V頻段衛(wèi)星通信天線捕獲跟蹤系統(tǒng)研究①

尚湘安，蕭 鑫，劉 靈，關(guān) 鵬，盧紹鵬，習(xí)清伶

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

隨著全球信息化浪潮持續(xù)升級，以通信衛(wèi)星系統(tǒng)為依托，構(gòu)建高速、靈活、泛在、安全的信息基礎(chǔ)設(shè)施，成為各國競逐更大的軍事、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)利益的重要切入點(diǎn)。大容量、網(wǎng)絡(luò)化是衛(wèi)星通信發(fā)展的重要趨勢，Q/V頻段衛(wèi)星載荷是其中的必備技術(shù)[1]。HTS系統(tǒng)容量提升，O3B、Oneweb、Starlink等移動(dòng)星座，將Q/V等更高頻段用于饋電鏈路，增加單個(gè)站點(diǎn)可用帶寬，減少部署數(shù)量，釋放Ka資源至用戶鏈路。Milstar/AEHF衛(wèi)星采用V頻段星間鏈路，天線波束指向好，可用頻帶寬，大氣吸收高，保密性好[2]。

由于Q/V頻段信號波長短，衛(wèi)星通信天線捕跟系統(tǒng)具有以下難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)：

?天線捕獲跟蹤系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和測試驗(yàn)證；

?天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工和機(jī)電性能測試技術(shù)；

?高頻有源電路低噪聲、高增益、穩(wěn)定性、熱和可靠性設(shè)計(jì)。

為此，開展了V頻段衛(wèi)星通信天線捕跟系統(tǒng)系統(tǒng)研究：采用單通道單脈沖體制的捕獲跟蹤方案，研制了V頻段可動(dòng)點(diǎn)波束天線、單通道調(diào)制器等關(guān)鍵單機(jī)，搭建了V頻段通信系統(tǒng)，通過了室外遠(yuǎn)場捕獲跟蹤試驗(yàn)。

1 V頻段天線捕跟系統(tǒng)方案情況

V頻段天線波束寬度很窄，要求天線指向更精確，只靠程控跟蹤無法滿足系統(tǒng)要求，需要對目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤。按跟蹤原理，自動(dòng)跟蹤可分為三種體制：步進(jìn)跟蹤、圓錐掃描跟蹤和單脈沖跟蹤。步進(jìn)跟蹤又稱極值跟蹤，該體制跟蹤精度、速度都比較低，不適用于快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)間的自動(dòng)跟蹤，多用于地面站對靜止軌道衛(wèi)星跟蹤。圓錐掃描跟蹤是天線波束偏離天線軸一固定角度，由掃描機(jī)構(gòu)控制波束繞天線軸旋轉(zhuǎn)，其波束最大輻射方向在空間畫一個(gè)以天線軸為中心的圓錐面。一般用于精度要求不高的跟蹤系統(tǒng)中。

單脈沖技術(shù)是目前國內(nèi)外比較流行的一種角跟蹤體制，特別是在衛(wèi)星通信和角跟蹤系統(tǒng)中，獲得了良好的捕獲跟蹤精度。單脈沖技術(shù)分為“比幅”和“比相”兩種基本類型。在雷達(dá)系統(tǒng)中，常用比相單脈沖進(jìn)行目標(biāo)角度測量，比相單脈沖對接收通道的相位一致性要求較高。比幅單脈沖對接收通道的相位一致性要求較低，是當(dāng)前星載接收機(jī)普遍采用的一種方式。

根據(jù)單脈沖角跟蹤耦合器輸出的和信號與兩路差信號的處理方法的不同，單脈沖又分為單通道單脈沖角跟蹤、雙通道單脈沖角跟蹤、三通道單脈沖角跟蹤三類單脈沖角跟蹤體制。

單通道單脈沖跟蹤體制是在傳統(tǒng)的雙通道體制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，主要將和路信號和方位、俯仰兩路差信號合成為一路信號，由于僅使用單通道進(jìn)行傳輸，極大的降低了設(shè)備的體積、功耗和系統(tǒng)的復(fù)雜度，最重要的是克服了由于多通道帶來的通道間相位和增益不一致的問題，不需要調(diào)整通道間的相位和增益，同時(shí)也避免了通道間的相互串?dāng)_，增加了跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，但是跟蹤精度相對于二、三通道體制稍微有所下降，所以跟蹤體制的選擇要綜合考量。

從國內(nèi)外的應(yīng)用情況、設(shè)備的體積、功耗、應(yīng)用背景、角跟蹤精度、實(shí)時(shí)性等諸多方面的綜合考慮，采用單脈沖單通道體制能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)指標(biāo)要求。同時(shí)結(jié)合以往相關(guān)方面的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，可以使用相關(guān)已有的模塊化部分，大大縮短了開發(fā)周期，降低成本。因此選擇單通道單脈沖角跟蹤體制完成對信標(biāo)信號的精確指向跟蹤。

