C波段無線網(wǎng)與S波段遙測天線共用技術(shù)研究

霍建華++劉丹++郭世偉

摘 要： 針對目前遙測頻率資源緊張與飛行試驗需求不斷增長之間的矛盾，對C波段無線網(wǎng)與S波段遙測天線共用技術(shù)進(jìn)行研究。根據(jù)實際使用需求，要求在保持原有S波段功能的基礎(chǔ)上，增加C波段雙向傳輸功能。因此在對天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計的基礎(chǔ)上，給出了一體化饋源設(shè)計方案，通過增加C波段無線網(wǎng)絡(luò)收/發(fā)器等關(guān)鍵設(shè)備，實現(xiàn)C波段無線網(wǎng)數(shù)據(jù)與S波段遙測數(shù)據(jù)的共同傳輸，極大地提高了遙測數(shù)據(jù)傳輸速率，緩解了遙測頻率資源緊張的現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞： C波段無線網(wǎng)； 天線共用； 一體化饋源； 遙測數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號： TN82?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）10?0093?03

0 引 言

隨著航空飛行試驗遙測需求的不斷增長，國外遙測界專家預(yù)測，航空飛行試驗遙測速率[1]幾年后將從當(dāng)前的10 MB/s增長到100 MB/s，增加上行遙控數(shù)據(jù)鏈、實現(xiàn)飛行試驗的遠(yuǎn)程控制能力，成為遙測的新需求。顯然，IRIG106遙測系統(tǒng)已不能完全適應(yīng)當(dāng)前和未來航空飛行試驗及其他軍工試驗的遙測新需求。近年來，在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)的推動下，遙測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、集成化、空地一體化成為發(fā)展新趨勢，于是便提出了iNET[2] 的概念。它最大的特點是在測控目標(biāo)與地面測控站之間增加了一條無線網(wǎng)絡(luò)鏈路，用于大容量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)實時傳遞，實現(xiàn)對飛行目標(biāo)的遠(yuǎn)程控制以及頻譜資源的動態(tài)管理等。目前國內(nèi)、外航空飛行試驗大都使用L或S波段，頻譜資源有限，已成為制約遙測發(fā)展的瓶頸。在各國飛行試驗和遙測專家的共同呼吁下，2007年世界無線電大會（WRC?2007）決定把C波段中的4 400～

4 940 MHz，5 091～5 250 MHz和5 925～6 700 MHz頻段在局部地區(qū)或全球范圍內(nèi)，劃分給航空飛行試驗遙測使用。這一決定為飛行試驗遙測開辟新的頻段、解決頻譜資源需求矛盾奠定了基礎(chǔ)，有力推動飛行試驗遙測向C波段的擴(kuò)展與應(yīng)用。另外，隨著民用4G通信的啟動，與目前使用的遙測頻率資源[3] 相互沖突，嚴(yán)重制約了遙測數(shù)據(jù)的傳輸能力，限制了遙測實時監(jiān)控的性能。因此需要在現(xiàn)有遙測系統(tǒng)基礎(chǔ)上，最大限度保證現(xiàn)有設(shè)備繼續(xù)發(fā)揮作用，并擴(kuò)展遙測頻率資源，解決4G通信占用資源的問題。因此C波段無線網(wǎng)與S波段遙測天線共用技術(shù)研究顯得尤為重要。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

在遙測標(biāo)準(zhǔn)新舊交替之際，既要充分利用已有遙測資源，又要兼顧遙測的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。S波段遙測鏈路和C波段無線網(wǎng)鏈路共存，將是一個長期的過程，雙波段遙測天線的共用和集成也是一種發(fā)展趨勢。雙波段自動跟蹤天線的結(jié)構(gòu)是必需解決的首要問題。為了滿足工程應(yīng)用和兼容性要求，簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，目前國外的雙波段、雙模式自動跟蹤天線基本上都采用天線共用和集成方案，主要有以下幾種方式：

方式一：雙天線同驅(qū)動方式。并肩（或背負(fù)）式天線，即在S波段遙測接收天線的一側(cè)再安裝一個C波段雙向?qū)拵?shù)據(jù)鏈天線，或S波段遙測接收天線的上側(cè)背負(fù)一個C波段雙向?qū)拵?shù)據(jù)鏈天線，兩個天線共用一套伺服驅(qū)動云臺。目前航空飛行試驗使用的遙測接收天線一般為小于2.5 m的拋物面天線，根據(jù)地面天線增益估算[4] ，C波段無線網(wǎng)收發(fā)器達(dá)到300 km/20 Mb/s的傳輸能力，需要使用2.4 m拋物面天線。2個2 m以上的天線相互并肩或背負(fù)，不僅使2個窄波束天線的調(diào)校帶來困難，也會由于提高了1倍的傳動負(fù)載和風(fēng)阻，使自跟蹤天線的驅(qū)動部件產(chǎn)生質(zhì)的改變，將地面天線的配套成本急劇增加。此種方案顯然不可取。

