一種0.4 m機(jī)載平板動(dòng)中通天線的設(shè)計(jì)

張瑞東，牛傳峰

(中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所 天線伺服專業(yè)部，河北 石家莊 050081)

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一種0.4 m機(jī)載平板動(dòng)中通天線的設(shè)計(jì)

張瑞東，牛傳峰

(中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所 天線伺服專業(yè)部，河北 石家莊 050081)

摘要傳統(tǒng)拋物面天線剖面高，而高速運(yùn)動(dòng)中的飛機(jī)需要具有低剖面特性的天線以減小其風(fēng)阻。文中設(shè)計(jì)了一種Ku頻段平板動(dòng)中通天線，具有裝機(jī)高度低、風(fēng)阻小、性能優(yōu)的特點(diǎn)。該天線陣列設(shè)計(jì)為3.5:1的長方形結(jié)構(gòu)，大幅降低了高度。天線陣列采用高效率輻射單元，天線單元通過低損耗的帶狀線與波導(dǎo)結(jié)合形式饋電進(jìn)行組陣。方位跟蹤采用相控電子波束掃描技術(shù)，俯仰采用程序引導(dǎo)跟蹤技術(shù)。測試結(jié)果表明，天線高度不超過280 mm，天線增益優(yōu)于33 dB，跟蹤精度誤差控制在0.5 dB以內(nèi)。

關(guān)鍵詞動(dòng)中通；低剖面；Ku波段；雙極化；平板天線

Ku頻段機(jī)載衛(wèi)星通信具備通信容量大、機(jī)動(dòng)靈活、覆蓋面積大等優(yōu)勢，因而備受關(guān)注[1]。衛(wèi)星通信應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，真正實(shí)現(xiàn)了全球通信無縫隙覆蓋[2]。飛機(jī)運(yùn)動(dòng)中要實(shí)現(xiàn)寬帶衛(wèi)星通信,這對(duì)天線提出了更高的要求，需要天線在各種惡劣情況下波束始終指向衛(wèi)星，使整個(gè)通信鏈路保持暢通[3-4]。機(jī)載動(dòng)中通天線的關(guān)鍵技術(shù)是通過使用最小口徑的天線，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的天線性能，從而實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)最大的信息速率的傳輸[5-6]，而天線結(jié)構(gòu)的小型化也是對(duì)飛機(jī)機(jī)體符合美學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)等提出的更高要求[7-8]。傳統(tǒng)反射面天線體積大，剖面高,因而風(fēng)阻大且機(jī)動(dòng)性差[9-12]；相控陣天線成本較高，還不能被普遍使用[13-14],因此均不是最佳選擇。

本文設(shè)計(jì)了一種等效天線口徑0.4m的Ku波段平板陣列動(dòng)中通天線，剖面低且結(jié)構(gòu)緊湊、電氣性能優(yōu)良、伺服跟蹤穩(wěn)定可靠，能夠較好滿足機(jī)載天線的實(shí)際使用需求。

1天線整體設(shè)計(jì)

機(jī)載動(dòng)中通天線系統(tǒng)由平板陣列天線、天線座架部分、伺服控制部分等組成。

平板陣列天線接收和發(fā)射射頻信號(hào)，該部分是機(jī)載天線的關(guān)鍵；天線座主要作用是為天線提供支撐并完成方位、俯仰運(yùn)動(dòng)；伺服部分主要作用是接收和處理來自導(dǎo)航部分及接收機(jī)部分的信號(hào)，進(jìn)行天線的自動(dòng)跟蹤控制，使天線始終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。

動(dòng)中通天線系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。天線系統(tǒng)的工作過程如下：系統(tǒng)加電后，根據(jù)導(dǎo)航組件提供的衛(wèi)星經(jīng)度參數(shù)、機(jī)體定位和姿態(tài)信息，伺服控制部分引導(dǎo)天線指向衛(wèi)星，完成天線對(duì)衛(wèi)星的初始捕獲。天線進(jìn)而轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)，始終保持對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星狀態(tài)。天線陣列接收到的衛(wèi)星下行信號(hào)通過下變頻器轉(zhuǎn)換成中頻信號(hào)，通過同軸射頻關(guān)節(jié)提供給通信終端設(shè)備；來自射頻功放的上行Ku波段信號(hào)，經(jīng)Ku波導(dǎo)關(guān)節(jié)送入平板天線陣列，然后通過天線輻射出去。

圖1　機(jī)載動(dòng)中通天線系統(tǒng)框圖

2天線陣列與伺服設(shè)計(jì)及仿真

天線單元采用方形波導(dǎo)諧振腔的形式，通過兩個(gè)正交耦合探針進(jìn)行激勵(lì)從而形成兩個(gè)正交極化信號(hào)并輻射出去。天線口面采用收發(fā)共用的雙極化陣列形式以充分利用天線口徑。在同一輻射口面內(nèi)，實(shí)現(xiàn)水平、垂直雙線兩種極化波同時(shí)覆蓋接收和發(fā)射頻段。如圖2所示，天線分為兩個(gè)子陣，天線子陣內(nèi)部采用損耗低、屏蔽效果好的空氣帶狀線進(jìn)行饋電[15]，每個(gè)子陣的兩個(gè)極化信號(hào)通過波導(dǎo)帶線轉(zhuǎn)換變成兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)BJ140接口；天線子陣接口之間通過波導(dǎo)連接，這樣可以充分利用波導(dǎo)插損小的優(yōu)勢以提高天線整體效率。

