基于相控陣天線的_動中通_衛(wèi)星通信終端研究

1、 基于相控陣天線的“動中通”衛(wèi)星通信終端研究姜安, 朱軍(南京電子技術(shù)研究所, 江蘇省南京市210013摘要:提出了一種新的“動中通”衛(wèi)星終端的設(shè)計思路動中通”衛(wèi)星通信終端著手, 分析了在“動中通”, 相控陣“動中通”衛(wèi)星通信終端的實現(xiàn)框架, 動中通”衛(wèi)星通信終端具體設(shè)計, 提出設(shè)計關(guān)鍵點。關(guān)鍵詞:衛(wèi)星通信; VS AT 終端; ; 中圖分類號:T N927. 21收稿日期:2008208214。0引言人們普遍認(rèn)為衛(wèi)星通信之所以成為強(qiáng)有力的現(xiàn)代通信手段之一, 是因為它具有頻帶寬、容量大、適用于多種業(yè)務(wù)、覆蓋能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠、不受地理條件限制、機(jī)動靈活、成本與通信距離無關(guān)等特點1, 而VS

2、AT (甚小孔徑衛(wèi)星終端 通信網(wǎng)絡(luò)的誕生為衛(wèi)星通信的發(fā)展注入了新的活力, 促進(jìn)了衛(wèi)星通信進(jìn)一步向多功能、智能化、小型化方向的發(fā)展。一個VS AT 通信網(wǎng)絡(luò)通常由主站以及多個VS AT 終端組成, 形成一個星狀、網(wǎng)狀或混合網(wǎng)結(jié)構(gòu)的公用或?qū)Ｓ玫耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò), 實現(xiàn)圖像、數(shù)據(jù)、話音等多種業(yè)務(wù)2。早期的VS AT 一般為固定小站, 其天線口徑由于工作頻段的限制很難做小。隨著衛(wèi)星性能提高、衛(wèi)星通信頻段向Ku 、Ka 和EHF (極高頻 等更高頻段的發(fā)展以及新一代糾錯編碼技術(shù)的應(yīng)用, 進(jìn)一步減低了VS AT 的接收C /N門限和發(fā)射功率的要求, 為VS AT 的小型化、機(jī)動化提供了可能。當(dāng)前國內(nèi)滿足“在運(yùn)動中

3、通信”即“動中通”設(shè)計要求的VS AT 終端按習(xí)慣一般可分為兩大類, 如表1所示, 分別滿足中高速和中低速通信的需要。表1“動中通”VSAT 類型比較技術(shù)參數(shù)類型類型天線類型拋物面等拋物面、平板等天線口徑/m0. 80. 6跟蹤方式激光陀螺跟蹤、單脈沖、圓錐掃描等圓錐掃描、最大值跟蹤等業(yè)務(wù)數(shù)率不低于2Mbit/s 不低于9. 6kbit/s 業(yè)務(wù)類型圖像, 數(shù)據(jù), 話音數(shù)據(jù), 話音適用范圍車載, 船載車載, 船載, 機(jī)載近年來, 隨著相控陣技術(shù)的發(fā)展, 其在VS AT 通信中的應(yīng)用價值日益體現(xiàn)。1相控陣技術(shù)用于“動中通”衛(wèi)星終端設(shè)計的優(yōu)缺點相控陣技術(shù)是從雷達(dá)天線設(shè)計技術(shù)延伸出來的天線實現(xiàn)技術(shù),

4、 即電子掃描技術(shù), 是用電子方法實現(xiàn)天線波束指向在空間轉(zhuǎn)動或掃描的技術(shù)。采用相控陣技術(shù)實現(xiàn)衛(wèi)星“動中通”通信, 具有其固有的優(yōu)缺點。主要優(yōu)點是:外形結(jié)構(gòu)可根據(jù)運(yùn)動平臺要求進(jìn)行設(shè)計, 可大大降低天線的高度, 滿足運(yùn)輸通過性要求; 采用電掃方式, 響應(yīng)速度快; 天線可賦形, 滿足各種輻射方向圖設(shè)計要求。但相應(yīng)的缺點也十分明顯:技術(shù)復(fù)雜, 實現(xiàn)成本高; 掃描范圍受限。進(jìn)行實用性的“動中通”衛(wèi)星終端設(shè)計, 必須兼容考慮以上因素, 綜合考慮性價比, 優(yōu)化選擇設(shè)計方案。2相控陣“動中通”衛(wèi)星終端的設(shè)計和實現(xiàn)2. 1相控陣“動中通”RF 系統(tǒng)的設(shè)計下面以Ku 波段小型化“動中通”衛(wèi)星終端RF (射頻 系統(tǒng)的

