機(jī)載低剖面衛(wèi)天線(xiàn)技術(shù)綜述

機(jī)載低剖面衛(wèi)天線(xiàn)技術(shù)綜述

0車(chē)載衛(wèi)星通信的天線(xiàn)技術(shù)隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信終端的天線(xiàn)技術(shù)也取得了很大進(jìn)步。針對(duì)機(jī)載的高機(jī)動(dòng)平臺(tái),衛(wèi)星通信設(shè)備可在飛機(jī)運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)寬帶衛(wèi)星通信,傳輸視頻信息、音頻信息、數(shù)字信息等功能,這也對(duì)天線(xiàn)提出了更高的要求。實(shí)現(xiàn)機(jī)載衛(wèi)星通信的天線(xiàn)技術(shù)有多種形式,如:拋物面天線(xiàn)、平板陣列天線(xiàn)和相控陣天線(xiàn)等。本文首先針對(duì)機(jī)載平臺(tái)的衛(wèi)星通信天線(xiàn)進(jìn)行了分類(lèi)梳理,并指出了不同天線(xiàn)形式的優(yōu)缺點(diǎn);隨后對(duì)國(guó)內(nèi)外在機(jī)載低剖面衛(wèi)星通信天線(xiàn)方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了回顧,并著重介紹了國(guó)內(nèi)在這一方面開(kāi)展的研究工作;最后,針對(duì)未來(lái)機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望,提出了將來(lái)要突破的關(guān)鍵技術(shù)。1u3000衛(wèi)星通信天線(xiàn)20多年來(lái),機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)已經(jīng)從拋物面天線(xiàn)發(fā)展到低輪廓天線(xiàn)。目前,從技術(shù)層面看,機(jī)載衛(wèi)星通信天線(xiàn)主要有以下幾種基本類(lèi)型,分別是:反射面天線(xiàn)、介質(zhì)透鏡天線(xiàn)、陣列天線(xiàn)、相控陣天線(xiàn)等,這也是動(dòng)中通天線(xiàn)技術(shù)發(fā)展的基本歷程。這幾種天線(xiàn)各有自己的特點(diǎn),都有自己的應(yīng)用范圍,用戶(hù)可根據(jù)衛(wèi)星天線(xiàn)的使用環(huán)境、承載的方式、地理位置、主要業(yè)務(wù)和預(yù)算等情況,綜合來(lái)進(jìn)行選擇。機(jī)載衛(wèi)星通信天線(xiàn)常用的形式有小口徑反射面天線(xiàn)、介質(zhì)透鏡陣列天線(xiàn)、平面陣列天線(xiàn)或多組陣列天線(xiàn)以及相控陣天線(xiàn)。各種形式天線(xiàn)在性能上各有優(yōu)劣,根據(jù)載體的安裝要求和衛(wèi)星系統(tǒng)的使用要求,選用不同的天線(xiàn)形式。1波束天線(xiàn)的應(yīng)用傳統(tǒng)拋物面天線(xiàn)用作動(dòng)中通天線(xiàn)時(shí),需要將輪廓降低,才能更好地發(fā)揮其優(yōu)良的作用,如大軸比橢圓波束天線(xiàn)等。在工作時(shí),其姿態(tài)調(diào)整采用機(jī)械式,這類(lèi)天線(xiàn)的典型代表是美國(guó)的TracStar天線(xiàn)等。其特點(diǎn)表現(xiàn)在:優(yōu)點(diǎn):增益高、帶寬高。弱點(diǎn):普通反射面體積和重量大,安裝不方便。2天線(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)介質(zhì)透鏡天線(xiàn)采用饋源機(jī)械掃描的方式,具有良好的電氣性能,并且可以實(shí)現(xiàn)多波束、多頻段共用等性能。其關(guān)鍵技術(shù)有:介質(zhì)材料特性的控制,饋源的收發(fā)共用、極化調(diào)整等功能的實(shí)現(xiàn),天線(xiàn)跟蹤的實(shí)現(xiàn),該天線(xiàn)可方便形成多波束。其特點(diǎn)主要在于:優(yōu)點(diǎn):易實(shí)現(xiàn)多頻段、寬頻帶、多波束。3聯(lián)軸自聯(lián)鎖式平面陣列天線(xiàn)分為一片與多片形式,采用機(jī)械掃描方式,其特點(diǎn)表現(xiàn)在:優(yōu)點(diǎn):安裝相對(duì)簡(jiǎn)單,搜索、鎖星時(shí)間短。