用于Ku頻段衛(wèi)星通信的雙線極化天線饋源陣列

桂萬如，陳士兵，季文濤

（合肥若森智能科技有限公司，合肥 230088）

1 引言

星地動中通天線系統(tǒng)滿足了用戶通過衛(wèi)星在動態(tài)移動中傳輸寬帶數(shù)據(jù)信息的需求，使車輛、輪船、飛機(jī)等移動載體在運(yùn)動過程中可實(shí)時跟蹤衛(wèi)星，不間斷傳送語音、數(shù)據(jù)、圖像等信息[1][2]。

目前，動中通天線主要用Ku頻段與固定軌道衛(wèi)星進(jìn)行通信[3]，需同時覆蓋上行/下行頻段，其中上行頻段為13.75-14.5GHz，下行頻段10.95-11.75GHz、12.25-12.75GHz，上行和下行頻段為雙正交的線極化。為保證衛(wèi)星與地面移動設(shè)備間的流暢通信，動中通天線要實(shí)時指向通信衛(wèi)星，同時為避免天線發(fā)射時對鄰近衛(wèi)星的干擾，移動設(shè)備在運(yùn)動中天線的跟蹤誤差要小于0.1°，并且饋源也要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)跟蹤，接收和發(fā)射間的極化隔離度要大于30dB[4][5]。

國內(nèi)外已有多家企業(yè)推出了動中通天線產(chǎn)品，如以色列RaySat公司的多組片天線、美國TracStar 的IMVS450M產(chǎn)品等[6]。為滿足天線對衛(wèi)星的高精度實(shí)時跟蹤對準(zhǔn)的要求，上述動中通天線中均包含有自動跟蹤系統(tǒng)，在初始靜態(tài)情況下，由GPS、經(jīng)緯儀、捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)測量出航向角、載體所在位置的經(jīng)度和緯度及相對水平面的初始角，然后根據(jù)其姿態(tài)及地理位置、衛(wèi)星經(jīng)度自動確定以水平面為基準(zhǔn)的天線仰角，在保持仰角對水平面不變的前提下轉(zhuǎn)動方位，并以信號極大值方式自動對準(zhǔn)衛(wèi)星。在載體運(yùn)動過程中，測量出載體姿態(tài)的變化，通過數(shù)學(xué)運(yùn)算變換為天線的誤差角，通過伺服機(jī)構(gòu)調(diào)整天線方位角、俯仰角、極化角，保證載體在變化過程中天線對星保持在規(guī)定范圍內(nèi)，使衛(wèi)星發(fā)射天線在載體運(yùn)動中實(shí)時跟蹤地球同步衛(wèi)星。

高精度的伺服系統(tǒng)始終是傳統(tǒng)動中通天線系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。通常情況下，由于動中通天線具有較大的口徑（一般約為0.8～1.2m）及重量，造成了高精度伺服系統(tǒng)具有較高的成本。目前，應(yīng)用于動中通天線的高精度伺服系統(tǒng)成本動輒數(shù)萬、甚至超過十萬，占整個動中通天線系統(tǒng)成本的很大部分，限制了動中通衛(wèi)星天線在民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[5]。

2 雙線極化天線饋源陣列

為了克服現(xiàn)有的動中通天線跟蹤伺服系統(tǒng)所需精度高、成本高等缺點(diǎn)，我們開發(fā)了一種雙線極化天線饋源陣列，可應(yīng)用于單反射式或卡塞格倫式衛(wèi)星通信天線中，結(jié)合后端的多通道數(shù)字波束形成（Digital Beam Forming，DBF）技術(shù)實(shí)現(xiàn)天線系統(tǒng)的機(jī)電融合跟蹤，最終通過“大角度低精度機(jī)械跟蹤”與“小角度多通道DBF精確跟蹤”相結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)天線系統(tǒng)對衛(wèi)星的高精度跟蹤對準(zhǔn)的同時，降低對伺服系統(tǒng)的精度要求，從而降低伺服系統(tǒng)的成本。

此饋源陣列為中心對稱式結(jié)構(gòu)，陣列的中心放置在單反射式或卡塞格倫式天線的焦點(diǎn)處，當(dāng)對陣列中不同單元進(jìn)行饋電時天線將輻射不同指向的高增益波束，此時再結(jié)合后端的高精度DBF技術(shù)可實(shí)現(xiàn)小角度范圍內(nèi)高精度的波束指向控制。

饋源陣列采用基于微帶印刷電路板的“法布里-帕羅”天線形式，陣列由三層結(jié)構(gòu)組成，其中底層為帶金屬地板的微帶反射板，中間層為微帶形式的天線結(jié)構(gòu)，頂層為一塊起增強(qiáng)定向性作用的純介質(zhì)板。

2.1 底層結(jié)構(gòu)

饋源陣列的底層為一側(cè)附銅并開有8個饋電孔的介質(zhì)板，SSMA以及空心銅柱通過饋電孔焊接在底層介質(zhì)板上，發(fā)射天線饋口和接收天線饋口分別有4個饋電孔。圖2為底層電路板結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 底層電路板結(jié)構(gòu)示意圖（俯視圖及側(cè)視剖面圖）

2.2 頂層結(jié)構(gòu)

