機載低剖面衛通天線的發展與未來

鄒火兒，韓國棟

(中國電子科技集團公司第五十四研究所， 石家莊050081)

0 引言

隨著電子信息技術的發展，衛星通信終端的天線技術也有了長足的進步。針對機載的高機動平臺，衛星通信設備可在飛機運動中實現寬帶衛星通信，傳輸視頻信息、音頻信息、數字信息等功能，這也對天線提出了更高的要求。實現機載衛星通信的天線技術有多種形式，如:拋物面天線、平板陣列天線和相控陣天線等［1-5］。

本文首先針對機載平臺的衛星通信天線進行了分類梳理，并指出了不同天線形式的優缺點;隨后對國內外在機載低剖面衛星通信天線方面的研究現狀進行了回顧，并著重介紹了國內在這一方面開展的研究工作;最后，針對未來機載衛通天線的發展趨勢進行了展望，提出了將來要突破的關鍵技術。

1 機載衛通天線的分類

20多年來，機載衛通天線已經從拋物面天線發展到低輪廓天線。目前，從技術層面看，機載衛星通信天線主要有以下幾種基本類型，分別是:反射面天線、介質透鏡天線、陣列天線、相控陣天線等，這也是動中通天線技術發展的基本歷程。這幾種天線各有自己的特點，都有自己的應用范圍，用戶可根據衛星天線的使用環境、承載的方式、地理位置、主要業務和預算等情況，綜合來進行選擇。

機載衛星通信天線常用的形式有小口徑反射面天線、介質透鏡陣列天線、平面陣列天線或多組陣列天線以及相控陣天線。各種形式天線在性能上各有優劣，根據載體的安裝要求和衛星系統的使用要求，選用不同的天線形式。

1)傳統口徑反射面和賦形反射面天線

傳統拋物面天線用作動中通天線時，需要將輪廓降低，才能更好地發揮其優良的作用，如大軸比橢圓波束天線等。在工作時，其姿態調整采用機械式，這類天線的典型代表是美國的TracStar天線等。其特點表現在:

優點:增益高、帶寬高。

弱點:普通反射面體積和重量大，安裝不方便。

2)介質透鏡以及陣列天線

介質透鏡天線采用饋源機械掃描的方式，具有良好的電氣性能，并且可以實現多波束、多頻段共用等性能。其關鍵技術有:介質材料特性的控制，饋源的收發共用、極化調整等功能的實現，天線跟蹤的實現，該天線可方便形成多波束。

其特點主要在于:

優點:易實現多頻段、寬頻帶、多波束。

弱點:插損大，陣列控制實現較難。

3)平面陣列天線

平面陣列天線分為一片與多片形式，采用機械掃描方式，其特點表現在:

優點:安裝相對簡單，搜索、鎖星時間短。

弱點:天線口徑效率低，增益不高，帶寬也不高(比同口徑拋物面天線要低得多)。

4)相控陣天線

相控陣天線以一維有源體制為主，在衛通領域，兩維陣列的使用范圍相對較小，其姿態調整采用電調式，其特點表現在:

優點:體積小、重量輕、安裝簡單。

弱點:天線有效口徑低，增益低，帶寬窄，成本高。

從保障通信的高可靠性和高可用度出發，在選擇動中通天線類型時，首先考慮采用高增益、高性能的天線形式，而不能拘泥于其外形結構。如果對于特殊應用平臺，如機載、艦載等需要與載體共形時，則要考慮采用相控陣體制。

2 機載衛通天線的研究現狀

2.1 國外機載衛通天線的研究現狀

國外對機載衛星通信天線的研究取得了非常大的進展，一些新穎、高性能的產品也得以應用。主要的產品包括反射面天線、介質透鏡天線、平面陣列天線(單片或多組片天線)以及相控陣天線(包括一維、二維以及共形陣等)。而研制該系列產品的公司也相當多，其中，以色列、歐洲、美國、日本以及韓國等較為出色［6-7］。

以美國TracStar公司的等效口徑0.45 m的IMVS450M產品為代表(如圖1所示)，是專為車載或者車載衛通系統而設計的寬帶、高速率衛星通信產品。該產品具備俯仰波束掃描、低高度特點。但其饋源結構復雜。增益接收≥31.5 dBi，發射EIRP＞44.5 dBW，重量＜75 kg。

