转自：2010年卫星通信学会年会论文集

平面自跟踪天线技术在“动中通”卫星通信中的应用

李红

航天长征火箭技术有限公司

摘要： “动中通”卫星通信是军事卫星通信和突发公共事件、灾害应急通信中无可取代的通信方式，在“动中通”卫星通信系统中，能够收发射频信号通过卫星信道实现数据、音频、视频等信息的远距离传输主要依赖于系统的核心设备——“动中通”卫星通信天线。平面自跟踪天线技术应用于Ku频段“动中通”卫星通信系统，大大提高了天线设备性能和“动中通”卫星通信系统的总体通信效果，本文通过分析“动中通”卫星通信系统在军事卫星通信领域的使用需求，以我国xx自主知识产权研制的YW10-22型Ku频段动中通天线为例，介绍了平面自跟踪天线技术在“动中通”卫星通信系统中的应用。

关键词：  平面自跟踪天线 平面阵列 单通道单脉冲 “动中通”卫星通信

1 引言

随着我国通信、导航、遥控、遥测和遥感等各方面技术的飞跃突破，应用于卫星通信的天线技术也不断进步，我国从事微波技术与天线设计的专业技术人员在电磁波导行与辐射传输工程领域积累了丰富的技术经验，为充分满足我国xx、电信、公安、电力、水力、气象、地震等领域的应急卫星通信使用需求，“动中通”卫星通信系统的应用和发展十分迅速。天线是这一系统中最为关键的设备，具有低剖面、高增益的平面阵列形式的高频段“动中通”卫星通信天线产品更好地满足了应急通信需求。本文仅就平面自跟踪天线技术在“动中通”卫星通信系统中的应用作简要叙述。

2 军事领域的“动中通”卫星通信系统使用需求对天线的要求

 “动中通”天线技术是战场信息传输系统中的主要实现技术。在信息化浪潮席卷全球的时代，战争形态正朝着信息化方向发展，信息化战争形态决定了数字化战场形态的到来。数字化战场的本质特征是提供战场实时态势感知，为作战xx和各种武器平台提供战场共享画面，为战役和战术行动提供依据。这种本质特征决定了未来的数字化战场要求参战的xx必须具有高度的机动能力，做到对瞬息万变的战场态势做出快速反应；要求信息传输设备不仅能迅速架设、运作，还要能实现xx在运动作战的过程中，提供充分的信息支援，即实现“动中通”。

随着数字化战场建设的发展，对“动中通”的要求将越来越高：一是机动性更高，快速反应能力更强；二是信息传输容量更大；三是对恶劣战争环境的适应能力更强。为满足“动中通”卫星通信系统在数字化战场上的使用需求，采用Ku频段及更高频段的射频传输设备势在必行。而“动中通”卫星通信系统中，天线是非常关键的部件，因此要求“动中通”卫星天线必须是强方向性的和高增益性的、具有较低剖面、设备体积小易于隐蔽、可实现天线波束对方向的自动跟踪、在低仰角下仍保持通信。

3  平面自跟踪天线技术在“动中通”系统中的应用

平面自跟踪天线技术应用于Ku频段“动中通”卫星通信系统，大大提高了天线设备性能和“动中通”卫星通信系统的总体通信效果。采用宽频带阵列技术的天线辐射阵元组成的天线，可以在有效降低天线剖面尺寸的同时保证天线具有更好的辐射效率和方向图特性；可以减小天线系统的整体尺寸和重量，更易于安装在车辆和飞机等移动载体上，适合于移动通信。

3.1 平面自跟踪天线技术简介

平面自跟踪天线技术（Planar Auto-tracking Antenna Technology）是一种区别于抛物反射面天线形式，采用在二维平面上按一定规律排列天线辐射单元和馈电电路的阵列天线形式；在天线波束对星指向跟踪上采用单通道单脉冲自跟踪的天线技术。

©  平面阵列天线技术

在Ku频段“动中通”卫星通信天线设计上所采用的平面阵列天线技术主要是指，将一定数量的辐射单元在二维平面上按一定的空间位置关系排列，并通过控制单元的馈电相位和幅度，在空间中某一方向形成定向波束的天线技术。平面阵列天线技术的主要特点是可以实现高增益，并可以灵活的控制波束形状和副瓣电平等天线方向图指标。

平面阵列天线技术主要采用等间距阵列和不等间距阵列两类阵元排布方式。其中由于等间距阵列天线形式中馈电网络排布简便，因此等间距阵列技术较为常用。不等间距阵列技术主要应用于密度加权阵列、希布阵列。