圖2　天線子陣及接口分布示意圖

天線子陣通過雙工器分離出接收信號(hào)，其垂直極化、水平極化信號(hào)分別通過低噪聲放大器放大，進(jìn)入接收極化調(diào)整模塊，通過數(shù)控移相器和數(shù)控衰減器調(diào)整水平極化信號(hào)和垂直極化信號(hào)之間的幅度和相位，然后通過合路器合成輸出，實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)極化調(diào)整。最后通過二合一波束形成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)輸出。

從雙工器分離出來的發(fā)射兩路極化信號(hào)通過波導(dǎo)合成后進(jìn)入專門設(shè)計(jì)的發(fā)射極化調(diào)整裝置。該裝置通過調(diào)整兩路正交極化信號(hào)的相位，從而實(shí)現(xiàn)任意極化信號(hào)達(dá)到與衛(wèi)星的極化匹配目的。

通過將天線陣列與雙工器直接貼合，低噪聲放大器與雙工器直接貼合，最大限度減小接收信號(hào)損耗，提高了G/T值；通過將功放置于天線座架上，減少了波導(dǎo)走線，有效提高天線的等效發(fā)射功率，提高了天線發(fā)射性能。天線陣列工作原理框圖如圖3所示。

通過使用ANSYSHFSS高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行建模仿真。整個(gè)天線陣列模型如圖4所示。通過對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算得到天線仿真方向圖，如圖5和圖6所示。

圖3　射頻工作原理框圖

圖4　雙極化天線陣列模型圖

圖5　天線發(fā)射頻率仿真方向圖

圖6　天線接收頻率仿真方向圖

天線利用慣性導(dǎo)航設(shè)備提供機(jī)體的航向、縱橫搖姿態(tài)信息，采用相控電子波束掃描跟蹤(方位)和程序引導(dǎo)跟蹤方式(俯仰)實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的自動(dòng)跟蹤。方位進(jìn)行相控電子波束掃描跟蹤的基本原理是：天線陣列分為兩個(gè)子陣，兩個(gè)子陣之間采用相控電子波束掃描，利用低成本的慣導(dǎo)和跟蹤接收機(jī)實(shí)現(xiàn)天線快速捕星、自動(dòng)跟蹤。通過對(duì)天線子陣輸出信號(hào)進(jìn)行相位控制，即可形成一定角度的天線波束掃描，將掃描信號(hào)反饋給伺服系統(tǒng)即可進(jìn)行快速進(jìn)行跟蹤。伺服控制系統(tǒng)由天線控制模塊、伺服控制模塊、極化控制模塊、方位/俯仰驅(qū)動(dòng)模塊、跟蹤模塊等部分組成[16]。天線伺服控制組成框圖如圖7所示。

動(dòng)中通天線捕獲衛(wèi)星信號(hào)過程如下：伺服控制系統(tǒng)根據(jù)機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備提供的信息，包括飛機(jī)機(jī)體的地理經(jīng)緯度、機(jī)體航向角、橫/縱搖角和目標(biāo)衛(wèi)星的經(jīng)度，實(shí)時(shí)計(jì)算出天線指向衛(wèi)星的方位、俯仰地理角度，經(jīng)過坐標(biāo)變換，將指其轉(zhuǎn)換成天線軸角，并將轉(zhuǎn)換后的天線軸角作為目標(biāo)角進(jìn)行閉環(huán)控制，使天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。當(dāng)天線伺服控制單元捕獲衛(wèi)星后，轉(zhuǎn)入自跟蹤狀態(tài)。在自跟蹤狀態(tài)，伺服控制單元根據(jù)接收機(jī)提供的跟蹤信號(hào)進(jìn)行天線方位、俯仰軸跟蹤。

圖7　天線伺服控制組成框圖

按天線跟蹤損失要求<0.8dB分析，那么允許方位、俯仰的跟蹤損失約為0.56dB，天線方位、俯仰波束寬度約1.8°和6°，那么允許方位跟蹤誤差約為0.38°、俯仰跟蹤誤差約為1.29°。伺服采用典型Ⅱ型伺服系統(tǒng)，開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性具有-40dB/dec、-20dB/dec、-40dB/dec形式。典型Ⅱ型系統(tǒng)是加速度有滯后誤差、速度無滯后誤差的伺服系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際工作條件參數(shù)，采用數(shù)字調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)校正。

