可變傾角連續斷面節陣列（VICTS）天線技術初探

可變傾角連續斷面節陣列（VICTS）天線技術初探

1 簡介

連續斷面節陣列CTS技術天線，是在平板波導上連續開貫通的橫向縫并在橫向縫上加枝節實現輻射的天線，采用這種技術的天線具有很高的饋電效率和口徑效率，是高增益天線一個極為重要的方向。CTS天線效率可高達85%，陣列易于實現波束控制，加工成本低，具有廣泛的應用前景。

但這種天線也存在增益隨仰角降低而下降，波束指向算法復雜，非固定方向圖和測試困難等缺點。本文結合美國ThinKom公司生產的車載動中通天線介紹一下該技術在車載中的應用，該天線采用可變傾角連續斷面節陣列技術（VICTS），具有高性價比、超低輪廓、小巧輕便、高頻譜利用率等特點，可以提供運動中的寬帶大數據量話音、數據和視頻通信。

圖1 車載VICTS天線外觀圖

天線的控制采用閉環協同控制算法，具有一健精準對星功能。天線內置功放、天線控制器，內置信標和載波跟蹤接收機，具有信標跟蹤、載波跟蹤或同時跟蹤功能，可以不依賴調制解調器獨立工作。

2 結構

圖2 車載VICTS天線內部圖

該天線采用新穎的二維斷面掃描裝置，收發天線面分離，兩個天線面均為層式同心圓盤結構，裝置由一組簡單的可旋轉同心圓盤組成。從上到下依次為極化控制層；CTS天線層（上層圓盤），靜態的線源激勵層（下層圓盤）。激勵層是帶有連續線性輻射源的一維晶體格柵盤，即激勵源層。通過轉動下層圓盤實現方位面的波束掃描，轉動上層圓盤實現俯仰面的波束掃描，兩層都是通過機械皮輪帶動圓盤轉動，最底層的盤同時起射頻隔離作用。各層間的電波傳播為空氣介質傳導方式，阻抗損耗被降低到最小的程度，因此阻抗效率大幅度提高，由于高阻抗效率和采用巧妙的阻抗掃描損耗的降低方法，采用VICTS技術的天線在獲得相同性能的情況下，比普通的天線所需的天線面積減少了30%到75%，即使在很極端的掃描角度（0°～20°）下也可以較好地工作。天線尋星采用機械掃描和電掃描相結合的方式。

圖3 VICTS天線結構剖面圖

圖4 CTS天線層結構示意圖

3 工作原理

VICTS技術天線采用一整套功能完善的傳感器和電子器件配合一套科學的算法，可使天線在運動和靜止狀態均能精準對準目標衛星。天線可以實現電子掃描和波束動態聚焦，如波束的線性掃描、扇形掃描以及動態聚焦等。結合各層盤面的機械運動，實現方位、俯仰和極化的調整。

采用VICTS技術的天線波束圖與常規拋物面截然不同，該方向圖是非對稱和動態的。該天線的方向圖因仰角、方位角和極化角的不同而不同，天線的主波束是在天線面上是動態移動的，不同的頻率、仰角、方位角和極化角時，天線的主波束也處在天線面的不同位置，見圖5。紅色表示主波束所在位置。因此，該天線的波束圖有無數個，只有固定了頻率、方位角、仰角和極化角時，天線波束圖才是惟一的。采用這一技術的該天線的主波束的功率譜密度（PSD）是可控的，同理旁瓣功率譜密度也是可控的。

圖5 VICTS天線波束圖舉例

拋物面天線波束圖與VICTS天線波束圖的對比。從圖6中可以看出，拋物面天線的副瓣是水紋狀呈現對稱性向四周衰落的；從圖7中可以看出，VICTS天線的副瓣主要分布在主瓣旁呈十字狀分布。這一特性使得天線適用于工作在大極化角狀態，而不會帶來臨星干擾，并且大幅度提高主波束譜密度，因而該技術的使用可以大幅提高衛星頻帶利用率。

圖6 拋物面天線波束圖

圖7 VICTS天線波束圖

天線工作時，首先，GPS定位出天線所在位置的經緯度，根據設置的目標衛星軌道位置，計算出當時接收天線的方位角和仰角和極化角。天線的波束自頂部開始快速掃描，直到天線內的信標接收機在設定的頻率上收到一個窄帶的信號；車輛在運動過程中，結合傾角儀和陀螺儀（慣導）給出的俯仰、航向、橫滾、角速度、加速度等參數，不斷連續校正車體的滾動和傾斜差值，保持天線內的信標接收機在設定的頻率上，收到的窄帶的信號電平保持在一個最佳水平上；之后天線控制系統精確微調天線將接收波束調整到最佳位置，并進行峰值捕獲精準對星。

接收天線對星完成后，發射天線參照接收天線的位置，自動將發射波束對準目標衛星。陀螺儀（慣導）在運動中保持兩個天線面始終處于正確位置。接收天線始終持續檢測信號以保證接收天線面始終處于最佳對星狀態，同時不斷校正因車體運動產生的偏差。初始對星時間不大于30秒，之后的再次對星時間小于1秒。

圖8 VICTS盤面和波束調整示意圖

4 特點

（1）超低高度。天線高度僅11厘米。

（2）全內置。天線的功放、LNB、陀螺和天線控制單元等，完全集成在天線體內部。

（3）收發天線面分開。采用VICTS技術的ThinSat300有收和發兩個天線面，由于使用獨特的設計，省去了TR組件、移相器、波束控制器件等。使天線高度和成本大大降低。易于實現輪廓低，易于與車輛共形、天線體積比傳統的電子掃描相控陣小，對于給定的GT值，該天線只有傳統的拋物面天線的口徑尺寸25%到40%。VICTS技術適用于X波段、Ka波段以及W、Q等多個波段。

（4）高頻譜利用率。由于VICTS技術獨特的旁瓣特性，使用VICTS技術的天線可以采用高譜密度的調制方式和高編碼率，如5/6、7/8甚至更高。例如：常規車載低輪廓天線采用1/2 BPSK，傳輸的信息速率為2.048Mb/s時，占用衛星頻寬約為5.2MHz；而采用本天線，可以使用7/8 QPSK的編碼調方式，占用衛星頻寬僅為1.67MHz。可見傳輸同樣的信息速率，大大節省衛星帶寬。

（5）極低鄰星干擾。VICTS技術因其獨特的天線波束特性，天線的旁瓣低，可以達到-20dB以下。圖9中虛線表示衛星軌道，可見該天線只有主波束在目標衛星的軌道弧線上，目標衛星的軌道弧上幾乎沒有旁瓣，因此不會帶來鄰星干擾。

圖9 VICTS天線波束圖與衛星軌道示意圖

（6）簡單直觀的操作界面

圖10 操作界面圖

（7）系統造價低，性價比高。采用VICTS技術天線集成的衛星車系統，能有效提高車輛通過性能，同時系統總造價大大降低。衛星信道占用少，節省衛星信道租用費；天線重量輕安裝簡單，體積小，車輛負荷低，車改費用大幅度降低；天線耗電低，節省供電設備費用和耗電量。

（8）應用領域。該天線在車載領域的應用暫露頭角，正在逐步得到用戶的接受和認可；船載應用與常規天線應用一樣。機載應用將顯現出更大的優越性：收發分開的布局方式，使安裝更加靈活方便。低高度可以極大地降低氣動風阻，便于與飛行器進行整體設計；重量輕可提高飛行器的有效載荷。

（趙立和/華建威科技股份有限公司）