0.6米低軌星座Ka便攜站天線新型設(shè)計(jì)*

王 毅，李新華，王新榮，周一飛

（中國(guó)空間技術(shù)研究院航天恒星科技有限公司，北京 100086）

0 引 言

為滿(mǎn)足家庭用戶(hù)、中小企業(yè)、手機(jī)回程、高速移動(dòng)等寬帶通信的需求，大容量低軌星座及對(duì)應(yīng)的Ka高通量（HTS）衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)迅猛發(fā)展。HTS地面應(yīng)用系統(tǒng)中的遠(yuǎn)端地球通信站——便攜站，得到了發(fā)展和大量應(yīng)用，也因此給便攜站Ka頻段通信天線提出了更高要求，如高性能、小型化、輕便易攜帶、可靠性高等。本文提出一種新型的低軌星座Ka便攜站天線設(shè)計(jì)方法和模型，采用X-Y座架實(shí)現(xiàn)過(guò)頂跟蹤，最大限度地保證通信系統(tǒng)的剛度和穩(wěn)定性。

1 概 述

0.6 米Ka便攜站天線滿(mǎn)足與低軌衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和通信，采用X-Y座架結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)過(guò)頂跟蹤。該天線設(shè)計(jì)最大限度地保證系統(tǒng)的剛度和穩(wěn)定性，滿(mǎn)足攜行對(duì)尺寸、重量要求，滿(mǎn)足邊瓣可拆裝或折疊、體積小、重量輕、增益高、可背負(fù)或裝箱拖行的特點(diǎn)。0.6米Ka便攜站天線由天饋?zhàn)酉到y(tǒng)、伺服子系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)等組成，本文分別對(duì)各天線子系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)[1-2]。

2 天線設(shè)計(jì)

2.1 天線總體設(shè)計(jì)

0.6 米Ka便攜站天線結(jié)構(gòu)主要包含天線面板、X軸驅(qū)動(dòng)部分和Y軸驅(qū)動(dòng)部分，如圖1所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

2.2 天線面板設(shè)計(jì)

綜合考慮天線射頻性能和天線環(huán)境使用要求，0.6米Ka便攜站天線采用環(huán)焦拋物面天線面板形式，其中主面采用分瓣形式，如圖2所示[3-4]。

圖2 天線面板設(shè)計(jì)

使用期間，利用快速卡扣將分瓣面板拼裝在一起，在收藏狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)對(duì)面板的快速拆卸，從而減小裝箱的難度，有效減少裝箱的空間，提高整個(gè)天線的便攜性。天線面板通過(guò)法蘭與Y軸座架連接，能夠?qū)崿F(xiàn)天線面板隨各個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3 天饋?zhàn)酉到y(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 天饋?zhàn)酉到y(tǒng)組成

天饋?zhàn)酉到y(tǒng)作為天線系統(tǒng)前端設(shè)備，為通信信號(hào)提供進(jìn)出地面設(shè)備的射頻通路。

2.3.2 天饋?zhàn)酉到y(tǒng)指標(biāo)

0.6 米Ka便攜站天線的天饋分系統(tǒng)的主要指標(biāo)需求如表1所示。

表1 天饋分系統(tǒng)主要性能指標(biāo)需求

（1）天線形式及反射面設(shè)計(jì)

在Ka頻段，f=18.525 GHz時(shí)，D/λ≈37，采用環(huán)焦天線的形式，綜合分析取副面直徑d=80 mm，實(shí)現(xiàn)天線高增益、低旁瓣的特性。在GRASP軟件中建立環(huán)焦天線模型[5]，將饋源方向圖導(dǎo)入計(jì)算天線增益方向圖[6]，模型及仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 GRASP中環(huán)焦天線仿真模型

（2）饋源及饋源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

饋源形式如圖5所示，選用大張角波紋喇叭方案，具有帶寬寬、等化性好、相位中心穩(wěn)定的特點(diǎn)?；夭〒p耗仿真結(jié)果如圖6所示[7]。

饋源網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)原理：波紋喇叭接收的Ka頻段信號(hào)先通過(guò)圓極化器使信號(hào)完成線圓轉(zhuǎn)換，再由正交模耦合器分成接收和發(fā)射兩個(gè)端口；接收端口通過(guò)Ka頻段阻發(fā)濾波器和Ka頻段低噪聲放大器連接，發(fā)射端口通過(guò)波導(dǎo)與Ka頻段功率放大器連接。饋源網(wǎng)絡(luò)的原理圖和仿真模型如圖7、圖8所示[8]。

圖4 天線在18.525 GHz方向圖

圖5 饋源仿真模型

圖6 饋源回波損耗仿真結(jié)果

圖7 饋源網(wǎng)絡(luò)原理

圖8 饋源網(wǎng)絡(luò)仿真模型

2.3.3 天線射頻性能參數(shù)

0.6 米Ka便攜站天線的主要性能指標(biāo)均能滿(mǎn)足指標(biāo)要求，如表2所示。

2.4 天線伺服子系統(tǒng)

2.4.1 天線伺服子系統(tǒng)組成及工作原理

天線控制的根本目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的快速捕獲和精確跟蹤，并使之達(dá)到系統(tǒng)要求的跟蹤性能和跟蹤精度。

