一種新型X頻段便攜測控站天線的設計與實現

李增科，張曉沖*，金立斌，李 鵬

(1.中華通信系統有限責任公司河北分公司，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

便攜式衛星接收系統在具備傳統衛星通信不受地理位置和距離限制、業務承載靈活多樣等優勢的同時，因其體積小、重量輕、可通過手提和背負的方式進行人工攜帶等優點，在自然條件惡劣的應急通信以及軍事通信中發揮著越來越重要的作用[1-2]。在實際工程中常常需要傳輸多種業務,例如話音通信、數據通信以及圖像通信等。便攜式測控站天線是通過遠端主站與衛星形成的衛星通信鏈路來實時通信的，進而對目標進行實時觀測和控制[3-4]。

在拋物面天線領域，為滿足天線運轉范圍和過頂跟蹤等不同的技術要求，出現了各種各樣運動形式的結構座架，其中就包括X-Y座架形式[5-6]。座架兩旋轉軸線(俗稱X,Y軸線)之間的空間垂直度是評估座架軸系精度的重要指標。傳統的天線座為方位-俯仰(A-E)型結構，A軸為鉛垂狀態，E軸位于A軸上方，呈水平狀態，通過兩軸的轉動，天線波束可以指向整個空域。但當目標仰角趨于天頂時，方位角速度趨近于無窮大，而A軸速度不可能無限增加，因此當目標進入“盲錐區”時，A-E型天線座無法跟蹤[7]。將A-E型天線座的E軸轉到水平位置，這時天線座的“盲錐區”就轉移到地平線附近，能夠實現天線的過頂跟蹤，這種天線座被稱為X-Y 天線座，它的2個旋轉軸分別稱為X軸和Y軸，均為水平配置，且互相正交，2個軸只需旋轉180°就能夠覆蓋整個空域，因此不需要高頻旋轉關節、匯流環或電纜卷繞裝置[8]。

便攜站在國內外均已經相當成熟，口徑最小到零點幾米，座架形式也多種多樣，但多為A-E座架形式，而且以通訊居多[9-13]。小型X-Y座架形式的天線目前應用較少，而收發一體的便攜式測控站也是極為少見。本文的0.9 m X頻段收發一體便攜測控站天線在國內是一次很好的開創性試驗。

0.9 m便攜站天線是為某需求所研發的便攜式X頻段收發一體測控站天線，用于實時進行小衛星信號的接收和小衛星姿態的調整。該便攜站打破了以往單通訊的用途，增加測控功能，是研發的第一套小型、便攜的測控通訊一體化設備。在設計中，為了解決極軌衛星過頂跟蹤的問題，系統設計采用X-Y座架全新形式，充分考慮了走線和外觀，并結合了射頻收發設備，對整個系統進行了一體化設計。

1 整體設計和電氣指標

0.9 m便攜站天線由X-Y天線座架、0.9 m天線面板、帽子饋源網絡、四腳架以及伺服控制單元組成，工作狀態實物如圖1所示。

圖1 0.9 m便攜測控站天線工作狀態實物

主要性能指標：

① 工作頻段

上行：7.0～7.5 GHz；下行：8.0～8.5 GHz。

② 天線增益

G/≥31+20lg[f/f0] dBi(f0=7.25 GHz)；

G/≥32+20lg[f/f0] dBi(f0=8.25 GHz)。

③ 系統G/T值(場放噪溫80 K)

在晴空、微風、天線接收仰角10°，環境溫度23℃條件下，G/T≥7.0 dB/K。

④ 第一旁瓣：≤-14 dB。

⑤ 軸比：≤2 dB。

⑥ 電壓駐波比(在饋線輸出、LNA輸入端口處)：≤1.4∶1。

⑦ 指向精度：五分之一波束寬度。

2 天饋設計

天饋分系統由天線和饋源組成，主要功能是將微波信號轉化成電信號，實現能量之間的轉化。該網絡可以實現左旋圓極化收發信號。工作頻帶為7～8.5 GHz，其中7～7.5 GHz為發射頻段，8～8.5 GHz為接收頻段。通過隔板圓極化器的實現線極化到圓極化的轉換，由于只需要左旋圓極化波，因此右旋圓極化波接上負載用于吸收，左旋圓極化波接入頻率雙工器得到收發2個頻段的出口，分別接入功放與低噪。

系統設計中采用帽形饋源形式的小口徑天線，結構緊湊、遮擋面積小，很容易實現高效率和低旁瓣設計。目前，帽形饋源已在機載、船載和車載等移動載體平臺天線上獲得了十分廣泛的應用。帽形饋源主要由“帽子”、介質支撐、支撐波導及外波紋加載等構成。饋源為背射形式，與環焦形式的主反射可構成后饋形式的小口徑反射面天線。