5、設(shè)計來說明相控陣技術(shù)與衛(wèi)星通信技術(shù)的結(jié)合途徑, 基帶部分不展開描述。典型的實現(xiàn)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)采用流行的DVB 2RCS (數(shù)字視頻廣播-經(jīng)由衛(wèi)星的回傳信道 構(gòu)架3, 滿足當(dāng)前TCP /I P 網(wǎng)絡(luò)或AT M (異步傳送模式 網(wǎng)運(yùn)行的需要, 并支持I EEE 802. 11B 無線接入, 是實現(xiàn)衛(wèi)星I P 的有效途徑?？紤]到通信效率, 收發(fā)天線分別獨(dú)立設(shè)計, 全雙工工作。同時, 系統(tǒng)設(shè)計中下行中頻接口采用L 波段, 可兼容進(jìn)行衛(wèi)星電視接收設(shè)計, 在取消上行信道設(shè)備時, 可作為衛(wèi)星移動電視接收終端使用。42第34卷第10期2008年10月電子工程師E LECTRON I C E NGI N

6、 EER Vol. 34No . 10Oct . 2008 圖1典型RF 系統(tǒng)實現(xiàn)框圖2. 2相控陣天線的選擇常見的相控陣天線類型有波導(dǎo)裂縫陣列、平板陣列、微帶陣列等。波導(dǎo)裂縫陣列在Ku 波段使用時, 考慮運(yùn)動平臺設(shè)計要求, 必須實現(xiàn)低剖面且極化可調(diào), 工程設(shè)計難度大, 成本高, 不易實現(xiàn); 而低剖面的平面相控陣天線難以實現(xiàn)寬角掃描, 輻射單元的設(shè)計必須是尺寸小、頻帶寬、寬波束、互耦小、極化特性好, 所以工程實現(xiàn)難度仍然較大; 而微帶貼片天線或微帶印刷天線子陣是一個好的選擇, 可以使天線子陣具有尺寸小、重量輕等優(yōu)點, 同時采用多層結(jié)構(gòu), 天線單元與饋電網(wǎng)絡(luò)共形設(shè)計, 進(jìn)一步減小天線體積, 降低

7、旋轉(zhuǎn)慣量, 便于伺服驅(qū)動的設(shè)計實現(xiàn)。圖24和圖35給出了2種具有代表性的實現(xiàn)方案。在圖2方案中發(fā)射和接收單元設(shè)計在同一塊板上; 在圖3方案中, 1塊陣列專門用于發(fā)射, 其他3塊板用于接收 。圖2 收發(fā)共用單元天線方案圖32, , 陣組件的成本可以進(jìn)一步, 形成電視單收系2. 3收發(fā)分離相控陣“動中通”RF 系統(tǒng)的實現(xiàn)在2. 1節(jié)典型設(shè)計框架的基礎(chǔ)上開展收發(fā)分離相控陣“動中通”的研究。整個RF 系統(tǒng)由室內(nèi)單元和室外單元兩部分組成, 室外單元由含天線罩的固定式底座和旋轉(zhuǎn)單元組成, 如圖4所示 。圖4收發(fā)分離RF 系統(tǒng)實現(xiàn)框圖室內(nèi)單元包括I CU (室內(nèi)控制器 、L 波段接收解碼設(shè)備、上行調(diào)制/變頻

