0.6米低軌星座Ka便攜站天線新型設計*

王 毅，李新華，王新榮，周一飛

（中國空間技術研究院航天恒星科技有限公司，北京 100086）

0 引 言

為滿足家庭用戶、中小企業、手機回程、高速移動等寬帶通信的需求，大容量低軌星座及對應的Ka高通量（HTS）衛星地面應用系統迅猛發展。HTS地面應用系統中的遠端地球通信站——便攜站，得到了發展和大量應用，也因此給便攜站Ka頻段通信天線提出了更高要求，如高性能、小型化、輕便易攜帶、可靠性高等。本文提出一種新型的低軌星座Ka便攜站天線設計方法和模型，采用X-Y座架實現過頂跟蹤，最大限度地保證通信系統的剛度和穩定性。

1 概 述

0.6 米Ka便攜站天線滿足與低軌衛星進行實時跟蹤和通信，采用X-Y座架結構可實現過頂跟蹤。該天線設計最大限度地保證系統的剛度和穩定性，滿足攜行對尺寸、重量要求，滿足邊瓣可拆裝或折疊、體積小、重量輕、增益高、可背負或裝箱拖行的特點。0.6米Ka便攜站天線由天饋子系統、伺服子系統和結構子系統等組成，本文分別對各天線子系統進行了設計[1-2]。

2 天線設計

2.1 天線總體設計

0.6 米Ka便攜站天線結構主要包含天線面板、X軸驅動部分和Y軸驅動部分，如圖1所示。

圖1 天線結構

2.2 天線面板設計

綜合考慮天線射頻性能和天線環境使用要求，0.6米Ka便攜站天線采用環焦拋物面天線面板形式，其中主面采用分瓣形式，如圖2所示[3-4]。

圖2 天線面板設計

使用期間，利用快速卡扣將分瓣面板拼裝在一起，在收藏狀態可實現對面板的快速拆卸，從而減小裝箱的難度，有效減少裝箱的空間，提高整個天線的便攜性。天線面板通過法蘭與Y軸座架連接，能夠實現天線面板隨各個傳動機構的運轉。

2.3 天饋子系統設計

2.3.1 天饋子系統組成

天饋子系統作為天線系統前端設備，為通信信號提供進出地面設備的射頻通路。

2.3.2 天饋子系統指標

0.6 米Ka便攜站天線的天饋分系統的主要指標需求如表1所示。

表1 天饋分系統主要性能指標需求

（1）天線形式及反射面設計

在Ka頻段，f=18.525 GHz時，D/λ≈37，采用環焦天線的形式，綜合分析取副面直徑d=80 mm，實現天線高增益、低旁瓣的特性。在GRASP軟件中建立環焦天線模型[5]，將饋源方向圖導入計算天線增益方向圖[6]，模型及仿真結果如圖3、圖4所示。

圖3 GRASP中環焦天線仿真模型

（2）饋源及饋源網絡設計

饋源形式如圖5所示，選用大張角波紋喇叭方案，具有帶寬寬、等化性好、相位中心穩定的特點?；夭〒p耗仿真結果如圖6所示[7]。

饋源網絡的設計原理：波紋喇叭接收的Ka頻段信號先通過圓極化器使信號完成線圓轉換，再由正交模耦合器分成接收和發射兩個端口；接收端口通過Ka頻段阻發濾波器和Ka頻段低噪聲放大器連接，發射端口通過波導與Ka頻段功率放大器連接。饋源網絡的原理圖和仿真模型如圖7、圖8所示[8]。

