VICTS 天線的波束指向誤差補償方法

黃元慶，王一煥

（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

無線通信技術在衛星通信與導航、空間探測、雷達與電子對抗等軍民領域中的應用越來越廣泛。天線作為無線通信系統中的關鍵部件，發揮著重要的作用[1]。它負責輻射和接收電磁波，對系統的性能產生決定性的影響。特別地，在移動載體之間的無線通信中，天線需要具備波束掃描功能，以確保信號的穩定傳輸。

隨著無線通信技術的發展，對天線性能的要求不斷提高。為了滿足這些要求，研究者們不斷探索新的天線技術。可變傾角連續斷面節陣列（Variable Inclination Continuous Transverse Stub，VICTS） 天線的提出，旨在解決傳統天線波束掃描能力不足的問題。其研究歷程經歷了技術探索、應用拓展及性能改進等階段。目前，VICTS 天線已經廣泛應用于衛星通信、導航、雷達等領域，并且在車載、船載等領域也有著廣泛的應用前景。未來，隨著技術的不斷發展，VICTS 天線將繼續發揮其優勢，為無線通信技術的發展做出更大的貢獻。

VICTS 天線是一種基于平板波導的陣列天線技術。該技術通過在平板波導上連續開縫并在橫向縫上加枝節實現信號輻射，具有高饋電效率和口徑效率、易于實現波束控制、加工成本低等優點，是現代通信系統中的重要組成部分。由于其高性價比、超低輪廓、小巧輕便及高頻譜利用率等特點，具有廣闊的應用前景。

VICTS 天線的波束指向模型具有動態和非對稱的特點，波束指向會隨著工作頻率、俯仰角、方位角以及極化角的變化而變化。這種變化并非線性的，因此VICTS 天線的波束掃描具有雙非線性和非獨立特性。在實際應用中，需要對波束指向模型進行補償，以獲得更好的增益和指向性。

1 VICTS 天線的工作原理

VICTS 天線的結構是一種多層結構，其輻射陣面由CTS 陣列組成，且可以繞著圓心轉動。通過上層的CTS 陣面與平行平板波導（Parallel Plate Waveguide，PPW）的相對轉動實現俯仰面的波束掃描，方位向掃描則是通過轉動整個天線來實現的。所有轉動都是通過皮帶連接電機來實現的，使得VICTS天線能夠快速、準確地跟蹤目標信號[2]。

VICTS 天線是通過饋源層、輻射枝節層（簡稱枝節層）以及多層可重構極化層各自相對獨立的繞軸轉動實現信號傳遞，不同層的轉動由單獨的電機通過柔性傳動方式驅動。美國ThinKom 公司的ThinSat 300型天線采用收發分離設計，控制部分由8 個電機、驅動單元、控制單元、定位定向模塊以及慣導等組成[3]。以接收天線為例，天線采用層式同心圓盤結構。饋源層和枝節層之間的夾角可以改變VICTS 天線輻射波束的方位與俯仰角，因此需要轉動饋源層和枝節層來達到指定的波束方位與俯仰角方向，同時旋轉可重構極化層實現不同極化方向的自由切換。

天線伺服控制系統中，跟蹤接收機檢測接收到的衛星信標信號的強度，定位定向模塊檢測天線的地理位置，慣導檢測天線載體的姿態。控制單元接收以上3 者的測量數據，生成控制指令，驅動4 個電機控制調節饋源層、枝節層及2 層極化層的角度關系，實時調整天線波束角，實現目標衛星的準確指向。此外，電機通常采用相對式編碼器作為角度反饋元件，因此天線啟動時，每個圓盤都需要通過磁感應器的方式進行位置尋零檢測[4]。

2 VICTS 天線的波束指向模型

VICTS 天線通過旋轉枝節層和饋電層實現波束掃描。當枝節層與饋電層發生相對旋轉時，枝節單元的激勵相位將發生改變，天線口徑面產生滿足俯仰面掃描的相位分布，實現俯仰面的波束掃描；同時，以相同角度旋轉枝節層和饋電層，將改變輻射波束的方位角，實現方位面掃描[5]。