弱點(diǎn):天線(xiàn)口徑效率低,增益不高,帶寬也不高(比同口徑拋物面天線(xiàn)要低得多)。4天線(xiàn)的選擇原則相控陣天線(xiàn)以一維有源體制為主,在衛(wèi)通領(lǐng)域,兩維陣列的使用范圍相對(duì)較小,其姿態(tài)調(diào)整采用電調(diào)式,其特點(diǎn)表現(xiàn)在:優(yōu)點(diǎn):體積小、重量輕、安裝簡(jiǎn)單。弱點(diǎn):天線(xiàn)有效口徑低,增益低,帶寬窄,成本高。從保障通信的高可靠性和高可用度出發(fā),在選擇動(dòng)中通天線(xiàn)類(lèi)型時(shí),首先考慮采用高增益、高性能的天線(xiàn)形式,而不能拘泥于其外形結(jié)構(gòu)。如果對(duì)于特殊應(yīng)用平臺(tái),如機(jī)載、艦載等需要與載體共形時(shí),則要考慮采用相控陣體制。2關(guān)于機(jī)載衛(wèi)戍天堂線(xiàn)的研究2.1mijet系列天線(xiàn)國(guó)外對(duì)機(jī)載衛(wèi)星通信天線(xiàn)的研究取得了非常大的進(jìn)展,一些新穎、高性能的產(chǎn)品也得以應(yīng)用。主要的產(chǎn)品包括反射面天線(xiàn)、介質(zhì)透鏡天線(xiàn)、平面陣列天線(xiàn)(單片或多組片天線(xiàn))以及相控陣天線(xiàn)(包括一維、二維以及共形陣等)。而研制該系列產(chǎn)品的公司也相當(dāng)多,其中,以色列、歐洲、美國(guó)、日本以及韓國(guó)等較為出色。以美國(guó)TracStar公司的等效口徑0.45m的IM-VS450M產(chǎn)品為代表(如圖1所示),是專(zhuān)為車(chē)載或者車(chē)載衛(wèi)通系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的寬帶、高速率衛(wèi)星通信產(chǎn)品。該產(chǎn)品具備俯仰波束掃描、低高度特點(diǎn)。但其饋源結(jié)構(gòu)復(fù)雜。增益接收≥31.5dBi,發(fā)射EIRP>44.5dBW,重量<75kg。在2004年,美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室研制的介質(zhì)透鏡陣列,如圖2所示,工作在Ka和EHF頻段,雙圓極化。在頻率為20GHz時(shí),增益為35dBi;在頻率為44GHz時(shí),增益為41dBi,掃描范圍為80°。Mijet系列天線(xiàn)是以色列公司Starling-com的產(chǎn)品(如圖3所示),是Ku頻段平板動(dòng)中通天線(xiàn)。Starling-com公司最初生產(chǎn)的空載動(dòng)中通衛(wèi)星通信天線(xiàn),具有輪廓低、增益高、性能好等特點(diǎn)。該系統(tǒng)采用寬帶天線(xiàn)單元,多天線(xiàn)子陣合成技術(shù),極化自動(dòng)實(shí)時(shí)跟蹤,代表了合成天線(xiàn)的最高水平。近年來(lái),Starling-com推出兩款飛機(jī)上使用的Ku頻段平板動(dòng)中通天線(xiàn)StarCar,分別為MijetLite和MiniMijet,其外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。EL/K1891機(jī)載動(dòng)中通天線(xiàn)是以色列航空工業(yè)集團(tuán)公司的產(chǎn)品,被使用在阿帕奇直升機(jī)上,提供X/Ku頻段動(dòng)中通衛(wèi)星通信,天線(xiàn)采用波導(dǎo)縫隙結(jié)構(gòu),收發(fā)單元為70個(gè)~80個(gè)。提供低速率數(shù)據(jù)傳輸。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示,天線(xiàn)為二維機(jī)掃。EMS公司主要從事軍事陸航衛(wèi)星通信方面天線(xiàn)以及系統(tǒng)的研發(fā)工作,其產(chǎn)品類(lèi)型多為平板縫隙陣列、波導(dǎo)縫隙陣列等,如圖6所示,其高增益天線(xiàn)產(chǎn)品主要有AMT-3800和AMT-3500,以及部分無(wú)源相控陣產(chǎn)品。美國(guó)的Kymeta公司與國(guó)際海事衛(wèi)星組織合作于2013年4月新推出了一款基于超材料的Ka頻段相控陣天線(xiàn),如圖7和圖8所示。天線(xiàn)剖面極低,其中應(yīng)用的超材料可以實(shí)現(xiàn)無(wú)移相器的電子波束掃描,因此,可以與機(jī)身共形,高度低于50mm。