某型船載移動(dòng)站天線伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真

【摘要】天線伺服系統(tǒng)是某型船載移動(dòng)站的關(guān)鍵分系統(tǒng)之一，負(fù)責(zé)為船載移動(dòng)站提供信號(hào)來源，其性能好壞直接關(guān)系到微波鏈路能否可靠傳輸；講述了船載移動(dòng)站組成及工作原理，設(shè)計(jì)了移動(dòng)站的天線及伺服結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)的L波段定向天線和UHF波段全向天線達(dá)到了系統(tǒng)指標(biāo)要求。

【關(guān)鍵詞】天線伺服系統(tǒng)移動(dòng)站仿真

一、引言

自赫茲和馬可尼發(fā)明了天線以來，天線在社會(huì)生活中的重要性與日俱增，如今已成不可或缺之勢(shì)。伺服系統(tǒng)是用來控制天線位置的，可以在限定的區(qū)域內(nèi)保證對(duì)目標(biāo)的及時(shí)捕獲和較高精度的跟蹤，從而保證數(shù)據(jù)鏈路的暢通，以及時(shí)對(duì)目標(biāo)的角度測(cè)量。

某型船載移動(dòng)站擔(dān)負(fù)與岸上空中設(shè)備進(jìn)行跨海微波傳輸任務(wù)，其天線伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要符合海面遠(yuǎn)距離傳輸要求，能夠自動(dòng)跟蹤空中目標(biāo)，為海面船只與地面基站溝通建立無線信道。

二、船載移動(dòng)站組成及工作原理

船載移動(dòng)站設(shè)備由L定向天線組合、UHF全向天線、GPS接收機(jī)、UHF射頻前端、L射頻前端和數(shù)據(jù)終端、數(shù)據(jù)復(fù)分接器、IP加速器組成。數(shù)據(jù)終端主要由監(jiān)控、收發(fā)終端、數(shù)據(jù)處理、電源變換等組成。設(shè)備組成如圖1所示。

L波段定向天線接收到下行信號(hào)，經(jīng)L射頻前端進(jìn)行低噪聲放大、濾波后送接收機(jī)進(jìn)行變頻，中頻放大后送終端解調(diào)，輸出數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元將數(shù)據(jù)解幀后通過數(shù)據(jù)復(fù)分接器提取本地?cái)?shù)據(jù)分發(fā)出去。L波段上行信號(hào)由數(shù)據(jù)復(fù)分接器接入各路用戶數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理單元中組成信道幀送終端，再經(jīng)調(diào)制、上變頻送給L射頻前端，在射頻前端中經(jīng)功率放大通過定向天線發(fā)送出去。同時(shí)，數(shù)據(jù)處理單元接收本站監(jiān)控送入的回報(bào)數(shù)據(jù)復(fù)接入上行數(shù)據(jù)，統(tǒng)一組幀后通過上行鏈路傳送目標(biāo)單元。UHF波段全向天線接收同步/控制信道信號(hào)，經(jīng)UHF射頻前端進(jìn)行低噪聲放大、濾波后送UHF波段接收機(jī)進(jìn)行變頻，中頻放大后送終端解調(diào)，輸出數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)目標(biāo)號(hào)提取本地鏈路控制指令，送入本站監(jiān)控。數(shù)據(jù)處理單元可以在遠(yuǎn)控模式下完成對(duì)本地設(shè)備工作狀態(tài)的控制。同時(shí)，數(shù)據(jù)處理單元也可以接收本站監(jiān)控的指令在本控模式下完成對(duì)本地設(shè)備工作狀態(tài)的控制。

三、天線伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

3.1天線設(shè)計(jì)及仿真

UHF波段天線用于移動(dòng)站同步控制信道信號(hào)的接收，由于系統(tǒng)要求碼速率較低，故采用左旋圓極化全向天線形式設(shè)計(jì)，天線結(jié)構(gòu)如圖2所示。

對(duì)UHF波段全向天線增益、駐波、軸比、方向圖的仿真結(jié)果分別如圖3～圖7所示，從仿真結(jié)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(dǎo)電平面上的螺旋天線陣列的方向性函數(shù)為式中，為螺旋自由空間的方向性函數(shù)。軸向模螺旋天線的方向性函數(shù)可以用單圈的方向性函數(shù)乘以行波天線陣因子函數(shù)求得。

軸向模螺旋天線的軸比只和螺旋圈數(shù)有關(guān)，且圈數(shù)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(shè)計(jì)要求。

3.2天線座和伺服控制組合設(shè)計(jì)

天線座采用方位轉(zhuǎn)臺(tái)型，分程序跟蹤與手動(dòng)跟蹤兩種工作模式，方位角為0°～360°無限轉(zhuǎn)動(dòng)，伺服控制分系統(tǒng)接收外部發(fā)送的方位引導(dǎo)數(shù)據(jù)，控制天線轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤，其組成框圖如圖10所示。

3.3定向天線的尋北與數(shù)字引導(dǎo)

要實(shí)現(xiàn)L波段定向天線利用數(shù)字引導(dǎo)的方法與空中設(shè)備天線溝通，首先必須要知道當(dāng)?shù)拇d天線與真北的夾角，如圖11所示。

計(jì)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(tǒng)進(jìn)行方位測(cè)量和定位，GPS天線安裝在定向天線反射面二側(cè)，當(dāng)二個(gè)天線間隔長(zhǎng)度為1m時(shí)，測(cè)角精度可達(dá)0.15°，能夠滿足定向天線數(shù)引跟蹤的要求，計(jì)算船到氣球連線與真北的夾角γ。船載設(shè)備通過同步/控制信道接收空中目標(biāo)GPS的位置，并結(jié)合船載設(shè)備當(dāng)前GPS位置計(jì)算出船到空中目標(biāo)連線與真北的夾角γ；計(jì)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(shè)備根據(jù)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(duì)值送給伺服設(shè)備，伺服設(shè)備驅(qū)動(dòng)定向天線轉(zhuǎn)動(dòng)（β-γ），從而指向空中目標(biāo)。

四、結(jié)束語

根據(jù)系統(tǒng)工作要求，設(shè)計(jì)了船載移動(dòng)站的天線伺服系統(tǒng)，從仿真的結(jié)果來看，天線伺服系統(tǒng)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，很好的滿足了信號(hào)傳輸需求。本文的設(shè)計(jì)方法對(duì)類似跨海微波傳輸系統(tǒng)研究會(huì)有一定的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)

[1]約翰·克勞斯.天線.電子工業(yè)出版社. 2003.

[2]史曉峰，張有光，林國(guó)均.機(jī)械工業(yè)出版社. 2010.

[3] Warren L.Stutzman，Gary A.Thiele.天線理論與設(shè)計(jì)（第2版）. 2006.

[4]馮祖建，張立新，孫紹國(guó).水平極化全向天線的設(shè)計(jì).微波學(xué)報(bào). 2008.

[5]沈越泓，高媛媛，魏以民.通信原理（第2版）. 2008.