天線捕跟系統(tǒng)主要包括V頻段可動(dòng)點(diǎn)波束天線、單通道調(diào)制器、下變頻器以及捕跟接收機(jī)和天線控制器等單機(jī)設(shè)備構(gòu)成，組成框圖如圖1所示[3,4]：

圖1 V頻段天線捕獲跟蹤系統(tǒng)組成框圖

可動(dòng)點(diǎn)波束天線接收對方通信信號，形成和、差信號送單通道調(diào)制器。單通道調(diào)制器與捕跟接收機(jī)，將天線在跟蹤過程中偏離天線電軸的角位置誤差轉(zhuǎn)換成能夠控制天線運(yùn)動(dòng)的角誤差信號，送至天線控制器，控制天線運(yùn)動(dòng)。捕跟系統(tǒng)的工作過程如下：

天線在程序指向控制初步指向目標(biāo)所在的區(qū)域后，通過在一定范圍內(nèi)進(jìn)行螺線掃描搜索確定目標(biāo)的準(zhǔn)確位置，為捕跟接收機(jī)建立跟蹤鏈路提供必要的捕跟信號信噪比條件。當(dāng)接收信號功率超過跟蹤門限值時(shí)，捕跟系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)跟蹤模式，系統(tǒng)天線準(zhǔn)確跟蹤對方通信天線位置，保持通信鏈路穩(wěn)定。捕跟接收機(jī)用于實(shí)現(xiàn)方位指向跟蹤、俯仰指向跟蹤的處理。

通過對V頻段天線捕跟系統(tǒng)角跟蹤精度進(jìn)行分析[5]，在接收信號信噪比大于-5dB以上時(shí)，常規(guī)捕跟接收機(jī)角方位、俯仰誤差提取精度優(yōu)于0.15°即可滿足系統(tǒng)需求。以下主要介紹V頻段可動(dòng)點(diǎn)波束天線和單通道調(diào)制器研究情況。

2 V頻段可動(dòng)點(diǎn)波束天線

V頻段可動(dòng)點(diǎn)波束天線采用正饋卡塞格倫天線形式。該類型天線性能優(yōu)良，技術(shù)成熟，具有大量型號飛行經(jīng)歷。天線由主反射器、副反射器、饋源組件、副面支桿、高頻箱、波導(dǎo)組件及指向機(jī)構(gòu)等組成，其外形如圖2所示：

圖2 V頻段點(diǎn)波束天線圖

饋源組件位于主反射器中心，收發(fā)端口伸出反射器背部。高頻箱緊貼主反射器背部，箱內(nèi)低噪放與饋源組件接收端口連接，這樣可以有效降低天線饋電部分的損耗，從而提高天線的G/T值。按照系統(tǒng)指標(biāo)要求，研制了1.8m口徑的V頻段點(diǎn)波束天線實(shí)物，對以下關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究：

(1)傳統(tǒng)毫米波跟蹤饋源，設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，體積較大，加工難度大、成本高。研制了易于加工的小型化的毫米波饋源。

(2)為了提高天線效率，減小旁瓣，天線反射面進(jìn)行賦形設(shè)計(jì)。

(3)毫米波星間鏈路天線工作波長很短，對裝配與校準(zhǔn)精度要求很高。研究了新的天線裝配與校準(zhǔn)技術(shù)，以適應(yīng)高頻率、大口徑、復(fù)雜構(gòu)型天線的需要。

(4)毫米波機(jī)械可動(dòng)點(diǎn)波束天線的電性能測試在緊縮場內(nèi)進(jìn)行，在測試之前對場地的性能和測試方法進(jìn)行了深入的研究，將測試誤差盡量減小。

(5)用傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀測試方法測量反射器形面精度，除了測試系統(tǒng)自身的誤差外，測試靶點(diǎn)的數(shù)量也會(huì)對測試精度有一定影響。靶點(diǎn)數(shù)目越多越準(zhǔn)確，但工作量也會(huì)顯著增大，測試效率降低，對新型的高效測試方法進(jìn)行研究。

制作的V頻段可動(dòng)點(diǎn)波束天線在57GHz～63GHz頻率范圍內(nèi)，增益大于56dBi，波束寬度大于0.19°，差波束零深優(yōu)于-27dB，具體指標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況如圖3所示。

圖3 V頻段可動(dòng)點(diǎn)波束天線和差波束增益曲線

3 V頻段單通道調(diào)制器

單通道調(diào)制器首先將天線輸出的和信號和差信號進(jìn)行低噪聲放大，然后對差信號進(jìn)行四相調(diào)制，最后將差調(diào)制信號與和信號進(jìn)行耦合成一路誤差信號送捕跟接收機(jī)進(jìn)行角誤差解調(diào)提取。V頻段單通道調(diào)制器主要由V波段低噪聲放大器、V波段四相移相器、V波段合路器、V波段耦合器以及電源電路組成，其總體組成框圖如下圖所示[6]：

圖4 V頻段單通道調(diào)制器組成框圖

由于工作頻率高，受設(shè)計(jì)能力、器件性能和電路加工精度的影響，V頻段電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具有以下技術(shù)難度：

