衛星通信低剖面陣列動中通天線

更新時間：2015年08月21日 

隨著全球信息化的高速發展，越來越多的信息通過衛星進行傳輸，在移動載體上隨時隨地與衛星通信，已成為軍民兩用應急通信、實時通信的迫切需求。衛星移動通信系統的關鍵技術之一是天線技術，故適合移動通信的低剖面動中通天線技術的研究已成為衛星移動通信技術領域的研究熱點之一。另一方面，國內外現有動中通天線產品不能完全滿足國內的使用需求，且多個關鍵技術被國外封鎖或壟斷。在此情況下，多部委提出應用需求，并下達了研制任務。

“衛星通信低剖面陣列動中通天線”項目有多個子項目來源，4個主要來源項目是“低輪廓動中通天線”、“機載衛星聲像傳輸系統”、“0.6米Ku/Ka雙頻段動中通天線”、“新型通信裝備車”，均為部委下達的任務。項目組圍繞動中通天線的高效率、低剖面、高精度穩定跟蹤等難題展開技術研究，研制的低剖面陣列動中通天線裝載于車載、機載等多種移動平臺，能夠支持Ka/Ku雙頻段或KU單頻段工作，滿足相關平臺運動中不間斷信息傳輸要求。項目共獲得發明專利10項，制定行業標準1項，發表學術論文40余篇。項目成果已廣泛應用于衛星通信、無人機數據鏈、衛星偵察對抗、航天測控等軍事領域以及海監、公安、消防、武警、新聞采集、抗震救災等民用應急通信領域，在國家重大事件的應急保障活動中發揮了重大作用，社會經濟效益顯著。該項目由中國電子科技集團公司第五十四研究所獨立完成。主要完成人員有牛傳峰、魏英杰、李建軍、蘇曉莉、陳若平、劉昕、米宏偉、詹英、李濤、楊國棟。

一、科學技術內容

衛星通信低剖面動中通天線為國內首次研制，技術難度大，研制過程中遇到了很多技術難題，經過課題組的艱難攻關，均得到了較好地解決。該項目所研制的天線結構組成和布局圖見圖1，下面以0.6米 Ku/Ka雙頻段動中通天線為例對衛星通信低剖面動中通天線的研制內容進行論述。

天線組成：Ku/Ka雙頻段天線由Ku平板天線陣列及射頻信道、Ka平板天線陣列及射頻信道、信標接收機、天線控制單元、天線座架、北斗（GPS）和慣導等部分組成，系統組成框圖如圖2所示。

天線工作原理：系統加電展開后，根據衛星經度參數、車輛定位信息和姿態信息，天線控制單元ACU自動引導天線指向衛星并使信標接收機鎖定，天線轉入跟蹤狀態，使天線始終對準衛星。Ku或Ka波段接收信號通過下變頻器轉換到C波段，通過同軸射頻關節提供通信終端設備；Ku或Ka波段發射信號，經波導關節送入饋電網絡，然后通過天線陣列輻射出去。

天線接口采用波導接口，來自射頻功放的發射Ku信號經俯仰旋轉關節、極化調整裝置、頻率雙工器通過天線陣列向空間輻射；天線陣列接收的Ku下行信號通過LNA放大后，進入極化調整模塊進行極化調整后，與下變頻器連接。

二、主要創新點

1．高效率雙極化低剖面波導陣列天線技術

（1）發明了十字腔體波導同相陣列設計技術，實現了天線陣列的大規模、雙極化、收發共用、低損耗、高效率，與傳統微帶天線相比，提高了天線效率，口徑效率高達90%。波導陣列及饋電網絡照片見圖3。陣列天線在同一輻射口面集成兩種正交的線極化陣列，使得能夠按照任意線極化方式工作。饋線部分采用帶線+波導組陣的方式，以達到低損耗的效果。

（2）提出了4:1低剖面陣列天線的設計方法，與傳統拋物面天線相比，大大降低了剖面高度，實現了天線的低剖面、小型化，Ku單頻段天線剖面高度小于300mm，Ku/Ka雙頻段天線剖面高度小于320mm。另外，4:1的陣列比例獲得了方位:俯仰=1:4的波束寬度比，使0.6米天線方位面波束寬度等效1.5米的波束寬度，減小了天線的臨星干擾。0.6米Ku頻段動中通天線尺寸及方向圖見圖4。

（3）一體化集成化設計技術。將天線陣列、饋電網絡、LNA、極化調整模塊、波束形成網絡、跟蹤接收機進行模塊化、集成化設計，減小了饋線損耗，提高了天線效率和系統G/T值，降低了天線重量，縮小了天線厚度，提高了天線整體性能。Ku/Ka天線陣列布局分別見圖5。天線射頻信道原理框圖見圖6。

2．相控陣電子波束掃描綜合導航跟蹤技術

（1）發明了相控陣天線波束形成跟蹤方法，天線四個子陣之間采用相控陣方法進行電子波束掃描，相控陣電子波束掃描頻率高達100Hz以上，電平跌落小于0.32dB。天線子陣分布及波束掃描效果示意圖見圖7，動中通天線跑車照片及電平跌落曲線見圖8。

（2）提出了波束掃描跟蹤指向對慣導適時校正的技術方法，克服了傳統慣導系統誤差累積漂移問題，將捷聯慣導的理論、算法與傳統的伺服理論相結合，研發出基于動中通天線平臺的低成本捷聯慣導系統。

3．自動極化調整技術

Ku頻段衛星信號為雙線極化，不同地域的極化角不同，因此需要對天線極化進行調整。針對Ku接收頻段，采用可調衰減器分別調整兩個極化的分量，通過不同的幅度比例來改變天線的極化方向，實現了與衛星信號極化的匹配。天線極化及極化調整原理圖見圖9。

4．天線罩和饋電網絡小插損測試技術

提出了利用Y因子法測量天線在帶罩和不帶罩情況下的噪聲溫度，計算二者的差值求得天線罩引起的天線剩余噪聲溫度，由此確定天線罩的插入損耗。提出了利用標準增益喇叭比較測試饋電網絡的插入損耗的方法，由饋源喇叭的增益減去饋源網絡的增益，即得饋電網絡的插入損耗。

三、應用推廣和效益情況

項目組對衛星通信低剖面陣列動中通天線進行了國內外比較。國內方面，某部信息化部對0.6米低剖面動中通天線進行了招標測試，在9家單位的產品中，該項目研制的動中通天線性能突出，綜合排名第一，并獲得了“國防通信網設備器材進網許可證”。國外方面，0.6米低剖面動中通天線與國際上最先進的以色列E7000動中通天線和TracStar i450M動中通天線進行了多次對比測試，結果顯示，我國研制生產的0.6米低剖面動中通天線多項性能優于E7000和TracStar i450M動中通天線，跟蹤信標信號的跟蹤方式更適合我國國情。而且，天線完全自主生產，成本較國外同類產品低，具有較強的市場競爭力。

目前項目產品已銷售500多套，直接經濟效益超過4.7億元，在國家重大事件的應急保障活動中發揮了重大作用，經濟效益和社會效益顯著。整體來看，低剖面動中通天線的研制成功打破了國外技術壁壘，促進了天線技術的進步和發展，提高了我國在天線領域的設計、制造水平，提高了市場競爭力。為應急衛星通信提供了小型化、高效率、多頻段的新型天線，滿足了軍民兩用應急通信、實時通信的迫切需求。攻克了“高效率雙極化波導陣列天線”等多項關鍵技術，為小型化移動衛星通信終端的開發應用提供了技術支撐，帶來了小型化移動衛星通信系統的應用熱潮。