雙波段遙測天線設(shè)計

霍建華，劉 丹

(中國飛行試驗研究院,西安 710089)

雙波段遙測天線設(shè)計

霍建華，劉 丹

(中國飛行試驗研究院,西安 710089)

隨著航空飛行試驗數(shù)據(jù)量的不斷增加，原有IRIG106遙測系統(tǒng)已不能完全適應當前和未來的需求;同時隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，遙測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化成為新的發(fā)展趨勢;民用4G通信占用S波段遙測資源使得航空遙測尋找新的傳輸頻段;為了充分利用和保護現(xiàn)有資源，并適應遙測的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，提出在現(xiàn)有S波段遙測基礎(chǔ)上增加C波段網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸功能，開展雙波段遙測天線設(shè)計技術(shù)研究;在對天線結(jié)構(gòu)進行合理設(shè)計的基礎(chǔ)上，提出了一體化饋源設(shè)計方案;通過S波段振子與C波段振子的集成化設(shè)計，實現(xiàn)了C波段無線網(wǎng)數(shù)據(jù)與S波段串行數(shù)據(jù)流的共同傳輸，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;通過飛行試驗驗證，設(shè)計的雙波段天線能夠滿足飛行試驗大速率數(shù)據(jù)的傳輸需求。

雙波段；無線網(wǎng)；一體化饋源

0 引言

隨著新型飛機的不斷出現(xiàn)、航空飛行試驗遙測需求的不斷增長、試驗數(shù)據(jù)量成倍增加以及無人機的測試需求，增加上行鏈路、實現(xiàn)飛行試驗的上行控制能力[1]，成為遙測的新需求。原有基于IRIG106標準的遙測系統(tǒng)已不能完全適應當前和未來航空飛行試驗及其他軍工試驗的需求。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展的推動下，遙測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、空天地一體化成為新的發(fā)展趨勢。通過在目標與地面站之間增加了一條無線網(wǎng)絡(luò)鏈路，實現(xiàn)大容量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸、飛行目標的遠程控制以及頻譜資源的動態(tài)管理等[2-3]。

另外，隨著民用4G通訊的啟動，與目前使用的遙測頻率資源相互沖突[4]，嚴重制約了遙測數(shù)據(jù)的傳輸能力，限制了遙測實時監(jiān)控的能力。2007年世界無線電大會(WRC-2007)已經(jīng)把C波段中部分頻段在局部地區(qū)或全球范圍內(nèi)，劃分給航空飛行試驗遙測使用。因此在現(xiàn)有遙測系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加C波段網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸功能，利用頻率分割提高數(shù)據(jù)的可靠性，同時也增加了數(shù)據(jù)傳輸帶寬。既能最大限度保證現(xiàn)有設(shè)備繼續(xù)發(fā)揮作用，同時又能實現(xiàn)遙測頻率資源的擴展，解決網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸問題。因此開展雙波段遙測天線[5]設(shè)計技術(shù)研究顯得尤為重要。

1 天線結(jié)構(gòu)及原理

為了實現(xiàn)既充分利用已有遙測資源，又兼顧遙測的網(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。目前航空遙測使用最多的是S波段拋物面天線，使用單通道單脈沖體制跟蹤，能夠快速捕獲目標，為航空遙測數(shù)據(jù)傳輸提供可靠的傳輸途徑。通過合理選擇拋物面口徑，容易獲得較高的接收增益，提高系統(tǒng)靈敏度。

目前航空遙測主要使用S波段進行遙測數(shù)據(jù)傳輸，配置了大量的S波段遙測發(fā)射及接收系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在很長時間內(nèi)還會繼續(xù)使用。所以計劃采用在保持現(xiàn)有S波段基功能礎(chǔ)上，增加C波段網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。保持PCM數(shù)據(jù)仍采用PCM/FM調(diào)制使用S波段進行傳輸，將大數(shù)量的視頻數(shù)據(jù)采用網(wǎng)絡(luò)形式使用C波段進行傳輸，能夠?qū)崟r監(jiān)控的能力提高一倍。