方式二：單天線多饋源方式。即拋物面天線和伺服驅(qū)動共用，S和C波段饋源相互獨立。對于此方式，首先，相當(dāng)于增加了一個饋源的重量，提高了1倍的傳動負(fù)載，可能超過驅(qū)動部件的負(fù)載能力。其次，由于拋物面到天線底座連線孔位置有限，C波段饋源所產(chǎn)生的連接線無法到達(dá)底座，此方式也不可取。

方式三：單天線饋源集成方式。即拋物面天線和伺服驅(qū)動共用，S和C波段饋源集成在一起，外部看來和單波段天線沒有兩樣。該方案不會增加驅(qū)動部件的負(fù)載，連線也更加方便。該種方案不僅可行，而且更為合理。

2 一體化饋源設(shè)計

饋源集成微帶線和差網(wǎng)絡(luò)，具有性能高、尺寸小、重量輕的特點，適合電小天線設(shè)計。一體化饋源單元布局方案有3種，如圖1所示。

圖1（a）中，采用九單元雙極化微帶饋源，中間為C頻段發(fā)射單元，四周邊角A、B、C、D為S頻段接收單元，四周R1、R2、R3、R4為C頻段接收單元。圖1（b）和圖1（c）采用五單元雙極化微帶饋源，圖1（b）中間為S頻段接收單元，四周為C頻段收發(fā)單元，圖1（c）則相反。

對應(yīng)饋源單元的3種布局，可以采取不同的跟蹤方式。對于圖1（a）方式，S波段和C波段都可以進(jìn)行跟蹤；圖1（b）方式，只能采取C波段進(jìn)行跟蹤；圖1（c）方式，只能采取S波段進(jìn)行跟蹤?，F(xiàn)有系統(tǒng)絕大多數(shù)使用S波段進(jìn)行跟蹤，采用第3種方式可以不改變原有跟蹤方式，是最經(jīng)濟(jì)實用、風(fēng)險最小的設(shè)計方案。

圖1 饋源單元布局圖

因此，饋源設(shè)計采用五單元雙極化微帶饋源，每個微帶單元形成的水平極化波和垂直極化波經(jīng)過圓極化器形成左旋圓極化和右旋圓極化波。集成微帶線和差網(wǎng)絡(luò)，左旋通道和差形成網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，右旋通道和差形成網(wǎng)絡(luò)與左旋通道相同。

圖2 左旋通道和差形成網(wǎng)絡(luò)

方位差和俯仰差信號經(jīng)[0π]調(diào)制器正交調(diào)制后合成到合通道上，形成單通道單脈沖信號，其正交調(diào)制波形如圖3所示[4] 。

圖3 單通道單脈沖正交調(diào)制信號

3 波段無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸

iNET標(biāo)準(zhǔn)在傳統(tǒng)PCM遙測鏈路外增加上下行的雙向無線網(wǎng)絡(luò)鏈路，使遙測系統(tǒng)既有串行PCM下行功能，也具有遙測數(shù)據(jù)上下行功能，實現(xiàn)飛行試驗遙測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和空地一體化[2，5] 。本研究中通過增加C波段網(wǎng)絡(luò)收/發(fā)器、LNA和功放等關(guān)鍵設(shè)備，實現(xiàn)C波段網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，地面站C波段無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸原理框圖如圖4所示。

圖4 C波段無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸原理框圖

LNA模塊安裝在接近饋源端口位置，減小饋源輸出和功放接口間的饋纜損耗能直接降低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。如果饋纜損耗由1 dB降低至0.5 dB，那么整個系統(tǒng)的噪聲系數(shù)就變好0.5 dB，即最小接收靈敏度提高了0.5 dB，也相當(dāng)于間接增大信號的覆蓋范圍。LNA盒安裝在饋源盒頂部，并通過低損射頻饋纜與C波段饋源聯(lián)接，最大限度縮短該射頻饋纜長度，能夠提高系統(tǒng)靈敏度。

將無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器和功放安裝在天線底座內(nèi)，高速數(shù)據(jù)匯流環(huán)的上方，通過高速數(shù)據(jù)匯流環(huán)實現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的通信，可以減少電纜傳輸?shù)膿p耗，提高寬帶雙向鏈路的靈敏度。

4 結(jié) 語

通過對C波段無線網(wǎng)與S波段遙測天線共用技術(shù)進(jìn)行研究，提出了可行性技術(shù)方案，對原有系統(tǒng)進(jìn)行改造升級，實現(xiàn)了雙波段數(shù)據(jù)的實時傳輸，通過飛行試驗驗證了該方案的可行性。隨著國家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，民用需求的快速擴(kuò)張，遙測頻率資源被占用的問題不能避免，這雖然對科研試飛任務(wù)帶來了不利影響，但也是擴(kuò)展頻率資源、提高技術(shù)能力的一個最佳時機(jī)。重新規(guī)劃整合遙測系統(tǒng)資源，自主研發(fā)遙測系統(tǒng)設(shè)備，實現(xiàn)遙測頻段的擴(kuò)展，改進(jìn)原有系統(tǒng)不足，并實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備的國產(chǎn)化替代，為提高測試能力提供支持。

參考文獻(xiàn)

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