十分有效，但對于運(yùn)動(dòng)中的用戶而言卻不適用，原因是用戶時(shí)刻都在運(yùn)動(dòng)，天線相對于衛(wèi)星的波束指向需要實(shí)時(shí)改變。另一種是借助移動(dòng)用戶本身與運(yùn)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(jì)算天線對衛(wèi)星的波束指向并指向衛(wèi)星。本文采用的是第二種，即基于GPS結(jié)合電子羅盤的自動(dòng)跟蹤方案。

　　相控陣天線由輻射陣列、可控?cái)?shù)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。

　　天線單元選用圓形微帶貼片天線，組陣后可獲得較大范圍內(nèi)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。由于天線單元的頻率特性覆蓋了目前導(dǎo)航接收機(jī)的天線頻率，且增益滿足要求，因此可選擇其中一個(gè)單元作為導(dǎo)航接收機(jī)天線。導(dǎo)航接收機(jī)采用GPS／GLONASS／北斗兼容接收機(jī)，與波控機(jī)的接口之間采用串行接口總線。波控機(jī)根據(jù)導(dǎo)航接收機(jī)送來的用戶運(yùn)動(dòng)信息計(jì)算天線波束指向并控制移相器移相使天線波束自動(dòng)對準(zhǔn)選取的通信衛(wèi)星。

　　2.2 天線單元設(shè)計(jì)

　　在眾多天線單元中，微帶天線單元最適合用于衛(wèi)星通信相控陣天線系統(tǒng)中，其特點(diǎn)是：剖面薄、體積小、重量輕；便于把饋電網(wǎng)絡(luò)與天線結(jié)構(gòu)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(xiàn)雙頻段、雙極化工作。由于該天線工作在L波段，接收和發(fā)射共用一幅天線，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(yīng)具有寬角特性。由于陣元數(shù)目較多，單元形式應(yīng)盡量簡單，以減輕天線重量和陣元之間的互耦作用，從而避免重量的超標(biāo)和陣列電性能的損失。經(jīng)過比較，輻射單元選用單饋源雙頻微帶天線，圖2為其結(jié)構(gòu)示意圖。在貼片表面開槽，切斷了原先的表面電流路徑，使電流繞槽邊曲折流過而路徑變長，貼片等效尺寸相對增加，諧振頻率降低，可使天線小型化。選擇適當(dāng)?shù)牟蹚亩刂瀑N片表面電流以激勵(lì)相位差90°的極化簡并模，從而形成圓極化輻射和實(shí)現(xiàn)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(dá)7 dBi，軸比在帶寬范圍內(nèi)小于6 dB，滿足天線對頻帶和增益的要求。

　　在分析設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)：隨槽的長度增加，天線諧振頻率降低，天線尺寸減?。惶炀€尺寸的過分縮減會(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)板厚度可改變天線的帶寬，但將引起表面波損耗，同時(shí)，重量明顯增加。因此，開槽需在小型化與性能之間折衷，帶寬需要在天線增益和重量之間折衷。

　　2.3 波束控制器的設(shè)計(jì)

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

　　移動(dòng)用戶在行進(jìn)中其位置與姿態(tài)不斷改變，要保證不間斷通話，應(yīng)不受載體位置、姿態(tài)變化的影響，天線波束必須始終對準(zhǔn)衛(wèi)星信號(hào)方向。天線波束跟蹤采用開環(huán)控制方式，波控機(jī)由單片機(jī)、GPS OEM板、驅(qū)動(dòng)單元及數(shù)字移相器組成。單片機(jī)通過RS 232接口與搭載GPS OEM板聯(lián)接，用來讀取移動(dòng)用戶的實(shí)時(shí)位置、姿態(tài)信息。根據(jù)通信衛(wèi)星、移動(dòng)用戶天線的坐標(biāo)，單片機(jī)經(jīng)過坐標(biāo)變換、角度算法計(jì)算，求得運(yùn)動(dòng)用戶天線指向通信衛(wèi)星信號(hào)的俯仰、方位角(θ，φ)。根據(jù)指向角(θ，φ)，同一單片機(jī)計(jì)算出要求的陣內(nèi)相位差，量化后得到每個(gè)移相器(3 b)的波束控制碼，通過驅(qū)動(dòng)單元控制移相器工作，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶天線波束自動(dòng)跟蹤、掃描工作。波控機(jī)的硬件組成如圖4所示。