設饋源層表面波的傳播常數為β，枝節層與激勵層的夾角為α。饋源層表面波的枝節層（對應作用波矢為G）發生相互作用，將導波轉換為輻射波。經過耦合相互作用后，輻射波在枝節層平面（即x-y平面）的傳播波矢為kin，輻射波在枝節層法線方向（即z方向）的傳播波矢為kz。上述矢量的疊加關系如圖1 所示。

圖1 VICTS 天線中的波矢疊加原理

根據電磁波在周期性結構中的作用規律，輻射波在x-y平面的傳播波矢表達式為

將式（1）寫成標量形式為

式中：k0為與信號頻率有關的常量。輻射波束的俯仰角EL的計算公式為

再將kin在x-y平面做矢量分解，可計算得到輻射波束的方位角AZ為

將式（2）、式（3）代入式（4）和式（5）可得到VICTS 天線的波束指向角EL、AZ與枝節層-饋源層夾角α之間的關系式。其中俯仰角EL的零度方向為VICTS 天線的法線方向，方位角AZ的零度方向為VICTS 天線的饋電網絡總口方向。表面波傳播常數β和枝節層周期P是天線的設計輸入參數，與具體的天線設計有關。

以天線輻射平面作為x-y平面，其法向作為z軸建立坐標系。記球坐標系下的主波束指向為(θ,φ)，遠場輻射波矢量為(Eθ,φE)，口面場矢量為(Ex,Ey)，則有

式中：E0為口面場的矢量幅值；γ為天線的口面場極化指向角。遠場輻射極化角δ的表達式為

根據極化調整要求，此時中間層極化柵的取向角（相對饋源層）為

3 VICTS 天線的波束指向誤差仿真

VICTS 天線的波束指向誤差是由饋源層和枝節層之間的角度關系、以及在天線生產裝配過程中的結構誤差共同導致的。這些因素使得天線的電軸零點與理論值產生偏差，從而導致天線指向精度變差。

式中：a、b為通過擬合得到的參數。結合波束指向模型，在VICTS 的仿真設計中得到了驗證。仿真計算獲得波束俯仰角、波束方位角與夾角α之間的關系，與理論公式計算結果對比如圖2 所示。

圖2 波束指向的仿真值與理論公式值對比

對比波束指向角的仿真值與理論值可以看出，在夾角α、波束方位角與俯仰角的關系中，隨著夾角α的增大，其波束俯仰角與仿真值相對一致，波束方位角與仿真值誤差增大。在采用理論公式進行跟蹤角度計算時，與天線實際波束角度產生偏差，造成無法對準衛星信號的情況，因此需要進行波束指向模型誤差補償。

4 VICTS 天線的波束指向誤差補償

為驗證理論公式與天線實際波束角度產生的偏差情況，進行對星驗證，以某Ku 頻段衛星（東經110.5°，信標頻率12 745 GHz，水平極化）為例，經過實際對星驗證，得到對星角度數據[6]。記錄衛星信標場強最大值處的角度值，以及相對應的方位修正偏差作為理論公式與天線實際波束角度產生的偏差值。

分析數據可知，理論模型中計算方位的偏差值與夾角α相關，隨著夾角α增大而增大，方位的偏差值隨俯仰角的減小而增大。根據俯仰角與方位偏差值（方位修正值）的實測值，采用多項式擬合的方式得到二者的關系為

式中：p2=0.000 329 9；p2=-0.114 2；p3=6.11。

將此擬合獲得的函數作為補償函數帶入理論模型，得到修真后的方位誤差如圖3 所示。

圖3 補償修正后的方位誤差曲線

對波束指向模型誤差進行補償修正后，計算獲得的波束指向角與實際指向角誤差在0.1°之內，遠小于天線半功率波束寬度，能夠滿足天線的跟蹤需求。

5 結 論

在本文中，深入探討了VICTS 天線的波束指向誤差問題，并提出了一種有效的誤差補償方法。該方法結合了系統標校和回溯波分析，旨在提高天線的波束指向精度，從而提高通信系統的性能。實驗結果表明，該方法能夠顯著減小波束指向誤差，為實際應用提供了可靠的保障。