饋源和饋源網絡組裝后如圖2和圖3所示，使用矢量網絡分析儀分別測試上行頻段和下行頻段的饋源網絡駐波比，經測試得到的收發頻段的駐波比SWR曲線如圖4和圖5所示。

圖2 帽子饋源和天線面組裝實物

圖3 饋源網絡實物

圖4 上行頻段7.0～7.5 GHz駐波比測試圖

圖5 下行頻段8.0～8.5 GHz駐波比測試圖

軸比測試結果如圖6所示，可以看出在上行頻段測試的駐波比均在1.35以下，下行頻段的駐波比在1.25以下，均滿足指標要求。

圖6 頻段7.0～8.5 G軸比測試

從測試的結果可以看出軸比均在1.22以下，滿足指標要求。

3 天線座結構與特點

天線座加工實物如圖7所示，采用X-Y型座架形式。考慮天線后面網絡較多，天線座Y軸采用單邊懸臂支撐結構，天線座X軸采用箱體結構。為減少天線的重量和外形尺寸，天線座X,Y軸均無配重設計。天線座架全部采用鋁鑄件結構，適合大批量生產。天線座驅動系統均采用步進電機和擺線針輪減速器(諧波減速器)的直驅形式，結構緊湊，運動回差小。X,Y軸分別安裝關節，減少射頻線纜彎折。天線座安裝±90°電限位和機械限位，保證天線工作的安全性。

圖7 天線座加工實物

4 天線包裝運輸

0.9 m便攜站天線裝箱后效果如圖8所示，整體重量在45 kg左右，拆分裝箱后由三部分組成：① 天線面包裝箱，箱內放置天線面、饋源、GPS、伺服控制箱和功放；② 天線座包裝箱，箱內放置天線座架及饋源網絡；③ 四腳架手提袋。

圖8 0.9 m便攜站天線裝箱后效果

5 仿真計算與實測結果比較

對原理樣機進行了測試，并與利用電磁仿真軟件CST進行全波仿真分析得到的方向圖對比如圖9～圖12所示。

圖9 7.0 G測試與仿真結果的比較

圖10 7.5 G測試與仿真結果的比較

圖11 8.0 G測試與仿真結果的比較

圖12 8.5 G測試與仿真結果的比較

4個頻點的測試方向圖基本符合仿真結果，主波束變化趨勢與仿真結果基本相同，第一旁瓣的測試結果與仿真結果有一定差別，原因是在實際測試中影響因素較多，尤其是地面及天線周邊的環境對第一旁瓣的影響是很大的，但是就測試結果來看第一旁瓣均在-14 dB以下，滿足技術要求。

對于天線增益,我們是在完成不同頻的天線遠場方向圖測試后,采用3 dB波束寬度法來計算待測天線各個頻點的增益,公式表示為[14]:

G=10lg[27 000/(θ3AZ×θ3EL)]。

式中，θ3AZ和θ3EL為方位和俯仰方向圖的半功率波束寬度(°)；G為待測波束增益(dB)。測試得到的增益與仿真結果進行比較如圖13所示。

圖13 典型頻點測試增益與仿真曲線對比

從測試結果來看，考慮測試場地壞境因素,增益測試結果與仿真結果基本變化一致，上行頻段的增益在34 dB以上，下行頻段的增益在35 dB以上，均滿足指標要求。

進而又測試了天線的噪聲溫度，從而得到系統的G/T值，測試結果見表1。

表1 系統G/T 測試記錄表

頻率/GHz要求TO/KTLNA/KY/dBG/dBTan/K(G/T)/dB·K-18.008.258.50≥7.0dB/K3003003008080802.912.973.1035.7636.0536.59114.44111.77106.1212.8713.2213.89

從測試結果看，系統G/T值均大于12.87 dB/K，這是由于天線的實際效率較高，增益較大的原因，因此系統的G/T值所提的指標較低的原因，因此遠遠滿足指標要求。

綜上，研制的便攜站天線樣機達到了設計預期的各項性能指標；另外，與伺服分系統配合在頻點7.775 GHz時對低軌道衛星進行了跟蹤測試如圖14所示。

圖14 對星跟蹤測試

對星跟蹤測試是從低仰角3°起開始跟蹤，跟蹤過程中信號穩定，信噪比達到15 dB，跟蹤效果良好，達到了預期效果。

6 結束語

本文設計并工程實現了一種新型的0.9 m收發一體X頻段便攜測控站天線。打破了以往便攜站僅僅單通訊的用途，增加測控功能，工程實現了集測控通訊于一體的便攜天線；將X-Y座架形式應用在便攜天線的系統設計上，成功解決了極軌衛星過頂跟蹤的問題。文中的天線座屬于無配重式X-Y天線座[15]，其結構緊湊、重量輕、體積小、簡單易制且密封性好，適合于轉速較低、口徑較小的跟蹤接收設備。克服了以往X-Y天線座結構松散、跟蹤精度低、結構復雜和可靠性差等問題。在結構上X,Y軸均安裝了轉動關節，對射頻走線進行了優化設計，成功解決了射頻走線問題，實現了收發共用，后續將對該產品進行持續優化設計，在滿足精度要求的情況下，將0.9 m天線面進行分瓣處理。