在該天線(xiàn)中采用了可重構(gòu)結(jié)合超材料表面的天線(xiàn)技術(shù)(MSA-T),能夠?qū)崿F(xiàn)寬波束掃描。設(shè)計(jì)的天線(xiàn)具備相控陣天線(xiàn)的波束掃描性能,但無(wú)需移相器以及相關(guān)的放大器及其他元器件。2007年1月,美國(guó)諾斯羅普·格魯門(mén)公司為首顆先進(jìn)EHF頻段軍事衛(wèi)星通信載荷開(kāi)發(fā)的上行鏈路和下行鏈路相控陣天線(xiàn)已經(jīng)安裝到了首個(gè)飛行結(jié)構(gòu)上,天線(xiàn)性能(與其他基本載荷組件一道)通過(guò)檢驗(yàn),如圖9所示。2013年5月23日,諾·格公司成功完成了一次EHF衛(wèi)星通信天線(xiàn)的實(shí)際通信驗(yàn)證,證實(shí)了為B-2隱身轟炸機(jī)研制的這種新型有源相控陣(AESA)共形EHF衛(wèi)星通信天線(xiàn)能夠與美國(guó)空軍在軌的先進(jìn)極高頻通信衛(wèi)星進(jìn)行通信。該新型天線(xiàn)能支持戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)任務(wù),其創(chuàng)新的無(wú)透波罩設(shè)計(jì)使之能夠在不影響B(tài)-2飛機(jī)主要作戰(zhàn)性能的情況下,為該機(jī)帶來(lái)新的通信能力。2.2國(guó)內(nèi)等效口徑衛(wèi)星通信平板陣列天線(xiàn)現(xiàn)狀目前,國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)載低輪廓?jiǎng)又型ㄌ炀€(xiàn)的研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)展,一些新穎、高性能的產(chǎn)品也得以推廣。模仿TracStar公司IMVS450M型天線(xiàn)研制了一款柱面動(dòng)中通天線(xiàn),高度為30cm,重量為75kg,等效口徑為0.45m,采用INS慣導(dǎo)模塊、GPS和AGC電平進(jìn)行跟蹤。2010年至今,國(guó)內(nèi)形成了多種等效口徑的衛(wèi)星通信平板陣列系列化產(chǎn)品,擁有多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。其中,Ku頻段平板動(dòng)中通天線(xiàn)CM60,如圖10所示,實(shí)現(xiàn)天饋一體化設(shè)計(jì),收發(fā)增益≥36dB,G/T值≥13dB/K,采用二維機(jī)掃,方位0°~360°無(wú)限位,俯仰掃描0°~90°。雙線(xiàn)極化,電子自動(dòng)極化調(diào)整技術(shù),交叉極化≥30dB,其綜合指標(biāo)在國(guó)內(nèi)屬于領(lǐng)先地位。此外,機(jī)載波導(dǎo)平板陣列天線(xiàn)在各個(gè)平臺(tái)上得到了廣泛應(yīng)用,如圖11所示。Ku頻段動(dòng)中通天線(xiàn)為多組片雙極化波導(dǎo)縫隙陣,片間采用相位補(bǔ)償,電子極化調(diào)整,二維機(jī)掃,增益為接收36.4dB,發(fā)射37.7dB,G/T值為14dB/K,重量為50kg,功耗為450W。準(zhǔn)確地說(shuō),以上這些天線(xiàn)都是平板陣列天線(xiàn),未實(shí)現(xiàn)波束電子掃描?；陔娮硬ㄊ鴴呙璧囊痪S或者二維動(dòng)中通天線(xiàn)技術(shù),國(guó)內(nèi)還沒(méi)有較為成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)。3動(dòng)中通氣線(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)通過(guò)對(duì)各種形式用于移動(dòng)載體的衛(wèi)星移動(dòng)通信低輪廓天線(xiàn)分析研究可知,反射面天線(xiàn)、平面陣列及相控陣天線(xiàn)等,都各具優(yōu)缺點(diǎn),可根據(jù)性能指標(biāo)和載體的要求,選用合適的天線(xiàn)形式。對(duì)此,美國(guó)通用動(dòng)力衛(wèi)星通信技術(shù)公司的首席技術(shù)官湯姆·施羅耶認(rèn)為,在未來(lái)市場(chǎng)的一段時(shí)間內(nèi),反射面天線(xiàn)仍將是高速率傳輸動(dòng)中通產(chǎn)品的主流。