頂層介質(zhì)板是將覆銅板全部刻蝕掉的介質(zhì)板，構(gòu)成了“法布里-帕羅”的上層結(jié)構(gòu)。圖3為頂層電路板結(jié)構(gòu)示意圖。

2.3 中間層結(jié)構(gòu)

中間層電路板兩側(cè)分別刻蝕了發(fā)射天線、接收天線及其附屬饋電線路，其中，為焊接方便，焊盤均在一側(cè)。為隔絕表面波對天線方向圖的影響，天線陣列由格狀金屬條帶分割，電路板兩側(cè)均有金屬條帶，并由金屬化通孔相互導(dǎo)通。圖4為中間層電路板結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 頂層電路板結(jié)構(gòu)示意圖（俯視圖及側(cè)視剖面圖）

圖4 中間層電路板結(jié)構(gòu)示意圖（俯視圖、仰視圖及側(cè)視剖面圖）

中間層電路板上的微帶陣列單元采用一對交叉的金屬偶極子結(jié)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)收/發(fā)的功能，兩金屬偶極子分別印刷于中間層微帶介質(zhì)板的正面與背面，分別工作于收/發(fā)（下行/上行）頻段，并且交叉偶極子結(jié)構(gòu)可對應(yīng)實(shí)現(xiàn)收/發(fā)所要求的兩正交線極化。陣列單元通過同軸底饋的方式實(shí)現(xiàn)饋電，其中偶極子的兩臂分別與同軸接口的內(nèi)芯以及外壁通過一段印刷細(xì)導(dǎo)線相連，這里采用細(xì)導(dǎo)線以減小饋電結(jié)構(gòu)對收/發(fā)間隔離的影響。

為進(jìn)一步減小饋電結(jié)構(gòu)對收/發(fā)間隔離所帶來的影響，在設(shè)計(jì)中將同一位置處的兩偶極子結(jié)構(gòu)通過一段印刷細(xì)導(dǎo)線相連，通過其長度、粗細(xì)等參數(shù)可利用合適的對消手段來實(shí)現(xiàn)收/發(fā)之間的高隔離。通過在陣列單元周圍引入一圈密集的金屬化通孔結(jié)構(gòu)，并且在電路板上設(shè)計(jì)金屬附加結(jié)構(gòu)以隔離介質(zhì)中的表面波，從而降低陣列單元間的互耦。

2.4 饋源陣列的裝配

饋源陣列的三層電路板由數(shù)個尼龍螺柱進(jìn)行固定，圖5是饋源陣列的立體分解及整體裝配示意圖。

圖5 饋源陣列立體分解及整體裝配圖

在饋源陣列結(jié)構(gòu)中，通過調(diào)節(jié)金屬偶極子的臂長，可調(diào)節(jié)天線的工作頻率。通過調(diào)節(jié)頂層介質(zhì)基板與中間層電路板間的距離，可方便地調(diào)節(jié)輻射增益以適應(yīng)不同反射面尺寸及焦距的需求。

3 仿真及實(shí)測效果

饋源陣列的端口1、端口3、端口5、端口7為接收端口，端口2、端口4、端口6、端口8為發(fā)射端口。

圖6 是饋源陣列的仿真和測試回波損耗結(jié)果圖。由圖6 可見，接收端口和發(fā)射端口回波分別在12.25-12.75GHz和13.75-14.5GHz范圍內(nèi)小于-10dB，達(dá)到了良好匹配。

圖7是饋源陣列在工作頻點(diǎn)12.5GHz的仿真及實(shí)測接收方向圖。由圖7可見，工作于12.5GHz 時，天線在天頂方向的增益為15dB，副瓣比主瓣低10dB（仿真）/18dB（實(shí)測）。

圖8是饋源陣列在工作頻點(diǎn)14.1GHz的仿真及實(shí)測發(fā)射方向圖。由圖8可見，工作于14.1GHz時，天線在天頂方向的增益為15dB，副瓣比主瓣低11dB（仿真）/10dB（實(shí)測）。

圖6 回波損耗結(jié)果圖

圖7 工作頻點(diǎn)12.5GHz的接收方向圖

圖8 工作頻點(diǎn)14.1GHz的發(fā)射方向圖

4 結(jié)束語

本饋源陣列采用微帶印刷電路板結(jié)構(gòu)，簡單緊湊、工藝成熟、加工簡單、成本較低且適用于大規(guī)模生產(chǎn)。相比于傳統(tǒng)的波導(dǎo)口、波導(dǎo)喇叭等饋源結(jié)構(gòu)，可在較小的面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個單元以及收/發(fā)通道，從而利于實(shí)現(xiàn)更高精度的波束指向控制。同時，饋源陣列采用的對消技術(shù)可在天線結(jié)構(gòu)端實(shí)現(xiàn)同一位置處接收/發(fā)射通道之間30dB的隔離度，減輕了后端器件的壓力。

從實(shí)際應(yīng)用來看，天線饋源陣列與主反射面配合，實(shí)現(xiàn)了動中通衛(wèi)星天線對Ku頻段通信衛(wèi)星的小角度、高速、高精度電子波束掃描和跟蹤。采用這種技術(shù)，大幅降低了天線對伺服系統(tǒng)精度和動態(tài)反應(yīng)速度的要求，把伺服系統(tǒng)的成本降低了一個數(shù)量級，有助于推動衛(wèi)星天線在天地一體化通信中的規(guī)模應(yīng)用。