探究地球站天線技術(shù)的新進(jìn)展及其發(fā)展趨勢

李建華

內(nèi)蒙古自治區(qū)廣播電視傳輸發(fā)射中心501臺(tái) 內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010020

天線系統(tǒng)是衛(wèi)星地球站的重要組成部分，與衛(wèi)星通信質(zhì)量的優(yōu)劣有著非常密切的關(guān)系。隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的快速發(fā)展，地球站天線技術(shù)也有了很大的發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)天線技術(shù)指標(biāo)的提升起到了重要促進(jìn)作用。

1 地球站天線的分類和系統(tǒng)要求

1.1 分類

衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)地球站天線波束的覆蓋范圍存在著一定的要求：俯仰0～90°，水平方位0～360°。對(duì)于達(dá)到上述要求的天線來說，一般會(huì)被分為兩大類，即全向天線和定向天線。全向天線的增益較低，體積小，質(zhì)量也較輕微，不需要使用波束跟蹤的方法來操作。定向天線的收益較高，是衛(wèi)星通信地球站的主流天線，一般高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)中均使用定向天線。［1］

1.2 系統(tǒng)要求

1.2.1 電氣性能

衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的頻段數(shù)量具有一定的多樣性，其中L頻段會(huì)比較廣泛的應(yīng)用在地球站的通信鏈路當(dāng)中，相關(guān)的研究內(nèi)容也較多。對(duì)于L頻段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說，其主要覆蓋范圍與接收信號(hào)的寬帶為8%，天線的實(shí)際運(yùn)行方式主要為圓極化，這就需要相關(guān)技術(shù)人員對(duì)有效對(duì)極化跟蹤方式進(jìn)行充分的了解。

1.2.2 波束跟蹤

在定向天線的實(shí)際運(yùn)行過程中，衛(wèi)星通信地球站會(huì)存在自由度不斷變化的現(xiàn)象，因此需要對(duì)天線波束的指向進(jìn)行密切關(guān)注，將其進(jìn)行特定的改變與設(shè)定就可以讓其始終保持跟蹤衛(wèi)星的狀態(tài)。衛(wèi)星跟蹤的方式主要有開環(huán)追蹤與閉環(huán)追蹤兩種類型。開環(huán)追蹤的工作原理是把傳感器運(yùn)用到地球站等相關(guān)位置上與實(shí)際信息測量當(dāng)中，做好相關(guān)的計(jì)算之后再控制其波束的指向；閉環(huán)控制則是將衛(wèi)星接收方式作為主要的工作內(nèi)容來控制好電路，通過對(duì)波束指向進(jìn)行調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的跟蹤。

2 衛(wèi)星通信地球站天線的發(fā)展階段

2.1 初級(jí)階段

在地球站天線的發(fā)展初期，天線效率低是常見的問題。天線形式主要是由前饋拋物面天線和常規(guī)的未加賦形的卡塞格倫天線組成。在該初級(jí)階段中，天線的主要目的是解決好啟用方面的問題。衛(wèi)星接收系統(tǒng)中放大器是通過利用調(diào)整常溫參數(shù)來開展相關(guān)工作，其本身噪聲溫度比較高，嚴(yán)重影響到地球天線的實(shí)際恒溫噪音。

2.2 進(jìn)展階段

隨著地球站通信系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)制冷功效提出更高的要求。但其本身沒有較高的噪聲溫度，因此需要強(qiáng)化對(duì)天線噪聲溫度的控制，并由此提出了將地球站品質(zhì)作為參數(shù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能通信指標(biāo)，繼而出現(xiàn)了后饋式的卡塞格倫天線和格里高利天線。

2.3 頻譜復(fù)用和低旁瓣階段

衛(wèi)星通信技術(shù)的不斷發(fā)展，與地球同步軌道的衛(wèi)星數(shù)量不斷增多，且它們之間的間距也在逐漸增大。地球站天線的旁瓣特性是用來確定最小衛(wèi)星間距的主要因素，同時(shí)也是影響有效利用射頻頻譜的重要因素。另外，天線輻射方向也會(huì)對(duì)主波束以外的EIRP和由旁瓣接收的功率產(chǎn)生影響?？傮w來說，想要充分利用空間資源，避免出現(xiàn)相鄰的衛(wèi)星受到較大干擾的問題，需要提高對(duì)地球站天線地旁瓣包絡(luò)特性的重視。在此階段中，低噪聲放大器得到了比較廣泛的應(yīng)用，并且強(qiáng)化了對(duì)頻譜復(fù)用技術(shù)的研究。

