卫星通信双线极化天线馈电阵列分析
介绍了一种用于Ku波段卫星通信的双线极化天馈阵列。该馈源阵列可用于单反射面或双反射面卫星通信天线，实现通信卫星的小角度、高速、高精度电子束扫描跟踪，降低了卫星天线对机械伺服结构精度和动态跟踪的要求，从而大大降低伺服系统的成本，拓展了移动卫星天线在民用领域的应用。
关键词:馈电阵列；移动通过；微带天线
1简介
星地通信天线系统满足用户在动态运动中通过卫星传输宽带数据信息的需求，使车、船、飞机等移动载体能够实时跟踪卫星，不间断地传输语音、数据、图像等信息[1][2]。目前移动通信天线主要使用Ku频段与固定轨道卫星通信[3]，需要覆盖上下行两个频段，其中上行频段为13.75-14.5GHz，下行频段为10.95-11.75 GHz和18。为了保证卫星与地面移动设备的通信畅通，移动通信天线应实时指向通信卫星，同时为了避免天线发射时对相邻卫星的干扰，运动中的移动设备跟踪误差应小于0.1，馈源也应旋转跟踪，收发极化隔离度应大于30dB[4][5]。国内外很多企业都推出了移动通信天线产品，如以色列RaySat公司的多片式天线，美国TracStar公司的IMVS450M产品[6]。为了满足天线对卫星的高精度实时跟踪和对准的要求，上述所有移动通信天线都包括自动跟踪系统。在初始静止状态下，利用GPS、经纬仪和捷联惯导系统测量航向角、载体位置的经纬度和相对于水平面的初始角度，然后根据其姿态、地理位置和卫星经度自动确定基于水平面的天线仰角，在保持仰角与水平面不变的前提下旋转方位角，卫星自动对准最大信号。在载体运动过程中，测量载体姿态的变化，通过数学运算转化为天线的误差角，通过伺服机构调整天线的方位角、俯仰角和极化角，保证载体变化过程中天线在规定范围内，使卫星发射天线在载体运动过程中实时跟踪地球同步卫星。高精度伺服系统一直是传统移动通信天线系统的关键部分。通常高精度伺服系统由于动天线口径大(一般在0.8~1.2m左右)、重量大，成本较高。目前应用于移动通信天线的高精度伺服系统的成本在几万甚至十几万，占整个移动通信天线系统成本的很大一部分，限制了移动通信卫星天线在民用领域的广泛应用[5]。
2双线极化天线馈电阵列
为了克服移动通信中现有天线跟踪伺服系统精度高、成本高等缺点，研制了双线极化天馈阵列，可应用于单反射或卡塞格伦卫星通信天线，并结合后端数字波束形成(DBF)技术实现天线系统的机电融合跟踪。最终通过“大角度低精度机械跟踪”和“小角度多通道DBF精确跟踪”相结合，实现天线系统对卫星的高精度跟踪对准，降低对伺服系统的精度要求，从而降低伺服系统的成本。这种馈电阵列是中心对称结构，阵列的中心位于单反射或卡塞格伦天线的焦点上。当向阵列中的不同单元馈电时，天线将以不同的方向辐射高增益波束。此时结合后端的高精度DBF技术，可以实现小角度范围内的高精度波束指向控制。馈电阵列采用基于微带印刷电路板的法布里-珀罗天线形式。该阵列由三层组成，其中底层是带有金属地板的微带反射器，中间层是微带形式的天线结构，顶层是可以增强方向性的纯介质板。
2.1底部结构
馈电阵列的底层是一侧附有铜的电介质板和八个馈电孔。SSMA和空心铜柱通过馈电孔焊接在底层介质板上，发射天线的馈电端口和接收天线的馈电端口各有四个馈电孔。图2是底部电路板结构的示意图。
2.2顶部结构
顶部介电板是完全蚀刻掉构成“法布里-珀罗”超结构的覆铜层压板的介电板。图3是顶部电路板结构的示意图。
2.3中间层结构
