某型船載移動站天線伺服系統設計和仿真

【摘要】天線伺服系統是某型船載移動站的關鍵分系統之一，負責為船載移動站提供信號來源，其性能好壞直接關系到微波鏈路能否可靠傳輸；講述了船載移動站組成及工作原理，設計了移動站的天線及伺服結構，仿真結果表明設計的L波段定向天線和UHF波段全向天線達到了系統指標要求。

【關鍵詞】天線伺服系統移動站仿真

一、引言

自赫茲和馬可尼發明了天線以來，天線在社會生活中的重要性與日俱增，如今已成不可或缺之勢。伺服系統是用來控制天線位置的，可以在限定的區域內保證對目標的及時捕獲和較高精度的跟蹤，從而保證數據鏈路的暢通，以及時對目標的角度測量。

某型船載移動站擔負與岸上空中設備進行跨海微波傳輸任務，其天線伺服系統的設計需要符合海面遠距離傳輸要求，能夠自動跟蹤空中目標，為海面船只與地面基站溝通建立無線信道。

二、船載移動站組成及工作原理

船載移動站設備由L定向天線組合、UHF全向天線、GPS接收機、UHF射頻前端、L射頻前端和數據終端、數據復分接器、IP加速器組成。數據終端主要由監控、收發終端、數據處理、電源變換等組成。設備組成如圖1所示。

L波段定向天線接收到下行信號，經L射頻前端進行低噪聲放大、濾波后送接收機進行變頻，中頻放大后送終端解調，輸出數據給數據處理單元。數據處理單元將數據解幀后通過數據復分接器提取本地數據分發出去。L波段上行信號由數據復分接器接入各路用戶數據，在數據處理單元中組成信道幀送終端，再經調制、上變頻送給L射頻前端，在射頻前端中經功率放大通過定向天線發送出去。同時，數據處理單元接收本站監控送入的回報數據復接入上行數據，統一組幀后通過上行鏈路傳送目標單元。UHF波段全向天線接收同步/控制信道信號，經UHF射頻前端進行低噪聲放大、濾波后送UHF波段接收機進行變頻，中頻放大后送終端解調，輸出數據給數據處理單元。數據處理單元根據目標號提取本地鏈路控制指令，送入本站監控。數據處理單元可以在遠控模式下完成對本地設備工作狀態的控制。同時，數據處理單元也可以接收本站監控的指令在本控模式下完成對本地設備工作狀態的控制。

三、天線伺服系統設計與分析

3.1天線設計及仿真

UHF波段天線用于移動站同步控制信道信號的接收，由于系統要求碼速率較低，故采用左旋圓極化全向天線形式設計，天線結構如圖2所示。

對UHF波段全向天線增益、駐波、軸比、方向圖的仿真結果分別如圖3～圖7所示，從仿真結果來看，天線軸比≤1.1：1。

L天線采用六單元螺旋天線的形式，在無限大理想導電平面上的螺旋天線陣列的方向性函數為式中，為螺旋自由空間的方向性函數。軸向模螺旋天線的方向性函數可以用單圈的方向性函數乘以行波天線陣因子函數求得。

軸向模螺旋天線的軸比只和螺旋圈數有關，且圈數越多，軸比越好。1×6陣列仿真方向圖見8、圖9。由圖可見天線俯仰和方位角度符合設計要求。

3.2天線座和伺服控制組合設計

天線座采用方位轉臺型，分程序跟蹤與手動跟蹤兩種工作模式，方位角為0°～360°無限轉動，伺服控制分系統接收外部發送的方位引導數據，控制天線轉動，實現對目標的跟蹤，其組成框圖如圖10所示。

3.3定向天線的尋北與數字引導

要實現L波段定向天線利用數字引導的方法與空中設備天線溝通，首先必須要知道當的船載天線與真北的夾角，如圖11所示。

計算天線反射面與北的夾角θ。船載天線與真北的夾角采用GPS二維定位定向系統進行方位測量和定位，GPS天線安裝在定向天線反射面二側，當二個天線間隔長度為1m時，測角精度可達0.15°，能夠滿足定向天線數引跟蹤的要求，計算船到氣球連線與真北的夾角γ。船載設備通過同步/控制信道接收空中目標GPS的位置，并結合船載設備當前GPS位置計算出船到空中目標連線與真北的夾角γ；計算定向天線指向與真北的夾角β。螺旋陣天線陣指向與天線反射面垂直，所以β=θ+90°。船載設備根據船到氣球連線與真北的夾角γ，定向天線指向與真北的夾角β，將（β-γ）角度差的絕對值送給伺服設備，伺服設備驅動定向天線轉動（β-γ），從而指向空中目標。

四、結束語

根據系統工作要求，設計了船載移動站的天線伺服系統，從仿真的結果來看，天線伺服系統能夠達到設計指標，很好的滿足了信號傳輸需求。本文的設計方法對類似跨海微波傳輸系統研究會有一定的借鑒作用。

參考文獻

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