圖4 天線在18.525 GHz方向圖

圖5 饋源仿真模型

圖6 饋源回波損耗仿真結果

圖7 饋源網絡原理

圖8 饋源網絡仿真模型

2.3.3 天線射頻性能參數

0.6 米Ka便攜站天線的主要性能指標均能滿足指標要求，如表2所示。

2.4 天線伺服子系統

2.4.1 天線伺服子系統組成及工作原理

天線控制的根本目的是實現對目標的快速捕獲和精確跟蹤，并使之達到系統要求的跟蹤性能和跟蹤精度。

表2 天線性能指標結論

在控制結構上采用典型的位置環、速度環和電流環三環結構，以改善機電結合系統的性能。位置環是保證跟蹤性能的外環；設計速度環是為了提高系統的抗負載擾動能力；設計電流環有利于改善電機的動態特性，克服力矩控制死區和非線性。在控制策略方面，采用多模式位置環路調節，使用不同的控制算法以適應天線在大范圍調轉、快速捕獲目標和精確跟蹤等不同工作狀態的下對伺服系統不同狀態的性能要求?？刂七壿嬤\行于天線控制工控機平臺，完成邏輯綜合、控制和狀態采集上報，大大提高了設備的集成度、可靠性和靈活性[9]。

天線控制子系統主要由天線控制單元（ACU）、天線驅動單元（ADU）（包含極化控制）、伺服電機和安全保護邏輯等組成，原理如圖9所示。

圖9 天線控制系統

2.4.2 天線驅動單元（ADU）

天線驅動單元（ADU）是天線控制子系統的一個重要組成部分，是天線控制的基礎，具備以下功能：

（1）完成天線伺服驅動電信號的功率放大；

（2）完成電流、速度環控制，改善被控制對象特性；（3）完成天線安全運行所需的控制和保護；（4）接受天線控制單元（ACU）遠控響應其指令，完成對應操作。

實際上，天線驅動單元是X軸、Y軸兩個獨立轉動軸的轉速、電流雙閉環調速系統。X、Y軸均設置有抱閘裝置，在天線設備進行維護。長時間停止工作的時候，可控制天線轉到收藏位置，啟動抱閘器實施加鎖動作，以保護人身、設備的安全。

2.4.3 天線控制單元（ACU）

天線ACU的工作方式有待機、指向、數字引導和收藏等，均可工作于分控和本控模式。ACU需完成以下主要功能：

（1）天線各種工作方式的控制與切換；（2）位置環路的實現；

（3）伺服性能指標測試；

（4）設備故障檢測和告警指示；

（5）測量數據與運行狀態的實時顯示、記錄、處理，完成日志的記錄和存儲；

（6）與上位監控進行網絡通信，接收上位監控的命令和參數，并將天線控制系統運行狀態實時上報；

（7）接收DTE發送的數引數據/程引的軌道根數，并上報測角數據。

2.5 天線結構子系統

整架結構主要分為X軸、Y軸傳動機構和倒伏機構。下面分別介紹各個部分的方案設計。

2.5.1 X軸、Y軸傳動機構

X軸傳動機構由X軸支撐座、減速裝置、驅動裝置及測角裝置等部分組成，Y軸傳動機構由Y軸支撐座、驅動系統和測角裝置等組成，如圖10、圖11所示。電限位裝置由微動式開關、開關支架、碰塊、底座和防護罩等組成。碰撞塊安裝在X軸、Y軸上，正常工作時隨軸一起轉動，轉動到感應點即發揮作用[10]。

圖10 X軸傳動機構

圖11 Y軸傳動機構

2.5.2 倒伏機構

為了便于天線的收藏運輸和在性能上起到便攜的作用，對于整架天線的分析，在立柱與平臺之間設立倒伏機構。

如圖12所示，倒伏機構由倒伏支耳、驅動裝置、回轉支撐、機械/電限位保護裝置、鎖定裝置和同步裝置等組成，結構強度高，結構緊湊，相對重量、體積小。天線有機械限位和鎖定限位之分，根據X（-90°～+90°）、Y（5°～8°）的要求，分別在各個運動機構中設立精準的角度對其進行限位。

圖12 倒伏機構

3 結 語

完成了0.6米Ka便攜站新型天線天饋子系統、伺服子系統、結構子系統等方面的設計，對電性能和結構性能進行了1:1建模仿真分析。分析表明，設計的0.6米天線性能參數均能滿足低軌星座衛星系統對便攜站天線的應用要求。