用于衛(wèi)星地面移動通信系統(tǒng)的相控陣天線

　　1 引 言

　　具有跟蹤能力的中等增益圓極化天線是中繼通信衛(wèi)星和衛(wèi)星移動通信這兩種通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。對于衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)來說，系統(tǒng)解決了大量稀路由通信地區(qū)的通信、鄉(xiāng)村通信和客運、貨運、海運、航空、搶險救災(zāi)、野外勘測、公安偵察、部隊調(diào)動等移動載體的“動中通”業(yè)務(wù)。相控陣天線安裝在海陸空的運動載體上，完成對通信衛(wèi)星的跟蹤和通信。近幾年得到了快速的發(fā)展，其應(yīng)用功能主要包括衛(wèi)星電話、傳真、電子郵件、數(shù)據(jù)連接、位置報告以及車(船)隊管理等。

　　相控陣天線目前被公認(rèn)為是最先進(jìn)的通信天線，它通過控制數(shù)字式移相器使波束精確地跟蹤衛(wèi)星，同時實現(xiàn)信號傳輸。相控陣技術(shù)應(yīng)用于中繼通信衛(wèi)星和衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)有許多其他技術(shù)無法比擬的優(yōu)點：跟蹤波束的快速掃描能力；天線波束形狀的快速變化能力；優(yōu)異的空間定向與空域濾波能力；空間功率合成能力；天線與載體平臺共形的能力。

　　按照天線的跟蹤方式，可以分為機械跟蹤系統(tǒng)和電子跟蹤系統(tǒng)。機械跟蹤系統(tǒng)是利用機械方法驅(qū)動天線將波束指向衛(wèi)星。電子跟蹤系統(tǒng)是利用移相器改變天線單元的相位，控制天線方向圖使其波束指向衛(wèi)星。本文采用電子跟蹤方案，通過GPS結(jié)合電子羅盤采集天線載體運動及姿態(tài)信息，通過波控機控制移相器，完成天線的自動跟蹤。

　　2 系統(tǒng)分析與設(shè)計

　　2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　要實現(xiàn)天線對通信衛(wèi)星的自動跟蹤，有兩種方案：一種是基于通信衛(wèi)星導(dǎo)頻信號的方案，即天線自動對全空域進(jìn)行掃描，尋找通信衛(wèi)星的導(dǎo)頻信號并使天線對準(zhǔn)導(dǎo)頻信號最強的方向，這種方案對于靜止的用戶十分有效，但對于運動中的用戶而言卻不適用，原因是用戶時刻都在運動，天線相對于衛(wèi)星的波束指向需要實時改變。另一種是借助移動用戶本身與運動狀態(tài)有關(guān)的信息，諸如：移動載體的速度，地理位置等，利用一定的算法實時計算天線對衛(wèi)星的波束指向并指向衛(wèi)星。本文采用的是第二種，即基于GPS結(jié)合電子羅盤的自動跟蹤方案。

　　相控陣天線由輻射陣列、可控數(shù)字移相器、波束控制器以及1：19功分網(wǎng)絡(luò)等部分組成，功能框圖如圖1所示。

　　天線單元選用圓形微帶貼片天線，組陣后可獲得較大范圍內(nèi)的波束掃描。功分網(wǎng)絡(luò)采用微帶形式，可以做到與陣面良好的共形。由于天線單元的頻率特性覆蓋了目前導(dǎo)航接收機的天線頻率，且增益滿足要求，因此可選擇其中一個單元作為導(dǎo)航接收機天線。導(dǎo)航接收機采用GPS／GLONASS／北斗兼容接收機，與波控機的接口之間采用串行接口總線。波控機根據(jù)導(dǎo)航接收機送來的用戶運動信息計算天線波束指向并控制移相器移相使天線波束自動對準(zhǔn)選取的通信衛(wèi)星。

　　2.2 天線單元設(shè)計

　　在眾多天線單元中，微帶天線單元最適合用于衛(wèi)星通信相控陣天線系統(tǒng)中，其特點是：剖面薄、體積小、重量輕；便于把饋電網(wǎng)絡(luò)與天線結(jié)構(gòu)做在一起，適合用印刷電路技術(shù)大批量生產(chǎn)；能與有源器件和電路集成在同一基板上；便于獲得圓極化，容易實現(xiàn)雙頻段、雙極化工作。由于該天線工作在L波段，接收和發(fā)射共用一幅天線，其百分比帶寬約為8.5％。同時，為增加相控陣俯仰方向掃描范圍，要求陣列單元的增益、軸比方向圖應(yīng)具有寬角特性。由于陣元數(shù)目較多，單元形式應(yīng)盡量簡單，以減輕天線重量和陣元之間的互耦作用，從而避免重量的超標(biāo)和陣列電性能的損失。經(jīng)過比較，輻射單元選用單饋源雙頻微帶天線，圖2為其結(jié)構(gòu)示意圖。在貼片表面開槽，切斷了原先的表面電流路徑，使電流繞槽邊曲折流過而路徑變長，貼片等效尺寸相對增加，諧振頻率降低，可使天線小型化。選擇適當(dāng)?shù)牟蹚亩刂瀑N片表面電流以激勵相位差90°的極化簡并模，從而形成圓極化輻射和實現(xiàn)雙頻工作。

　　圖3為輻射單元在收發(fā)頻段的駐波特性。同時，單元增益可達(dá)7 dBi，軸比在帶寬范圍內(nèi)小于6 dB，滿足天線對頻帶和增益的要求。

　　在分析設(shè)計時發(fā)現(xiàn)：隨槽的長度增加，天線諧振頻率降低，天線尺寸減??；天線尺寸的過分縮減會引起性能的急劇劣化，其中帶寬與增益尤為明顯，而方向圖影響不大；增加介質(zhì)板厚度可改變天線的帶寬，但將引起表面波損耗，同時，重量明顯增加。因此，開槽需在小型化與性能之間折衷，帶寬需要在天線增益和重量之間折衷。

　　2.3 波束控制器的設(shè)計

　　波束控制器是相控陣天線的重要組成部分。由于相控陣天線波束的掃描和跟蹤是由波束控制器實現(xiàn)的，因此，波束控制器很大程度上決定了天線的動中通性能。

　　移動用戶在行進(jìn)中其位置與姿態(tài)不斷改變，要保證不間斷通話，應(yīng)不受載體位置、姿態(tài)變化的影響，天線波束必須始終對準(zhǔn)衛(wèi)星信號方向。天線波束跟蹤采用開環(huán)控制方式，波控機由單片機、GPS OEM板、驅(qū)動單元及數(shù)字移相器組成。單片機通過RS 232接口與搭載GPS OEM板聯(lián)接，用來讀取移動用戶的實時位置、姿態(tài)信息。根據(jù)通信衛(wèi)星、移動用戶天線的坐標(biāo)，單片機經(jīng)過坐標(biāo)變換、角度算法計算，求得運動用戶天線指向通信衛(wèi)星信號的俯仰、方位角(θ，φ)。根據(jù)指向角(θ，φ)，同一單片機計算出要求的陣內(nèi)相位差，量化后得到每個移相器(3 b)的波束控制碼，通過驅(qū)動單元控制移相器工作，從而實現(xiàn)移動用戶天線波束自動跟蹤、掃描工作。波控機的硬件組成如圖4所示。