圖1 美國TracStar公司的IMVS450M天線系統

在2004年，美國空軍實驗室研制的介質透鏡陣列，如圖2所示，工作在Ka和EHF頻段，雙圓極化。在頻率為20 GHz時，增益為35 dBi;在頻率為44 GHz時，增益為41 dBi，掃描范圍為80°。

圖2 介質透鏡陣列

Mijet系列天線是以色列公司Starling-com的產品(如圖3所示)，是Ku頻段平板動中通天線。Starlingcom公司最初生產的空載動中通衛星通信天線，具有輪廓低、增益高、性能好等特點。該系統采用寬帶天線單元，多天線子陣合成技術，極化自動實時跟蹤，代表了合成天線的最高水平。

圖3 Mijet天線在機身上的位置與內部結構

近年來，Starling-com推出兩款飛機上使用的Ku頻段平板動中通天線StarCar，分別為MijetLite和MiniMijet，其外形及內部結構如圖4所示。

圖4 StarCar機載平板天線-MijetLite

EL/K 1891機載動中通天線是以色列航空工業集團公司的產品，被使用在阿帕奇直升機上，提供X/Ku頻段動中通衛星通信，天線采用波導縫隙結構，收發單元為70個～80個。提供低速率數據傳輸。內部結構如圖5所示，天線為二維機掃。

圖5 EL/K1891機載相控陣動中通天線

EMS公司主要從事軍事陸航衛星通信方面天線以及系統的研發工作，其產品類型多為平板縫隙陣列、波導縫隙陣列等，如圖6所示，其高增益天線產品主要有AMT-3800和AMT-3500，以及部分無源相控陣產品。

圖6 K/Ka平板裂縫天線

美國的Kymeta公司與國際海事衛星組織合作于2013年4月新推出了一款基于超材料的Ka頻段相控陣天線，如圖7和圖8所示。天線剖面極低，其中應用的超材料可以實現無移相器的電子波束掃描，因此，可以與機身共形，高度低于50 mm。在該天線中采用了可重構結合超材料表面的天線技術(MSA-T)，能夠實現寬波束掃描。設計的天線具備相控陣天線的波束掃描性能，但無需移相器以及相關的放大器及其他元器件。

圖7 基于超材料的天線Ka頻段相控陣天線

圖8 在機背上安裝Kymeta天線的示意圖

2007年1月，美國諾斯羅普·格魯門公司為首顆先進EHF頻段軍事衛星通信載荷開發的上行鏈路和下行鏈路相控陣天線已經安裝到了首個飛行結構上，天線性能(與其他基本載荷組件一道)通過檢驗，如圖9所示。2013年5月23日，諾·格公司成功完成了一次EHF衛星通信天線的實際通信驗證，證實了為B-2隱身轟炸機研制的這種新型有源相控陣(AESA)共形EHF衛星通信天線能夠與美國空軍在軌的先進極高頻通信衛星進行通信。該新型天線能支持戰略和戰術任務，其創新的無透波罩設計使之能夠在不影響B-2飛機主要作戰性能的情況下，為該機帶來新的通信能力。

圖9 新型先進EHF天線發射陣列的測試

2.2 國內機載衛通天線的研究現狀

目前，國內對機載低輪廓動中通天線的研究取得了長足進展，一些新穎、高性能的產品也得以推廣。

模仿TracStar公司IMVS450M型天線研制了一款柱面動中通天線，高度為30 cm，重量為75 kg，等效口徑為0.45 m，采用INS慣導模塊、GPS和AGC電平進行跟蹤。

2010年至今，國內形成了多種等效口徑的衛星通信平板陣列系列化產品，擁有多項自主知識產權。

其中，Ku頻段平板動中通天線CM60，如圖10所示，實現天饋一體化設計，收發增益≥36 dB，G/T值≥13 dB/K，采用二維機掃，方位0°～360°無限位，俯仰掃描0°～90°。雙線極化，電子自動極化調整技術，交叉極化≥30 dB，其綜合指標在國內屬于領先地位。

圖10 Ku頻段平板動中通天線CM60

此外，機載波導平板陣列天線在各個平臺上得到了廣泛應用，如圖11所示。

圖11 機載波導陣列天線

Ku頻段動中通天線為多組片雙極化波導縫隙陣，片間采用相位補償，電子極化調整，二維機掃，增益為接收36.4 dB，發射37.7 dB，G/T值為14 dB/K，重量為50 kg，功耗為450 W。