8、設(shè)備以及以太網(wǎng)接入設(shè)備, 主要完成供電、衛(wèi)星選擇控制、基帶信號變換等功能。固定式底座設(shè)備主要包含RF 與供電分離電路、方位驅(qū)動和傳動機(jī)構(gòu), 完成供電、信號分配以及方位驅(qū)動功能。室外單元的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動部分是本系統(tǒng)設(shè)計的核心,52第34卷第10期姜安, 等:基于相控陣天線的“動中通”衛(wèi)星通信終端研究通信技術(shù) 包括發(fā)射天線子陣、接收天線子陣、移相器、接收放大電路、跟蹤誤差信號產(chǎn)生電路、主控電路、俯仰驅(qū)動和傳動機(jī)構(gòu)以及其他輔助電路, 完成相控陣信號的收發(fā)及控制、跟蹤閉環(huán)、通信、功放等諸多功能。該設(shè)計方案為了降低成本和電路的實現(xiàn)難度, 主要進(jìn)行了以下幾方面的綜合考慮:a 為了便于實現(xiàn)跟蹤, 對天線波束進(jìn)行預(yù)

9、傾斜設(shè)計, 增加俯仰的波束寬度, 降低掃描定位的難度, 同時, 方位采用滑環(huán)設(shè)計, 便于快速對星。b 為了降低天線的設(shè)計難度, 采用子陣級設(shè)計, 通過移相器僅實現(xiàn)俯仰面一維電掃和極化跟蹤, 行方位電掃, 蹤。c 通過FSK ( 轉(zhuǎn)單元間的通信, , 降低旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與滑環(huán)的設(shè)計難度和成本。d 下行采用L 波段接口, 上行采用70MHz 中頻接口, 兼容衛(wèi)星電視單收設(shè)計, 使本系統(tǒng)平臺具有通用性。e 功放采用模塊化設(shè)計, 安裝在旋轉(zhuǎn)大單元內(nèi)。3關(guān)鍵設(shè)計要點與常規(guī)“動中通”相比, 其設(shè)計要點主要體現(xiàn)在以下2個方面。3. 1子陣設(shè)計子陣采用微帶饋線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)天線單元的合成, 平板天線結(jié)構(gòu), 每塊平板天線形

10、成垂直和水平雙線極化?？紤]到體積和重量以及實現(xiàn)方式, 該平板天線由多層結(jié)構(gòu)組成6, 一般的可分為輻射層、激勵及饋電層、介質(zhì)層以及反射后腔等幾部分, 層層壓制在一起構(gòu)成子陣單元, 如圖5所示。其中, 雙線極化的形成就是由激勵及饋電層完成的, 兩種激勵在空間正交, 上下兩層帶狀線板中同一位置的兩正交極化輻射單元構(gòu)成一個雙線極化輻射單元 。圖5子陣結(jié)構(gòu)3. 2跟蹤算法研究在運(yùn)動的載體上實現(xiàn)對同步衛(wèi)星的實時跟蹤, 室外的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動單元必須具備適應(yīng)載體姿態(tài)變換的能力, 必須有一套完善的跟蹤算法來保證。主要跟蹤過程包括設(shè)備加電自檢、位置設(shè)置、初始捕獲、暫穩(wěn)跟蹤與目標(biāo)識別、穩(wěn)態(tài)跟蹤、中斷保持與恢復(fù)、丟失再捕獲

11、等內(nèi)容。系統(tǒng)在跟蹤過程中, 一方面根據(jù)接收信號的強(qiáng)度進(jìn)行跟蹤, 另一方面完成對載體姿態(tài)變化和位置變化的跟蹤閉環(huán)。其中, , 在, 并通過伺服電路的, 該算法是實現(xiàn)相”的關(guān)鍵點之一。4結(jié)束語目前, 小孔徑“動中通”衛(wèi)星終端在設(shè)計上必須符合相關(guān)設(shè)計與應(yīng)用規(guī)范, 在應(yīng)用上必須考慮國內(nèi)衛(wèi)星參數(shù)、衛(wèi)星公司標(biāo)準(zhǔn)以及國家準(zhǔn)入政策等諸多因素。但隨著直播星的發(fā)射成功以及衛(wèi)星星座技術(shù)在我國的應(yīng)用推廣, 技術(shù)的限制越來越少, 高性價比的小型化相控陣" 動中通" 憑借其高度低、便于與載體兼容等諸多優(yōu)點, 具有良好的市場推廣前景。參考文獻(xiàn)1呂海寰, 等. 衛(wèi)星通信系統(tǒng)M.2版. 北京:人民郵電出版社