1.V頻段低噪聲放大器芯片噪聲系數(shù)通常大于3.5dB，制成低噪聲放大器的噪聲系數(shù)約6dB左右，不能完全滿足系統(tǒng)使用要求，是制約系統(tǒng)接收靈敏度的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。

2.V頻段放大器增益較低，提供高增益需要多級放大器實(shí)現(xiàn)，同時(shí)芯片對外圍電路敏感，多級電路級聯(lián)容易導(dǎo)致電路不穩(wěn)定。

3.V頻段信號波長短，確保和差支路相位一致性和穩(wěn)定性，對傳器件裝配、輸線長度和電路連接形式等要求高。

針對以上難點(diǎn)，我們對V波段各個(gè)功能器件的設(shè)計(jì)采用單模塊單一功能的研制思路，以便于各器件的測試、篩選；采用波導(dǎo)到平面電路的設(shè)計(jì)方案，通過建模和工藝控制來保證設(shè)計(jì)冗余和安裝精度，減少傳輸損耗，以實(shí)現(xiàn)良好的性能。為了避免單模塊單一功能的研制思路給系統(tǒng)級聯(lián)應(yīng)用帶來在各模塊間需增加波導(dǎo)過渡和連接，從而增加級聯(lián)損耗、傳輸延遲，同時(shí)因?yàn)檠b配復(fù)雜度的增加，不可避免的影響可靠性和穩(wěn)定性，故在項(xiàng)目之初，即對通道級聯(lián)和集成方案進(jìn)行提前設(shè)計(jì)，對各單模塊的位置、與其他模塊的連接裝配方式優(yōu)化配置，進(jìn)而盡量減少過渡和轉(zhuǎn)換連接，并對單模塊的各電性能和端口參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其與其他相級聯(lián)的模塊實(shí)現(xiàn)參數(shù)匹配，以保證通道電性能，同時(shí)體積和重量也得以控制和減少。V頻段單通道調(diào)制器外形如圖5所示。

圖5 V頻段單通道調(diào)制器照片

V波段單通道調(diào)制器所有電路位于一個(gè)獨(dú)立的盒體內(nèi)，毫米波輸入/輸出接口采用WR15波導(dǎo)形式，主要技術(shù)實(shí)現(xiàn)情況如下：

(1)工作頻率范圍：55GHz～65GHz

(2)噪聲系數(shù)：≤4.17dB

(3)通道增益：40～44dB

(4)單通道合成前和、差信號隔離：≥44dB

(5)四相調(diào)制器：相位不平衡度≤±5°

幅度不平衡度≤±0.5dB

4 V頻段天線捕跟系統(tǒng)試驗(yàn)情況

為了充分測試V頻段天線捕跟系統(tǒng)性能，獲得實(shí)際使用數(shù)據(jù)，進(jìn)行了外場捕獲跟蹤試驗(yàn)，試驗(yàn)場地情況如下：

圖6 天線外場試驗(yàn)區(qū)概貌

試驗(yàn)時(shí)，信標(biāo)天線放置于龍門架內(nèi)，天線、捕跟設(shè)備及其遠(yuǎn)場測試設(shè)備架放置于半開放吸波室中。試驗(yàn)過程天線使用重力卸載裝置。外場試驗(yàn)內(nèi)容包括[7]：天線的對準(zhǔn)校正及鏈路驗(yàn)證、和差通道相位一致性校正、自跟蹤試驗(yàn)及跟蹤精度測試、程控指向精度測試、天線空域掃描范圍測試和捕獲跟蹤全過程模擬演示等。

通過外場試驗(yàn)，對V頻段天線捕跟系統(tǒng)進(jìn)行了全面的功能性能測試，主要測試結(jié)果如下：

?測試頻率范圍：57GHz～63GHz

?天線增益：>56dBi

?天線波束寬度：>0.19°

?接收G/T值：>26.3dB/Hz

?天線空域搜索范圍：>0.4°×0.4°

?天線指向精度：≤0.2°(程控)，≤0.05°(自跟)

?天線最大掃描角速度：>0.2°/S

5 結(jié)束語

課題制作的V波段1.8m可動(dòng)點(diǎn)波束天線、單通道調(diào)制器等高頻段關(guān)鍵單機(jī)工作穩(wěn)定，性能優(yōu)異，完全達(dá)到了預(yù)期效果。通過設(shè)備研制，初步掌握了V頻段天線和有源電路設(shè)計(jì)方法，解決了毫米波電路設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試以及測試難題。但是由于毫米波頻段信號波長短，電路的設(shè)計(jì)、加工工藝難度較大，元器件體積小發(fā)熱密度大，后續(xù)需設(shè)計(jì)方法、工藝和材料的進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，提高電路的環(huán)境適應(yīng)性。

通過外場試驗(yàn)，驗(yàn)證了捕跟系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的合理性，并獲得了捕跟系統(tǒng)的性能指標(biāo)情況，為后續(xù)高頻段、大帶寬項(xiàng)目應(yīng)用積累了工程經(jīng)驗(yàn)。