一種新型X頻段便攜測控站天線的設(shè)計與實現(xiàn)

李增科，張曉沖*，金立斌，李 鵬

(1.中華通信系統(tǒng)有限責任公司河北分公司，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

便攜式衛(wèi)星接收系統(tǒng)在具備傳統(tǒng)衛(wèi)星通信不受地理位置和距離限制、業(yè)務(wù)承載靈活多樣等優(yōu)勢的同時，因其體積小、重量輕、可通過手提和背負的方式進行人工攜帶等優(yōu)點，在自然條件惡劣的應(yīng)急通信以及軍事通信中發(fā)揮著越來越重要的作用[1-2]。在實際工程中常常需要傳輸多種業(yè)務(wù),例如話音通信、數(shù)據(jù)通信以及圖像通信等。便攜式測控站天線是通過遠端主站與衛(wèi)星形成的衛(wèi)星通信鏈路來實時通信的，進而對目標進行實時觀測和控制[3-4]。

在拋物面天線領(lǐng)域，為滿足天線運轉(zhuǎn)范圍和過頂跟蹤等不同的技術(shù)要求，出現(xiàn)了各種各樣運動形式的結(jié)構(gòu)座架，其中就包括X-Y座架形式[5-6]。座架兩旋轉(zhuǎn)軸線(俗稱X,Y軸線)之間的空間垂直度是評估座架軸系精度的重要指標。傳統(tǒng)的天線座為方位-俯仰(A-E)型結(jié)構(gòu)，A軸為鉛垂狀態(tài)，E軸位于A軸上方，呈水平狀態(tài)，通過兩軸的轉(zhuǎn)動，天線波束可以指向整個空域。但當目標仰角趨于天頂時，方位角速度趨近于無窮大，而A軸速度不可能無限增加，因此當目標進入“盲錐區(qū)”時，A-E型天線座無法跟蹤[7]。將A-E型天線座的E軸轉(zhuǎn)到水平位置，這時天線座的“盲錐區(qū)”就轉(zhuǎn)移到地平線附近，能夠?qū)崿F(xiàn)天線的過頂跟蹤，這種天線座被稱為X-Y 天線座，它的2個旋轉(zhuǎn)軸分別稱為X軸和Y軸，均為水平配置，且互相正交，2個軸只需旋轉(zhuǎn)180°就能夠覆蓋整個空域，因此不需要高頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、匯流環(huán)或電纜卷繞裝置[8]。

便攜站在國內(nèi)外均已經(jīng)相當成熟，口徑最小到零點幾米，座架形式也多種多樣，但多為A-E座架形式，而且以通訊居多[9-13]。小型X-Y座架形式的天線目前應(yīng)用較少，而收發(fā)一體的便攜式測控站也是極為少見。本文的0.9 m X頻段收發(fā)一體便攜測控站天線在國內(nèi)是一次很好的開創(chuàng)性試驗。

0.9 m便攜站天線是為某需求所研發(fā)的便攜式X頻段收發(fā)一體測控站天線，用于實時進行小衛(wèi)星信號的接收和小衛(wèi)星姿態(tài)的調(diào)整。該便攜站打破了以往單通訊的用途，增加測控功能，是研發(fā)的第一套小型、便攜的測控通訊一體化設(shè)備。在設(shè)計中，為了解決極軌衛(wèi)星過頂跟蹤的問題，系統(tǒng)設(shè)計采用X-Y座架全新形式，充分考慮了走線和外觀，并結(jié)合了射頻收發(fā)設(shè)備，對整個系統(tǒng)進行了一體化設(shè)計。

1 整體設(shè)計和電氣指標

0.9 m便攜站天線由X-Y天線座架、0.9 m天線面板、帽子饋源網(wǎng)絡(luò)、四腳架以及伺服控制單元組成，工作狀態(tài)實物如圖1所示。

圖1 0.9 m便攜測控站天線工作狀態(tài)實物

主要性能指標：

① 工作頻段

上行：7.0～7.5 GHz；下行：8.0～8.5 GHz。

② 天線增益

G/≥31+20lg[f/f0] dBi(f0=7.25 GHz)；

G/≥32+20lg[f/f0] dBi(f0=8.25 GHz)。

③ 系統(tǒng)G/T值(場放噪溫80 K)