1.1 天線口徑選擇

為保證現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，我們首先按S波段數(shù)據(jù)傳輸進行功率分配來計算天線口徑。S波段輸出傳輸?shù)暮唵温窂饺鐖D1所示。

圖1 S波段信道功率分配

下面對S波段數(shù)據(jù)傳輸信道進行簡單的功率分配計算。

1)機載發(fā)射功率15 W(41 dBm)；

表1 接收機測試記錄

3)根據(jù)S波段遙測接收機測試記錄，20 Mbps位速率的遙測信號達到10-5誤碼率，接收機的輸入端的功率為-65 dBm；

4)系統(tǒng)安全余量按6 dB進行計算，可知接收天線增益需達到33 dBi；

5)根據(jù)拋物面天線增益計算公式Gr=10lgη(πD/λ)2，可得出[6]達到33 dB增益拋物面天線的口徑需要達到2.4 m。

1.2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了滿足工程應用和兼容性要求，簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，雙波段遙測天線大都為兩種結(jié)構(gòu)：雙天線模式和單天線模式。

在現(xiàn)有S波段遙測接收天線基礎(chǔ)上，增加一個C波段遙測天線，需要對云臺的驅(qū)動能力進行核算，來確定背負天線的大小。通過查閱現(xiàn)有2.4米拋物面天線的相關(guān)資料，并通過理論計算，可知在保證天線安全，滿足天線驅(qū)動能力的前提下，背負的C波段天線口徑不得超過1 m。圖2為C波段數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮唵温窂綀D。

圖2 C波段信道功率分配

下面對C波段數(shù)據(jù)傳輸信道進行簡單的功率分配計算。

1)根據(jù)拋物面天線增益計算公式，1 m C波段拋物面天線的增益為32 dBi；

2)根據(jù)電波傳播公式可得到C波段遙測信號300 km的路徑損耗為-157 dB；

3)C波段網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器20 Mbps無丟包的門限要求是-80 dBm；

4)考慮系統(tǒng)余量6 dB，機載發(fā)射功率51 dBm(125 W)。

通過計算分析可知，受天線驅(qū)動能力限制，采用背負模式C波段天線口徑小，增益小，達到相應的傳輸距離，會使機載發(fā)射功率成倍增大，不符合工程應用。采用單天線模式，天線載重基本不變，對云臺驅(qū)動結(jié)構(gòu)的影響可以忽略。同時，2.4 m拋物面天線C波段增益為40 dB，考慮系統(tǒng)余量后，達到300 km的傳輸距離，機載發(fā)射功率僅為43 dBm(20 W)。因此，采用單天線模式是最佳選擇。采用單一天線共用一個波束軸來傳遞兩個頻率的信號，既能不增加對云臺驅(qū)動能力的需求，同時也能保證擁有較大的拋物面口徑，既滿足目前飛行試驗的使用需求，又能適應C波段網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展。

2 天線硬件設(shè)計

2.1 一體化饋源設(shè)計

饋源是遙測天線的關(guān)鍵部分，是決定天線電特性和頻段的重要器件。振子的尺寸決定了其能夠適用的頻段。目前航空遙測使用最多的是S波段拋物面自跟蹤天線，其饋源通常為五單元振子，中間單元用于產(chǎn)生和信號，周圍四個單元用于產(chǎn)生差信號。方位差信號、俯仰差信號由相互正交的1 kHz低頻信號進行0/π調(diào)制，相加后得到差信號。差信號通過定向耦合器與和信號合成一路單通道信號[6-7]。其和差形成過程如圖3所示。

圖3 左旋通道和差網(wǎng)絡(luò)

通過分析單通道單脈沖信號的生成過程，我們可以發(fā)現(xiàn)，周圍4個振子合成差信號的同時也可合成和信號，因此我們可以得出兩種設(shè)計方案。S波段振子保持不變，增加4個C波段振子，另一種是將中間的S波段用于產(chǎn)生和信號的振子改為C波段振子。兩種方式各有優(yōu)缺點。