2.4 現(xiàn)有頻段的展寬和開拓新頻段階段

對(duì)現(xiàn)有的衛(wèi)星通信頻段實(shí)施拓寬處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星通信容量的擴(kuò)大，同時(shí)也屬于比較經(jīng)濟(jì)且有效的方法。開辟新的頻段對(duì)于城市來說非常必要，在城市建站的時(shí)候需要考慮站址環(huán)境。目前，C波段微波信號(hào)處在比較密集的狀態(tài)下，因此衛(wèi)星站一般都建立在城郊區(qū)域，并開拓新的頻段，以此來緩解信號(hào)擁擠的問題。

3 衛(wèi)生通信地球站天線技術(shù)的新進(jìn)展及發(fā)展趨勢

3.1 高頻段通信地球站天線技術(shù)

隨著在軌衛(wèi)星數(shù)目不斷增長，應(yīng)開辟出更多的頻段來發(fā)揮作用。Ka頻段是現(xiàn)階段正在大力開拓的段位，因其配置比較完備且優(yōu)點(diǎn)較多，能夠更好的建立實(shí)時(shí)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該頻段可以憑借較短的波長讓小口徑天線得到較多的增益，使衛(wèi)星通信地球站朝著小型化方向更好地發(fā)展。對(duì)于Ka頻段的地球站來說，需要采用波束寬度只有1～2°且增益大于20dB的天線，這種天線類型對(duì)于跟蹤精度和速度都有著非常高的要求，這是需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。［2］

3.2 多頻段通信地球站天線技術(shù)

將多頻段共用的方式應(yīng)用在衛(wèi)星通信領(lǐng)域當(dāng)中，可以讓通信容量得到一定的擴(kuò)充，并讓地球站發(fā)揮出一站多用的功能。多頻段的通信地球站天線技術(shù)應(yīng)用可以讓建站成本得到降低，同時(shí)也能避免受到較多的干擾。多頻共用的手段就是同一個(gè)時(shí)間段內(nèi)利用多個(gè)頻段來開展通信活動(dòng)?，F(xiàn)階段的多頻共用技術(shù)是比較廣泛的，其關(guān)鍵是多頻共用饋源設(shè)計(jì)技術(shù)。

3.3 多波束通信地球站天線技術(shù)

衛(wèi)星通信技術(shù)的快速發(fā)展讓衛(wèi)星軌道也變得越來越緊張，同步軌道之間的衛(wèi)星間隔出現(xiàn)擁擠現(xiàn)象。利用一副地球站天線來接收多顆衛(wèi)星信號(hào)是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。多波束通信地球站天線指的是利用兩個(gè)以上的具有獨(dú)立性的天線來對(duì)波束進(jìn)行控制，每個(gè)波束不僅可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立接收和發(fā)射信號(hào)的功能，還能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)接收同時(shí)發(fā)射的功能。這種天線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一站多用的重要作用，不僅可以優(yōu)化地球站布局，也能在一定程度上降低建站的成本，同時(shí)可以提升其通信管理的活動(dòng)性與創(chuàng)新性，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益進(jìn)行全面提高。［3］

3.4 移動(dòng)地球站智能天線技術(shù)

對(duì)于衛(wèi)星通信地球站的智能通信天線來說，通常認(rèn)為天線陣會(huì)對(duì)自身所處電磁環(huán)境進(jìn)行一定的感知和判斷，按照相應(yīng)的規(guī)則自動(dòng)形成單個(gè)或多個(gè)波束實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的跟蹤，抑制各種干擾，讓其處在一個(gè)比較理想的范圍當(dāng)中。智能天線主要是通過利用自身的自適應(yīng)干擾理論，經(jīng)過一定的學(xué)習(xí)和處理之后依靠陣列序號(hào)來強(qiáng)化數(shù)字波束信號(hào)。將其應(yīng)用于衛(wèi)星通信地球站，具有更快的跟蹤速度，擁有優(yōu)質(zhì)的電氣性能且便于安裝。

結(jié)束語

在衛(wèi)星通信技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步中，其應(yīng)用范圍更加廣泛，地球站天線技術(shù)也有了新的發(fā)展。為了更好的保證衛(wèi)星通信質(zhì)量，需要對(duì)地球站天線性能的發(fā)展進(jìn)行更深入探究，向智能化發(fā)展。