在晴空、微風、天線接收仰角10°，環(huán)境溫度23℃條件下，G/T≥7.0 dB/K。

④ 第一旁瓣：≤-14 dB。

⑤ 軸比：≤2 dB。

⑥ 電壓駐波比(在饋線輸出、LNA輸入端口處)：≤1.4∶1。

⑦ 指向精度：五分之一波束寬度。

2 天饋設(shè)計

天饋分系統(tǒng)由天線和饋源組成，主要功能是將微波信號轉(zhuǎn)化成電信號，實現(xiàn)能量之間的轉(zhuǎn)化。該網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)左旋圓極化收發(fā)信號。工作頻帶為7～8.5 GHz，其中7～7.5 GHz為發(fā)射頻段，8～8.5 GHz為接收頻段。通過隔板圓極化器的實現(xiàn)線極化到圓極化的轉(zhuǎn)換，由于只需要左旋圓極化波，因此右旋圓極化波接上負載用于吸收，左旋圓極化波接入頻率雙工器得到收發(fā)2個頻段的出口，分別接入功放與低噪。

系統(tǒng)設(shè)計中采用帽形饋源形式的小口徑天線，結(jié)構(gòu)緊湊、遮擋面積小，很容易實現(xiàn)高效率和低旁瓣設(shè)計。目前，帽形饋源已在機載、船載和車載等移動載體平臺天線上獲得了十分廣泛的應(yīng)用。帽形饋源主要由“帽子”、介質(zhì)支撐、支撐波導(dǎo)及外波紋加載等構(gòu)成。饋源為背射形式，與環(huán)焦形式的主反射可構(gòu)成后饋形式的小口徑反射面天線。

饋源和饋源網(wǎng)絡(luò)組裝后如圖2和圖3所示，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別測試上行頻段和下行頻段的饋源網(wǎng)絡(luò)駐波比，經(jīng)測試得到的收發(fā)頻段的駐波比SWR曲線如圖4和圖5所示。

圖2 帽子饋源和天線面組裝實物

圖3 饋源網(wǎng)絡(luò)實物

圖4 上行頻段7.0～7.5 GHz駐波比測試圖

圖5 下行頻段8.0～8.5 GHz駐波比測試圖

軸比測試結(jié)果如圖6所示，可以看出在上行頻段測試的駐波比均在1.35以下，下行頻段的駐波比在1.25以下，均滿足指標要求。

圖6 頻段7.0～8.5 G軸比測試

從測試的結(jié)果可以看出軸比均在1.22以下，滿足指標要求。

3 天線座結(jié)構(gòu)與特點

天線座加工實物如圖7所示，采用X-Y型座架形式?？紤]天線后面網(wǎng)絡(luò)較多，天線座Y軸采用單邊懸臂支撐結(jié)構(gòu)，天線座X軸采用箱體結(jié)構(gòu)。為減少天線的重量和外形尺寸，天線座X,Y軸均無配重設(shè)計。天線座架全部采用鋁鑄件結(jié)構(gòu)，適合大批量生產(chǎn)。天線座驅(qū)動系統(tǒng)均采用步進電機和擺線針輪減速器(諧波減速器)的直驅(qū)形式，結(jié)構(gòu)緊湊，運動回差小。X,Y軸分別安裝關(guān)節(jié)，減少射頻線纜彎折。天線座安裝±90°電限位和機械限位，保證天線工作的安全性。

圖7 天線座加工實物

4 天線包裝運輸

0.9 m便攜站天線裝箱后效果如圖8所示，整體重量在45 kg左右，拆分裝箱后由三部分組成：① 天線面包裝箱，箱內(nèi)放置天線面、饋源、GPS、伺服控制箱和功放；② 天線座包裝箱，箱內(nèi)放置天線座架及饋源網(wǎng)絡(luò)；③ 四腳架手提袋。