表2 天線性能指標(biāo)結(jié)論

在控制結(jié)構(gòu)上采用典型的位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三環(huán)結(jié)構(gòu)，以改善機(jī)電結(jié)合系統(tǒng)的性能。位置環(huán)是保證跟蹤性能的外環(huán)；設(shè)計(jì)速度環(huán)是為了提高系統(tǒng)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力；設(shè)計(jì)電流環(huán)有利于改善電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，克服力矩控制死區(qū)和非線性。在控制策略方面，采用多模式位置環(huán)路調(diào)節(jié)，使用不同的控制算法以適應(yīng)天線在大范圍調(diào)轉(zhuǎn)、快速捕獲目標(biāo)和精確跟蹤等不同工作狀態(tài)的下對(duì)伺服系統(tǒng)不同狀態(tài)的性能要求?？刂七壿嬤\(yùn)行于天線控制工控機(jī)平臺(tái)，完成邏輯綜合、控制和狀態(tài)采集上報(bào)，大大提高了設(shè)備的集成度、可靠性和靈活性[9]。

天線控制子系統(tǒng)主要由天線控制單元（ACU）、天線驅(qū)動(dòng)單元（ADU）（包含極化控制）、伺服電機(jī)和安全保護(hù)邏輯等組成，原理如圖9所示。

圖9 天線控制系統(tǒng)

2.4.2 天線驅(qū)動(dòng)單元（ADU）

天線驅(qū)動(dòng)單元（ADU）是天線控制子系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，是天線控制的基礎(chǔ)，具備以下功能：

（1）完成天線伺服驅(qū)動(dòng)電信號(hào)的功率放大；

（2）完成電流、速度環(huán)控制，改善被控制對(duì)象特性；（3）完成天線安全運(yùn)行所需的控制和保護(hù)；（4）接受天線控制單元（ACU）遠(yuǎn)控響應(yīng)其指令，完成對(duì)應(yīng)操作。

實(shí)際上，天線驅(qū)動(dòng)單元是X軸、Y軸兩個(gè)獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。X、Y軸均設(shè)置有抱閘裝置，在天線設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。長(zhǎng)時(shí)間停止工作的時(shí)候，可控制天線轉(zhuǎn)到收藏位置，啟動(dòng)抱閘器實(shí)施加鎖動(dòng)作，以保護(hù)人身、設(shè)備的安全。

2.4.3 天線控制單元（ACU）

天線ACU的工作方式有待機(jī)、指向、數(shù)字引導(dǎo)和收藏等，均可工作于分控和本控模式。ACU需完成以下主要功能：

（1）天線各種工作方式的控制與切換；（2）位置環(huán)路的實(shí)現(xiàn)；

（3）伺服性能指標(biāo)測(cè)試；

（4）設(shè)備故障檢測(cè)和告警指示；

（5）測(cè)量數(shù)據(jù)與運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示、記錄、處理，完成日志的記錄和存儲(chǔ)；

（6）與上位監(jiān)控進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，接收上位監(jiān)控的命令和參數(shù)，并將天線控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)上報(bào)；

（7）接收DTE發(fā)送的數(shù)引數(shù)據(jù)/程引的軌道根數(shù)，并上報(bào)測(cè)角數(shù)據(jù)。

2.5 天線結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)

整架結(jié)構(gòu)主要分為X軸、Y軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和倒伏機(jī)構(gòu)。下面分別介紹各個(gè)部分的方案設(shè)計(jì)。

2.5.1 X軸、Y軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

X軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由X軸支撐座、減速裝置、驅(qū)動(dòng)裝置及測(cè)角裝置等部分組成，Y軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由Y軸支撐座、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)角裝置等組成，如圖10、圖11所示。電限位裝置由微動(dòng)式開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)支架、碰塊、底座和防護(hù)罩等組成。碰撞塊安裝在X軸、Y軸上，正常工作時(shí)隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)到感應(yīng)點(diǎn)即發(fā)揮作用[10]。

圖10 X軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖11 Y軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

2.5.2 倒伏機(jī)構(gòu)

為了便于天線的收藏運(yùn)輸和在性能上起到便攜的作用，對(duì)于整架天線的分析，在立柱與平臺(tái)之間設(shè)立倒伏機(jī)構(gòu)。

如圖12所示，倒伏機(jī)構(gòu)由倒伏支耳、驅(qū)動(dòng)裝置、回轉(zhuǎn)支撐、機(jī)械/電限位保護(hù)裝置、鎖定裝置和同步裝置等組成，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)緊湊，相對(duì)重量、體積小。天線有機(jī)械限位和鎖定限位之分，根據(jù)X（-90°～+90°）、Y（5°～8°）的要求，分別在各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中設(shè)立精準(zhǔn)的角度對(duì)其進(jìn)行限位。

圖12 倒伏機(jī)構(gòu)

3 結(jié) 語(yǔ)

完成了0.6米Ka便攜站新型天線天饋?zhàn)酉到y(tǒng)、伺服子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)等方面的設(shè)計(jì)，對(duì)電性能和結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了1:1建模仿真分析。分析表明，設(shè)計(jì)的0.6米天線性能參數(shù)均能滿(mǎn)足低軌星座衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)便攜站天線的應(yīng)用要求。