根據(jù)要求，天線的運(yùn)動(dòng)角加速度為80°/s2，從工程實(shí)現(xiàn)角度考慮，方位環(huán)路加速度增益做到270是可行的，那么方位跟蹤誤差≤0.38°，同理俯仰加速度誤差≤1.29°，能夠滿足跟蹤精度要求。

3實(shí)物測試結(jié)果

設(shè)計(jì)加工的低剖面陣列動(dòng)中通天線照片如圖8所示。天線外包絡(luò)尺寸為≤Φ750mm×280mm。由圖8可見，天線較傳統(tǒng)拋物面可方便地調(diào)整長寬比，同等等效口徑可以明顯降低剖面高度，從而在減小風(fēng)阻方面具有重要作用[17]，更好地滿足飛機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)的要求。

圖8　低剖面陣列動(dòng)中通天線

在專用天線開放測試場，使用遠(yuǎn)場法對(duì)天線的接收頻率和發(fā)射頻率進(jìn)行方向圖測試。圖9為天線發(fā)射頻率方向圖，圖10為天線接收頻率方向圖。由圖9和圖10讀出的波束寬度為：在接收頻段方位面、俯仰面的波束寬度分別為1.8°和6.3°；在發(fā)射頻段方位面、俯仰面的波束寬度分別為1.6°和5.6°。俯仰面波束寬度和方位面波束寬度的比值接近3.5∶1，這與陣列天線在俯仰和方位方向的陣列規(guī)模、口徑具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，即在方位俯仰上，陣列規(guī)模為28×8，口徑尺寸比例為3.5∶1。這種方位窄、俯仰寬的賦形波束在實(shí)際應(yīng)用方面有較大的優(yōu)勢：方位面的窄波束特性減小了衛(wèi)星赤道方向上的鄰星干擾；俯仰面的寬波束特性有助于更好地跟蹤衛(wèi)星，對(duì)減小天線的跟蹤壓力有較大幫助。另外，對(duì)比實(shí)際測試的天線方向圖和仿真設(shè)計(jì)的方向圖，二者基本一致。

通過專業(yè)的三軸搖擺臺(tái)模擬飛機(jī)機(jī)體運(yùn)動(dòng)對(duì)設(shè)計(jì)的低剖面陣列動(dòng)中通天線跟蹤性能進(jìn)行了跟蹤測試，其中采樣時(shí)間25s。在搖擺臺(tái)模擬機(jī)體運(yùn)動(dòng)期間，通過計(jì)算機(jī)采集、記錄接收信號(hào)電平的變化，并根據(jù)此數(shù)據(jù)計(jì)算出跟蹤信號(hào)變化的均方根誤差(靜態(tài)接收最大信號(hào)電平為歸一化值)，以此考察天線在機(jī)體運(yùn)動(dòng)情況下的跟蹤性能。

圖9　發(fā)射頻率方向圖

圖10　接收頻率方向圖

根據(jù)測試數(shù)據(jù)繪制了信號(hào)變化曲線如圖11所示。由測試曲線可見，信號(hào)電平變化范圍較小，跟蹤性能良好，能夠保證通信系統(tǒng)的通信可靠性。根據(jù)測試數(shù)據(jù)計(jì)算，天線跟蹤精度的測試結(jié)果為0.38dB。

圖11　天線跟蹤電平曲線

4結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種小口徑機(jī)載低剖面動(dòng)中通天線，主要采用長方形平板天線，大幅降低了天線整體剖面高度，較好地解決了機(jī)體快速運(yùn)動(dòng)風(fēng)阻大的難題。在較小的空間內(nèi)，采用高效率的天線單元及低損耗饋線組陣，保證了天線整體電氣性能。天線伺服控制采用的相控波束掃描跟蹤方式，跟蹤方式簡單、可靠。天線實(shí)測結(jié)果表明，天線剖面低、電氣性能良好、伺服跟蹤簡單可靠。該天線在機(jī)載衛(wèi)通領(lǐng)域有較為廣闊的應(yīng)用前景。

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Design of a 0.4 m Plate Antenna of Satcom on the Move

ZHANGRuidong,NIUChuanfeng

(DepartmentofAntennaServo,The54thResearchInstituteofCETC,Shijiazhuang050081,China)

AbstractTraditional parabolic antenna has high profile, while high speed aircraft need low profile antenna to reduce the wind resistance. A kind of Ku band “Satcom on the Move” flat antenna is designed, which has the advantage of low profile, low wind resistance and good performance. The antenna array is designed to be a 3.5:1 ratio rectangle which can reduce antenna height. By using high efficiency radiation unit, the antenna array is connected with strip line and waveguide which have low insert loss. The phase controlled beam scanning technique is used for azimuth tracking and program tracking for elevation. The result shows that the antenna has a height of lower than 280mm, the antenna gain is better than 33dB, and then tracking accuracy is controlled in 0.5dB.

Keywordssatcom on the move; low profile; Ku band; dual polarization; flat antenna

收稿日期:2015- 05- 13

作者簡介:張瑞東(1984-),男，碩士，工程師。研究方向：陳列天線。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.07.033

中圖分類號(hào)TN828.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)07-113-04