发射天线、接收天线及其附属馈线蚀刻在中间层电路板的两侧，其中，为了方便焊接，焊盘都在一侧。为了隔离表面波对天线方向图的影响，天线阵列由网格状的金属条分割，电路板两侧都有金属条，通过金属化通孔相互连接。图4是中间层电路板的结构示意图。中间层电路板上的微带阵列单元采用一对交叉的金属偶极子分别实现接收/发射功能。两个金属偶极子印制在中间层微带介质板的正反面，分别工作在接收/发射(下行/上行)频段，交叉偶极子结构可以对应实现接收/发射所需的两个正交线极化。阵列单元采用同轴底馈馈电，其中偶极子的两臂通过一段印刷细线分别与同轴接口的内芯和外壁相连，这里使用细线是为了减少馈电结构对接收机和发射机之间隔离度的影响。为了进一步降低馈电结构对收发端隔离度的影响，设计中采用一段印刷细线将同一位置的两个偶极子结构连接起来，根据其长度、厚度等参数采用合适的对消手段实现收发端的高隔离度。通过在阵列单元周围引入一圈密集的金属化通孔结构，并在电路板上设计金属附加结构来隔离介质中的表面波，降低了阵列单元之间的互耦。
2.4馈电阵列的组装
馈电阵列的三层电路板由几个尼龙螺柱固定。图5是馈电阵列的三维分解和整体组装的示意图。在馈电阵列结构中，可以通过调节金属偶极子的臂长来调节天线的工作频率。通过调节顶部介质基板和中间电路板之间的距离，可以容易地调节辐射增益，以满足不同反射器尺寸和焦距的要求。
3模拟和测量结果
馈电阵列的端口1、3、5、7为接收端口，端口2、4、6、8为发射端口。图6是馈电阵列回波损耗的仿真和测试结果图。从图6可以看出，接收端口和发射端口的回波分别小于-12.25-12.75GHz和13.75-14.5GHz，实现了良好的匹配。图7是馈源阵列在12.5GHz工作频率下的仿真和实测接收方向图，从图7可以看出，工作在12.5GHz时，天顶方向天线增益为15dB，旁瓣比主瓣低10dB(仿真)/18dB(实测)。图8是馈源阵列在14.1GHz工作频率下的仿真和实测发射方向图。从图8可以看出，工作在14.1GHz时，天线天顶方向增益为15dB，旁瓣比主瓣低11dB(仿真)/10dB(实测)。
4结论
馈电阵列采用微带印刷电路板结构，简单紧凑，技术成熟，加工简单，成本低，适合大批量生产。与传统的波导端口、波导喇叭等馈电结构相比，可以在较小的面积内实现多个单元、多个接收/发射通道，有利于实现更高精度的波束指向控制。同时，馈源阵列采用的对消技术可以在天线结构端同一位置的接收/发射通道之间实现30dB的隔离，减轻了后端器件的压力。从实际应用角度来看，天馈阵列配合主反射面，通过移动通信卫星天线实现Ku波段通信卫星的小角度、高速、高精度电子束扫描跟踪。采用该技术，大大降低了天线对伺服系统精度和动态响应速度的要求，伺服系统成本降低了一个数量级，有助于推动卫星天线在天地一体化通信中的规模化应用。
参考
[1]许。创新引领持续发展规模化应用——论中通天线的发展新趋势[J]。卫星与网络，2013，09: 39-40。
[2]LouisJ J .，IppolitoJr .孙宝生译。卫星通信系统工程[M]。北京:国防工业出版社，2012，3。
[3]MiuraA。、山本、桓邦里等。[2]刘建华，刘建民，等.卫星通信实验测量技术[J].电子工程学报，2002，19(2).
刘昌华。移动载波卫星通信系统天线跟踪技术研究[硕士学位论文]。西安电子科技大学，2009，3-4。
唐明。运动伺服系统的设计[J].现代雷达，2003，25 (4): 51-54。
王鸿武阮小刚。中国移动卫星天线技术和产品的应用[J].卫星与网络，2006，3: 34-37。
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