摘要：本文介紹了一種用於Ku頻段衛星通信的雙線極化天線饋源陣列，該饋源陣列可應用於單反射面或雙反射面的衛星通信天線中，實現對通信衛星的小角度、高速、高精度電子波束掃描和跟蹤，降低衛星天線對機械伺服結構精度和動態跟蹤的要求，從而大幅降低伺服系統成本，拓展動中通衛星天線在民用領域的應用。
關鍵詞：饋源陣列；動中通；微帶天線
1引言
星地動中通天線系統滿足了用戶透過衛星在動態移動中傳輸寬帶數據資訊的需求，使車輛、輪船、飛機等移動載體在運動過程中可實時跟蹤衛星，不間斷傳送語音、數據、圖像等資訊[1][2]。目前，動中通天線主要用Ku頻段與固定軌道衛星進行通信[3]，需同時覆蓋上行/下行頻段，其中上行頻段爲13.75-14.5GHz，下行頻段10.95-11.75GHz、12.25-12.75GHz，上行和下行頻段爲雙正交的線極化。爲保證衛星與地面移動設備間的流暢通信，動中通天線要實時指向通信衛星，同時爲避免天線發射時對鄰近衛星的干擾，移動設備在運動中天線的跟蹤誤差要小於0.1°，並且饋源也要進行旋轉跟蹤，接收和發射間的極化隔離度要大於30dB[4][5]。國內外已有多家企業推出了動中通天線產品，如以色列RaySat公司的多組片天線、美國TracStar的IMVS450M產品等[6]。爲滿足天線對衛星的高精度實時跟蹤對準的要求，上述動中通天線中均包含有自動跟蹤系統，在初始靜態情況下，由GPS、經緯儀、捷聯慣導系統測量出航向角、載體所在位置的經度和緯度及相對水平面的初始角，然後根據其姿態及地理位置、衛星經度自動確定以水平面爲基準的天線仰角，在保持仰角對水平面不變的前提下轉動方位，並以信號極大值方式自動對準衛星。在載體運動過程中，測量出載體姿態的變化，透過數學運算變換爲天線的誤差角，透過伺服機構調整天線方位角、俯仰角、極化角，保證載體在變化過程中天線對星保持在規定範圍內，使衛星發射天線在載體運動中實時跟蹤地球同步衛星。高精度的伺服系統始終是傳統動中通天線系統的關鍵部分。通常情況下，由於動中通天線具有較大的口徑（一般約爲0.8~1.2m）及重量，造成了高精度伺服系統具有較高的成本。目前，應用於動中通天線的高精度伺服系統成本動輒數萬、甚至超過十萬，佔整個動中通天線系統成本的很大部分，限制了動中通衛星天線在民用領域的廣泛應用[5]。
2雙線極化天線饋源陣列
爲了克服現有的動中通天線跟蹤伺服系統所需精度高、成本高等缺點，我們開發了一種雙線極化天線饋源陣列，可應用於單反射式或卡塞格倫式衛星通信天線中，結合後端的多通道數字波束形成（DigitalBeamForming，DBF）技術實現天線系統的機電融合跟蹤，最終透過“大角度低精度機械跟蹤”與“小角度多通道DBF精確跟蹤”相結合，在實現天線系統對衛星的高精度跟蹤對準的同時，降低對伺服系統的精度要求，從而降低伺服系統的成本。此饋源陣列爲中心對稱式結構，陣列的中心放置在單反射式或卡塞格倫式天線的焦點處，當對陣列中不同單元進行饋電時天線將輻射不同指向的高增益波束，此時再結合後端的高精度DBF技術可實現小角度範圍內高精度的波束指向控制。饋源陣列採用基於微帶印刷電路板的“法布里-帕羅”天線形式，陣列由三層結構組成，其中底層爲帶金屬地板的微帶反射板，中間層爲微帶形式的天線結構，頂層爲一塊起增強定向性作用的純介質板。
2.1底層結構
饋源陣列的底層爲一側附銅並開有8個饋電孔的介質板，SSMA以及空心銅柱透過饋電孔焊接在底層介質板上，發射天線饋口和接收天線饋口分別有4個饋電孔。圖2爲底層電路板結構示意圖。
2.2頂層結構
頂層介質板是將覆銅板全部刻蝕掉的介質板，構成了“法布里-帕羅”的上層結構。圖3爲頂層電路板結構示意圖。
2.3中間層結構