對于第一種方案，S波段和C波段都可以進行跟蹤，但振子增加必然導致線路的增多，增加饋源的設(shè)計難度；第二種方案，只能采取S波段跟蹤，但設(shè)計相對簡單，易于實現(xiàn)。另外考慮到當前飛行試驗是用S波段進行數(shù)據(jù)傳輸，第二種方式既不影響當前的使用，還能實現(xiàn)C波段數(shù)據(jù)傳輸，是最經(jīng)濟也是最佳的設(shè)計方案。

2.2 電磁兼容性設(shè)計

在日趨惡劣的電磁環(huán)境中，如若不采取恰當?shù)碾姶牌帘未胧?，會導致設(shè)備之間的電磁干擾，最終導致設(shè)備性能下降并危及信息安全。天線射頻部分是微波信號發(fā)射和接收的核心終端，非預期的信號輻射和接收將嚴重影響本系統(tǒng)或其它設(shè)備的正常工作。為了保證其在復雜的電磁環(huán)境中既不干擾其他設(shè)備，而又不受其他設(shè)備干擾的影響而能正常工作，設(shè)計時需考慮電磁兼容設(shè)計，包括隔離和抗干擾設(shè)計。

1)隔離設(shè)計：該天線設(shè)計中，S波段僅作為接收而C波段具有雙向收發(fā)功能。C波段較強的發(fā)射信號再次進入C波段接收通道，經(jīng)LNA放大后會形成具有很高增益的RF信號，若不進行隔離設(shè)計，會對后端的器件造成不可逆的損壞，導致設(shè)備功能喪失。S波段使用頻率為2.2～2.4 GHz，C波段使用4.4～4.9 GHz，本身在頻段方面形成一定的隔離。為了使S波段和C波段達到最好的隔離，在S波段和C波段各增加帶外抑制的帶通濾波器。另外在饋源設(shè)計中S波段器件與C波段器件相互獨立，最大限度地減少了兩個信道器件之間的交聯(lián)，實現(xiàn)S波段與C波段的隔離。

2)抗干擾設(shè)計：為了使雙波段天線在復雜電磁環(huán)境下能夠正常工作，不受到周圍強磁場的干擾和破壞，我們對天線安裝位置周圍的電磁環(huán)境進行測試，測試帶寬選擇為1～6 GHz，獲得測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 電磁環(huán)境測試結(jié)果圖

分析測試結(jié)果可以看出，兩個最強電磁干擾的頻率為1 864 MHz和2 142.5 MHz。而目前航空遙測使用的S波段為2 200～2 400 MHz，所以2 142.5 MHz這一強電磁信號輻射可能引起饋源飽和導致饋源損壞，在饋源設(shè)計時需對這一強輻射信號加以抑制。因此，我們需要選擇增加濾波器，對該信號干擾進行抑制，以保證饋源安全,如圖5所示。

圖5 一體化饋源設(shè)計圖

3 數(shù)據(jù)傳輸及結(jié)果分析

3.1 雙波段數(shù)據(jù)傳輸

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，也具有遙測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的上下行功能，實現(xiàn)飛行試驗遙測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和空地一體化[8]。在一體化饋源中設(shè)計C波段振子只是為C波段傳輸提供了的一個通道。C波段網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)，還需要有C波段雙向功放及C波段網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器才能實現(xiàn)。雙波段數(shù)據(jù)傳輸原理如圖6所示。機載C波段網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器從機上數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)獲取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，經(jīng)機載C波段雙向功放、機載C波段天線向外輻射。地面雙波段天線接收C波段RF信號，經(jīng)地面C波段雙向功放及網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器接收解調(diào)后，將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送至地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行處理，最終提供給試飛工程師進行實時監(jiān)控。地面管理數(shù)據(jù)經(jīng)反方向鏈路向上傳輸，實現(xiàn)對機載系統(tǒng)的管控。

圖6 雙波段數(shù)據(jù)傳輸原理框圖

頻率越高，同樣條件下的傳輸損耗越大。受高速匯流環(huán)性能限制，對C波段射頻信號直接進行傳輸損耗大，無法滿足使用需求。所以應當將C波段RF信號進行下變頻解調(diào)后，以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行發(fā)送。高速匯流環(huán)有空余滑環(huán)信號線能夠滿足網(wǎng)絡(luò)傳輸需求。通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行下傳，需對C波段功放及收發(fā)器與雙波段天線進行集成設(shè)計。要將設(shè)備安裝在高速匯流環(huán)之前，既不能影響天線跟蹤，同時又滿足數(shù)據(jù)傳輸要求。同時盡量減少電纜傳輸?shù)膿p耗，提高寬帶雙向鏈路的靈敏度。