圖8 0.9 m便攜站天線裝箱后效果

5 仿真計算與實測結(jié)果比較

對原理樣機進行了測試，并與利用電磁仿真軟件CST進行全波仿真分析得到的方向圖對比如圖9～圖12所示。

圖9 7.0 G測試與仿真結(jié)果的比較

圖10 7.5 G測試與仿真結(jié)果的比較

圖11 8.0 G測試與仿真結(jié)果的比較

圖12 8.5 G測試與仿真結(jié)果的比較

4個頻點的測試方向圖基本符合仿真結(jié)果，主波束變化趨勢與仿真結(jié)果基本相同，第一旁瓣的測試結(jié)果與仿真結(jié)果有一定差別，原因是在實際測試中影響因素較多，尤其是地面及天線周邊的環(huán)境對第一旁瓣的影響是很大的，但是就測試結(jié)果來看第一旁瓣均在-14 dB以下，滿足技術(shù)要求。

對于天線增益,我們是在完成不同頻的天線遠場方向圖測試后,采用3 dB波束寬度法來計算待測天線各個頻點的增益,公式表示為[14]:

G=10lg[27 000/(θ3AZ×θ3EL)]。

式中，θ3AZ和θ3EL為方位和俯仰方向圖的半功率波束寬度(°)；G為待測波束增益(dB)。測試得到的增益與仿真結(jié)果進行比較如圖13所示。

圖13 典型頻點測試增益與仿真曲線對比

從測試結(jié)果來看，考慮測試場地壞境因素,增益測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本變化一致，上行頻段的增益在34 dB以上，下行頻段的增益在35 dB以上，均滿足指標要求。

進而又測試了天線的噪聲溫度，從而得到系統(tǒng)的G/T值，測試結(jié)果見表1。

表1 系統(tǒng)G/T 測試記錄表

頻率/GHz要求TO/KTLNA/KY/dBG/dBTan/K(G/T)/dB·K-18.008.258.50≥7.0dB/K3003003008080802.912.973.1035.7636.0536.59114.44111.77106.1212.8713.2213.89

從測試結(jié)果看，系統(tǒng)G/T值均大于12.87 dB/K，這是由于天線的實際效率較高，增益較大的原因，因此系統(tǒng)的G/T值所提的指標較低的原因，因此遠遠滿足指標要求。

綜上，研制的便攜站天線樣機達到了設(shè)計預(yù)期的各項性能指標；另外，與伺服分系統(tǒng)配合在頻點7.775 GHz時對低軌道衛(wèi)星進行了跟蹤測試如圖14所示。

圖14 對星跟蹤測試

對星跟蹤測試是從低仰角3°起開始跟蹤，跟蹤過程中信號穩(wěn)定，信噪比達到15 dB，跟蹤效果良好，達到了預(yù)期效果。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計并工程實現(xiàn)了一種新型的0.9 m收發(fā)一體X頻段便攜測控站天線。打破了以往便攜站僅僅單通訊的用途，增加測控功能，工程實現(xiàn)了集測控通訊于一體的便攜天線；將X-Y座架形式應(yīng)用在便攜天線的系統(tǒng)設(shè)計上，成功解決了極軌衛(wèi)星過頂跟蹤的問題。文中的天線座屬于無配重式X-Y天線座[15]，其結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小、簡單易制且密封性好，適合于轉(zhuǎn)速較低、口徑較小的跟蹤接收設(shè)備。克服了以往X-Y天線座結(jié)構(gòu)松散、跟蹤精度低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和可靠性差等問題。在結(jié)構(gòu)上X,Y軸均安裝了轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，對射頻走線進行了優(yōu)化設(shè)計，成功解決了射頻走線問題，實現(xiàn)了收發(fā)共用，后續(xù)將對該產(chǎn)品進行持續(xù)優(yōu)化設(shè)計，在滿足精度要求的情況下，將0.9 m天線面進行分瓣處理。