該公司曾經(jīng)研發(fā)過(guò)相控陣天線(xiàn),并進(jìn)行過(guò)內(nèi)部測(cè)試,在天線(xiàn)波束掃描時(shí),增益下降較為嚴(yán)重,在低仰角內(nèi)只能支持較低的數(shù)據(jù)率,對(duì)于軍事用戶(hù)來(lái)講有可能達(dá)不到他們的需求。目前,開(kāi)發(fā)多用途天線(xiàn)、增加天線(xiàn)帶寬、縮小天線(xiàn)直徑、使用新材料、向已有截面集成天線(xiàn)以及減少目標(biāo)特征等已成為業(yè)界發(fā)展的目標(biāo),并且國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者也已經(jīng)著手在這些方面開(kāi)展了研究。所以,動(dòng)中通天線(xiàn)未來(lái)應(yīng)該朝著高性能(相控掃描跟蹤)、易共形(低輪廓)、模塊化、集成化等方向發(fā)展,如圖13所示。從天線(xiàn)技術(shù)角度出發(fā),動(dòng)中通天線(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面:1)研制更寬頻段天線(xiàn)。隨著機(jī)載平臺(tái)的要求越來(lái)越高,機(jī)體上要求安裝的天線(xiàn)形式越來(lái)越多,如雷達(dá)、遙控、電子戰(zhàn)、導(dǎo)航、通信等多頻段多天線(xiàn)的布局形式,必須要求工作頻率范圍越來(lái)越寬,以減少天線(xiàn)種類(lèi),為此,必須研制更寬頻段的天線(xiàn),即超寬帶天線(xiàn)。2)向Ka、EHF等高頻段天線(xiàn)發(fā)展。伴隨著Ka頻段同步衛(wèi)星的發(fā)射,今后衛(wèi)星地面移動(dòng)通信業(yè)務(wù)將逐步向Ka頻段推進(jìn)。由于Ka頻段頻率與目前普遍使用的動(dòng)中通頻率相比高出了許多。大量現(xiàn)有的成熟技術(shù)無(wú)法應(yīng)用到Ka頻段的天線(xiàn)上。因此,需要進(jìn)行大量的研究工作,主要集中在天線(xiàn)形式和微波網(wǎng)絡(luò)器件的研究。同時(shí),隨著國(guó)內(nèi)衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展,對(duì)AEHF星的發(fā)射,利用其進(jìn)行軍事通信提高數(shù)據(jù)傳輸能力和信息保密能力,也是未來(lái)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)之一。3)向共形相控陣天線(xiàn)方向發(fā)展。需在以下關(guān)鍵技術(shù)方面有所突破和發(fā)展。主要包括:共形相控陣天線(xiàn)單元,用以克服平面相控陣低仰角增益變差的不足;移相器技術(shù),RF-MEMS技術(shù)、壓控電介質(zhì)技術(shù)和光電子技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)高性能的相控陣天線(xiàn)奠定基礎(chǔ);數(shù)字化電路技術(shù),用全數(shù)字的T/R模塊代替模擬T/R模塊,既可以方便地產(chǎn)生各種波束,又可靈活對(duì)天線(xiàn)陣列進(jìn)行幅相加權(quán),從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)的小型化。4)新材料和新工藝技術(shù)。隨著共形天線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)天線(xiàn)的隱身效果要求越來(lái)越高,傳統(tǒng)的制作工藝技術(shù)已不能滿(mǎn)足通信性能、隱身性能、機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和小型化等多個(gè)指標(biāo)的要求,而以石墨烯為代表的輕型、高傳導(dǎo)率的新型材料的崛起為共形天線(xiàn)的發(fā)展帶來(lái)了曙光,同時(shí)也為與有源相控陣天線(xiàn)技術(shù)有關(guān)的小型化射頻電路、高速場(chǎng)效應(yīng)管的發(fā)展提供了契機(jī)。與新材料的崛起相對(duì)應(yīng)的新工藝技術(shù)也隨之發(fā)展。先進(jìn)的微波集成工藝可大幅度地降低共形相控陣的體積和質(zhì)量,加速發(fā)展天線(xiàn)系統(tǒng)微組裝及微波集成工藝,這不僅可以推動(dòng)共形相控陣的發(fā)展,對(duì)于推動(dòng)整個(gè)衛(wèi)通設(shè)備的微小型化、輕量化及集成化均有重大的作用。為從根本上提高相控陣的效率,需突破磷化銦、氮化鎵、石墨烯等器件的工藝難關(guān)