3.2 測試結(jié)果及分析

利用真實的飛行試驗，對雙波段遙測天線的數(shù)據(jù)傳輸性能進行測試，測試結(jié)果如表2所示。測試過程中，在無線網(wǎng)絡(luò)接通的狀態(tài)下，地面能夠?qū)崟r接收C波段網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，同時能夠通過上行鏈路，實現(xiàn)對機載網(wǎng)絡(luò)相機的控制。從測試結(jié)果可以看出，飛行高度為5 km時，最大通信距離為185 km。與視距通信距離相差較大。當日飛行區(qū)域處于北部山區(qū)，由于遮擋原因，導致飛行距離較近。

測試結(jié)果表明C波段電平低于S波段電平。測試時S波段數(shù)據(jù)速率為2 Mbps，C波段數(shù)據(jù)為20 Mbps，位速率越高，越容易收到干擾。另外，S波段天線跟蹤精度為0.5°，C波段天線半功率波束寬度只有1.7°，在飛行過程中，C波段信號無法一直處于增益最強的方向，也是造成這一結(jié)果的原因之一。

4 結(jié)束語

通過分析飛行試驗當前及未來的需求，對雙波段天線設(shè)計技術(shù)開展研究。采用共用反射面的天線結(jié)構(gòu)，并在充分考慮雙波段隔離及饋源抗干擾能力的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了一體化饋源的設(shè)計。在原有系統(tǒng)上進行技術(shù)實施，實現(xiàn)了雙波段數(shù)據(jù)的實時傳輸。通過飛行試驗驗證，增加的無線網(wǎng)鏈路能夠滿足大容量數(shù)據(jù)的傳輸。

C波段寬帶遙測是遙測的主流動向，近年來的遙測年會也有雙波段甚至三波段(L、S、C)遙測天線、接收機等的相關(guān)文章發(fā)表。所以開展雙波段天線設(shè)計研究是適應未來遙測發(fā)展動向的。雙波段遙測天線設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)S+C雙波段數(shù)據(jù)的共同傳輸，既能充分利用和保護現(xiàn)有資源，又能夠適應遙測的網(wǎng)

表2 雙波段數(shù)據(jù)傳輸測試結(jié)果

絡(luò)化發(fā)展，是技術(shù)發(fā)展的必經(jīng)之路。后續(xù)，將通過飛行試驗繼續(xù)對數(shù)據(jù)傳輸性能進行測試，并進一步完善和優(yōu)化。

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Design of Dual-band Telemetry Antenna

Huo Jianhua, Liu Dan

(Chinese Flight Test Establishment, Xi’an 710089,China)

With the increasing volume of aviation flight test data, the original IRIG106 telemetry system has not been fully adapted to current and future needs. At the same time with the continuous development of network technology, telemetry system network has become a new development trend. The fourth generation mobile communication occupies the S-band telemetry resources so that the aerial telemetry searches for new transmission bands. In order to make full use of and protect existing resources and adapt to the development of telemetry network, this paper proposes to increase the data transmission function of C-band network on the basis of existing S-band telemetry and carry out research on dual-band telemetry antenna design. Based on the properly design of antenna structure, the integrated feed design project is proposed. Through the integrated design of S-band and C-band dipoles, common transmission of C-band wireless network data and S-band telemetry data has been implemented. Telemetry data rate has been improved and the absence of telemetry frequency resource has been alleviated. Verified by flight tests, the design of dual band antenna can meet the transmission requirements of high rate data.

dual-band; wireless network; integrated feed

2017-02-12；

2017-03-11。

國防基礎(chǔ)科研項目(A0520132031)。

霍建華(1984-)，女，山西晉中人，碩士，工程師，主要從事航空遙測技術(shù)研究。

1671-4598(2017)08-0159-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.08.041

TN82

A