圖12 Ku頻段動中通天線產品

準確地說，以上這些天線都是平板陣列天線，未實現波束電子掃描。基于電子波束掃描的一維或者二維動中通天線技術，國內還沒有較為成熟的產品出現。

3 機載衛通天線的發展方向

通過對各種形式用于移動載體的衛星移動通信低輪廓天線分析研究可知，反射面天線、平面陣列及相控陣天線等，都各具優缺點，可根據性能指標和載體的要求，選用合適的天線形式。對此，美國通用動力衛星通信技術公司的首席技術官湯姆·施羅耶認為，在未來市場的一段時間內，反射面天線仍將是高速率傳輸動中通產品的主流。該公司曾經研發過相控陣天線，并進行過內部測試，在天線波束掃描時，增益下降較為嚴重，在低仰角內只能支持較低的數據率，對于軍事用戶來講有可能達不到他們的需求。

目前，開發多用途天線、增加天線帶寬、縮小天線直徑、使用新材料、向已有截面集成天線以及減少目標特征等已成為業界發展的目標，并且國內外許多學者也已經著手在這些方面開展了研究［8-9］。所以，動中通天線未來應該朝著高性能(相控掃描跟蹤)、易共形(低輪廓)、模塊化、集成化等方向發展，如圖13所示。

圖13 機載衛通天線的發展方向

從天線技術角度出發，動中通天線的發展趨勢主要有以下幾個方面:

1)研制更寬頻段天線。隨著機載平臺的要求越來越高，機體上要求安裝的天線形式越來越多，如雷達、遙控、電子戰、導航、通信等多頻段多天線的布局形式，必須要求工作頻率范圍越來越寬，以減少天線種類，為此，必須研制更寬頻段的天線，即超寬帶天線。

2)向Ka、EHF等高頻段天線發展。伴隨著Ka頻段同步衛星的發射，今后衛星地面移動通信業務將逐步向Ka頻段推進。由于Ka頻段頻率與目前普遍使用的動中通頻率相比高出了許多。大量現有的成熟技術無法應用到Ka頻段的天線上。因此，需要進行大量的研究工作，主要集中在天線形式和微波網絡器件的研究。同時，隨著國內衛星技術的發展，對AEHF星的發射，利用其進行軍事通信提高數據傳輸能力和信息保密能力，也是未來技術發展的重點之一。

3)向共形相控陣天線方向發展。需在以下關鍵技術方面有所突破和發展。主要包括:共形相控陣天線單元，用以克服平面相控陣低仰角增益變差的不足;移相器技術，RF-MEMS技術、壓控電介質技術和光電子技術的發展為實現高性能的相控陣天線奠定基礎;數字化電路技術，用全數字的T/R模塊代替模擬T/R模塊，既可以方便地產生各種波束，又可靈活對天線陣列進行幅相加權，從而簡化了系統結構，實現天線的小型化。

4)新材料和新工藝技術。隨著共形天線技術的發展，對天線的隱身效果要求越來越高，傳統的制作工藝技術已不能滿足通信性能、隱身性能、機械結構強度和小型化等多個指標的要求，而以石墨烯為代表的輕型、高傳導率的新型材料的崛起為共形天線的發展帶來了曙光，同時也為與有源相控陣天線技術有關的小型化射頻電路、高速場效應管的發展提供了契機。與新材料的崛起相對應的新工藝技術也隨之發展。先進的微波集成工藝可大幅度地降低共形相控陣的體積和質量，加速發展天線系統微組裝及微波集成工藝，這不僅可以推動共形相控陣的發展，對于推動整個衛通設備的微小型化、輕量化及集成化均有重大的作用。為從根本上提高相控陣的效率，需突破磷化銦、氮化鎵、石墨烯等器件的工藝難關，以填補這一技術空白。

4 結束語

現階段，機載衛通天線主要以賦形反射面天線和平板陣列天線為主。結合機械掃描方式對衛星進行跟蹤，能滿足大部分的技術需求。總的來說，共形相控陣是目前以及未來研究的熱點之一，有著誘人的前景，其優越性在于體積小、重量輕、輪廓低，靈活、優化地使用波束，減少干擾和被干擾的機會，提高了頻率的利用率，改善了系統性能。隨著技術水平的不斷提高，成本不斷降低，應用面也會大大提高。

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