中間層電路板兩側分別刻蝕了發射天線、接收天線及其附屬饋電線路，其中，爲焊接方便，焊盤均在一側。爲隔絕表面波對天線方向圖的影響，天線陣列由格狀金屬條帶分割，電路板兩側均有金屬條帶，並由金屬化通孔相互導通。圖4爲中間層電路板結構示意圖。中間層電路板上的微帶陣列單元採用一對交叉的金屬偶極子結構分別實現收/發的功能，兩金屬偶極子分別印刷於中間層微帶介質板的正面與背面，分別工作於收/發（下行/上行）頻段，並且交叉偶極子結構可對應實現收/發所要求的兩正交線極化。陣列單元透過同軸底饋的方式實現饋電，其中偶極子的兩臂分別與同軸接口的內芯以及外壁透過一段印刷細導線相連，這裏採用細導線以減小饋電結構對收/發間隔離的影響。爲進一步減小饋電結構對收/發間隔離所帶來的影響，在設計中將同一位置處的兩偶極子結構透過一段印刷細導線相連，透過其長度、粗細等參數可利用合適的對消手段來實現收/發之間的高隔離。透過在陣列單元周圍引入一圈密集的金屬化通孔結構，並且在電路板上設計金屬附加結構以隔離介質中的表面波，從而降低陣列單元間的互耦。
2.4饋源陣列的裝配
饋源陣列的三層電路板由數個尼龍螺柱進行固定，圖5是饋源陣列的立體分解及整體裝配示意圖。在饋源陣列結構中，透過調節金屬偶極子的'臂長，可調節天線的工作頻率。透過調節頂層介質基板與中間層電路板間的距離，可方便地調節輻射增益以適應不同反射面尺寸及焦距的需求。
3仿真及實測效果
饋源陣列的端口1、端口3、端口5、端口7爲接收端口，端口2、端口4、端口6、端口8爲發射端口。圖6是饋源陣列的仿真和測試回波損耗結果圖。由圖6可見，接收端口和發射端口回波分別在12.25-12.75GHz和13.75-14.5GHz範圍內小於-10dB，達到了良好匹配。圖7是饋源陣列在工作頻點12.5GHz的仿真及實測接收方向圖。由圖7可見，工作於12.5GHz時，天線在天頂方向的增益爲15dB，副瓣比主瓣低10dB（仿真）/18dB（實測）。圖8是饋源陣列在工作頻點14.1GHz的仿真及實測發射方向圖。由圖8可見，工作於14.1GHz時，天線在天頂方向的增益爲15dB，副瓣比主瓣低11dB（仿真）/10dB（實測）。
4結束語
本饋源陣列採用微帶印刷電路板結構，簡單緊湊、工藝成熟、加工簡單、成本較低且適用於大規模生產。相比於傳統的波導口、波導喇叭等饋源結構，可在較小的面積內實現多個單元以及收/發通道，從而利於實現更高精度的波束指向控制。同時，饋源陣列採用的對消技術可在天線結構端實現同一位置處接收/發射通道之間30dB的隔離度，減輕了後端器件的壓力。從實際應用來看，天線饋源陣列與主反射面配合，實現了動中通衛星天線對Ku頻段通信衛星的小角度、高速、高精度電子波束掃描和跟蹤。採用這種技術，大幅降低了天線對伺服系統精度和動態反應速度的要求，把伺服系統的成本降低了一個數量級，有助於推動衛星天線在天地一體化通信中的規模應用。
參考文獻
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[3]MiuraA.，Yamamotos，Huan-bangLi，-BandAeronauticalSatelliteCommunicationsExperimentsUsingCOMETS[J]hicularTechnology，2002，51（5）：1153-1164.
[4]劉昌華.移動載體衛星通信系統天線跟蹤技術的研究[碩士學位論文].西安電子科技大學，2009，3-4.
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[6]阮曉剛，汪宏武.動中通衛星天線技術及產品的應用[J].衛星與網絡，2006，3：34-37.