等间距阵列按照排布方式也分为矩形栅格阵列，三角栅格阵列等。三角栅格阵列技术一般应用在相控阵天线设计中以减少T/R组件数量，缩小单元间距，而“动中通”系统中一般采用矩形栅格阵列技术，为了方便馈电网络排布。

©  天线自跟踪技术

目前采用的天线自跟踪技术包括：陀螺及惯导组合跟踪、极大值跟踪、圆锥扫描跟踪及单脉冲跟踪的方式。

陀螺惯导跟踪依托高精度陀螺和惯性导航组合技术，驱动天线保持波束指向卫星。跟踪精度取决于陀螺和惯导的精度，与天线本身的信号无关；

极大值跟踪方式需要获得天线接收信号的强度值，根据信号的强弱驱动天线指向信号{zd0}的方向，在天线具有较宽的波束宽度时跟踪效果较好；

圆锥扫描跟踪方式，需要将天线的副反射面或馈源做极小的偏轴，形成圆锥形旋转，产生差值信号，并在不同的旋转位置进行采样，获取跟踪参数完成跟踪。天线在工作时副面或馈源必须不停顿的转动，使系统稳定性下降，且只能适用于反射面天线。

单脉冲跟踪需要天线系统形成合差信号，利用天线指向误差造成合差信号相位误差的原理，使用单脉调制通过跟踪接收机检测误差信号，根据误差信号驱动天线完成跟踪。是目前{zxj}、最稳定的跟踪方式。

3.2 国产YW10-22型Ku频段动中通天线系统技术特色

©  低轮廓收发共面

天线系统结构设计为方位长、俯仰短的形式，在保证天线面积的前提下{zd0}限度的降低了天线高度。采用宽频带阵列设计方案，使天线的工作频率覆盖Ku波段的发射和接收两个频段。所有阵列单元排布在同一块天线板上，避免了不同天线发射面板和天线接收面板之间在俯仰角度上的相互遮挡的问题，使天线在低俯仰角度下也可以工作，提高天线的随动性。

©  高效率、低旁瓣

天线效率高，在同样的增益参量水平上天线可以体积更小、重量更轻和更易于安装于移动载体；天线低的旁瓣特性，可以允许天线使用更大功率发射信号的并在天线移动过程中避免临星干扰。

©  单通道单脉冲自跟踪

应用于Ku频段“动中通”卫星天线的单脉冲自跟踪技术，是通过闭环跟踪方式，从一个脉冲中获得和、差射频信号，确定天线波束指向与卫星之间的位置关系，驱动波束指向随天线自身运动而运动，使天线波束指向持续地对准卫星的跟踪技术。单脉冲自跟踪技术具有实时性好、跟踪速度快和跟踪精度高的优点。

“动中通”卫星通信天线会在载体移动过程中时刻发生姿态和位置变化，单脉冲自跟踪技术可以使天线在工作过程中不断修正波束指向，稳定地对准卫星，确保通信在载体移动过程中不会间断。

©  高隔离度极化跟踪  

采用具有专利技术的极化器，不仅可以实现极化自动跟踪，也可以有效抑制极化之间的相互干扰，更好的提高提高天线信噪比，确保更高的传输精度；提高通信信道的频率利用率，使信道获得更宽的利用频率，信息传输容量大。

©  0-90°俯仰角内稳定工作 

天线在0-90°俯仰角范围内可工作并具有均衡而稳定的预期方向图特性，即使天线水平位置随载体移动而发生倾斜或通信中遇到车辆行进在坡面路段，仍可以维持通信的不间断性。

4 结束语

“动中通”卫星通信天线系统的核心设备是天线，平面自跟踪天线技术在“动中通”卫星天线系统中的应用已经使那些安装了不超过30cm高度的低轮廓卫星天线的车辆灵活地穿越各种复杂路面环境并通畅地实时传递音视频信息。

参考文献

[1]       殷际杰编著. 微波技术与天线——电磁波导行与辐射工程. 北京：电子工业出版社，2009.

[2]       张更新，等. 卫星移动通信系统. 北京：人民邮电出版社，2001.

[3]       张凤林，丁晓磊，刘昊，孙向珍，刘玉杰. 1～12GHz单通道单脉冲跟踪天线. 电波科学学报，2009

[4]       张海磊，张凤林.平面阵列天线中的馈电设计. 北京：七〇四所内部资料，2008.

[5]       杨郁林. 动中通系统中平板阵列天线的应用，南京：中国卫星应用大会2009.

[6]       秦宜学，等编著. 数字化战场. 北京：国防工业出版社，2004.

[7]       John D. Kraus, Ronald J. Marhefka, Antennas: For All Applications Third Edition. 章文勋译.北京：电子工业出版社，2004.