12、, 1994.2楊運(yùn)年. VS AT 衛(wèi)星通信網(wǎng)M.北京:人民郵電出版社,1997.3S UTT ON F S, KI M J H, D I E NER D F, et al . W ideband on 2the 2move satellite communicati ons gr ounds ter m inalC /Pro 2ceedings of M ilitary Communicati ons Conference:Vol 2, Oct 28231, 2001, M clean, VA, US A. Piscuta way, NJ, US A:I EEE, 2001:7702774

13、.4P ARK Ung Hee, NOH Haeng Sook, S ON Seong Ho, et al . ANovel mobile antenna f or Ku 2band satellite communicati ons J .ETR I Journal, 2005, 27(3 :2432249. 5StealthRayT MS pecificati ons E B /OL.htt p:/www. raasys .com.6KI L I C O, Z AGHLOUL A I, K OHLS E C, et al . Flat antennadesign considerati o

14、ns f or satellite 2on 2the move and satellite 2on 2the 2pause (S OT M /SOTP app licati ons C /Proceedings of M ilitary Com 2municati ons Conference:Vol 2, Oct 28231, 2001, M clean, VA, US A. Piscutaway, NJ, US A:I EEE,2001:7902794.姜安(19722 , 男, 高級工程師, 主要研究方向為衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)。(下轉(zhuǎn)第52頁62通信技術(shù)電子工程師2008年10月 a 在AR

15、M Devel oper Suite 1. 2中打開boot . mcp工程文件。b 對打開的boot . mcp 工程文件下的所有匯編語言及C 語言文件進(jìn)行編譯。c 使目標(biāo)板上電, 打開ARM92JT AG 調(diào)試代理, 軟硬件連接正確將檢測到ARM9內(nèi)核。打開超級終端。d 在AXD 中下載并運(yùn)行編譯后生成的Boot . axf 文件。此時在顯示器上顯示目標(biāo)板的啟動信息。4. 2將程序固化到Fl a sh 中并在目標(biāo)板上運(yùn)行a 進(jìn)行并口驅(qū)動的安裝與設(shè)置, 并用JF LASH 將PC 并口與目標(biāo)板連接。b 將要下載的. bin 一個目錄下, I O S . BAT 內(nèi)容為:SJF2410/f:c

16、 執(zhí)行批處理文件將bin 文件通過JT AG 燒寫入Flash 中。5結(jié)束語Bootl oader 的修改和移植是針對具體的CP U 和外圍電路進(jìn)行的, 雖然市場上有很多成熟工具, 移植起來簡單快捷, 但都存在一定的局限性, 具體表現(xiàn)在代碼量大、不夠靈活。針對特定的目標(biāo)板自己編寫B(tài)ootl oad 2er, 不僅代碼量小, , 便于維護(hù)。獻(xiàn)1. 2實驗指導(dǎo)書M.北京:北, 2005.2. AR M 嵌入式L inux 系統(tǒng)開發(fā)從入門到精通M.北京:清華大學(xué)出版社, 2007.3萬永波, 張根寶, 田澤, 等. 基于AR M 的嵌入式系統(tǒng)Boot 2l oader 啟動流程分析J .微計算機(jī)信息

17、, 2005, 21(11Z :91292, 150.蔣維(19742 , 男, 碩士研究生, 副教授, 主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)研究。Analysis and Desi gn of E mbedded Syste m s BootloaderBased on AR M S3C2410J I ANG W e i(Depart m ent of Electr onics Engineering and I nfor mati on Science,Q inghai Nati onalities College, Xining 810007, China Abstract:Each e mbedd

18、ed syste m has its own Bootl oader . This paper analyzes startup code based on AR M S3C2410e mbedded syste m and gives key code in every link . The on 2line si m ulati on and downl oad step s are described . The methods and step s have been verified successfully in p ractical operati on . The result

19、 shows the Bootl oader has less code, easy t o maintain and can be carried out with high efficiency .Keywords:ARM S3C2410; Bootl oader; si m ulati on; downl oad step s(上接第26頁Analysis of OT M Satellite Co mmun i cati on Ter m i n al Based on PAAJ I ANG An, ZHU Jun(Nanjing Research I nstitute of Electr onics Technol ogy, Nanjing 210013, China Abstract:A ne w design of an OT M satellite co mmuni