卫星通信双线极化天线馈源阵列分析的论文
摘要 ：本文介绍了一种用于Ku频段卫星通信的双线极化天线馈源阵列，该馈源阵列可应用于单反射面或双反射面的卫星通信天线中，实现对通信卫星的小角度、高速、高精度电子波束扫描和跟踪，降低卫星天线对机械伺服结构精度和动态跟踪的要求，从而大幅降低伺服系统成本，拓展动中通卫星天线在民用领域的应用。
关键词 ：馈源阵列；动中通；微带天线
1引言
星地动中通天线系统满足了用户通过卫星在动态移动中传输宽带数据信息的需求，使车辆、轮船、飞机等移动载体在运动过程中可实时跟踪卫星，不间断传送语音、数据、图像等信息[1][2]。目前，动中通天线主要用Ku频段与固定轨道卫星进行通信[3]，需同时覆盖上行/下行频段，其中上行频段为13.75-14.5GHz，下行频段10.95-11.75GHz、12.25-12.75GHz，上行和下行频段为双正交的线极化。为保证卫星与地面移动设备间的流畅通信，动中通天线要实时指向通信卫星，同时为避免天线发射时对邻近卫星的干扰，移动设备在运动中天线的跟踪误差要小于0.1°，并且馈源也要进行旋转跟踪，接收和发射间的极化隔离度要大于30dB[4][5]。国内外已有多家企业推出了动中通天线产品，如以色列RaySat公司的多组片天线、美国TracStar的IMVS450M产品等[6]。为满足天线对卫星的高精度实时跟踪对准的要求，上述动中通天线中均包含有自动跟踪系统，在初始静态情况下，由GPS、经纬仪、捷联惯导系统测量出航向角、载体所在位置的经度和纬度及相对水平面的初始角，然后根据其姿态及地理位置、卫星经度自动确定以水平面为基准的天线仰角，在保持仰角对水平面不变的前提下转动方位，并以信号极大值方式自动对准卫星。在载体运动过程中，测量出载体姿态的变化，通过数学运算变换为天线的误差角，通过伺服机构调整天线方位角、俯仰角、极化角，保证载体在变化过程中天线对星保持在规定范围内，使卫星发射天线在载体运动中实时跟踪地球同步卫星。高精度的伺服系统始终是传统动中通天线系统的关键部分。通常情况下，由于动中通天线具有较大的口径（一般约为0.8~1.2m）及重量，造成了高精度伺服系统具有较高的成本。目前，应用于动中通天线的高精度伺服系统成本动辄数万、甚至超过十万，占整个动中通天线系统成本的很大部分，限制了动中通卫星天线在民用领域的广泛应用[5]。
2双线极化天线馈源阵列
为了克服现有的动中通天线跟踪伺服系统所需精度高、成本高等缺点，我们开发了一种双线极化天线馈源阵列，可应用于单反射式或卡塞格伦式卫星通信天线中，结合后端的多通道数字波束形成（DigitalBeamForming，DBF）技术实现天线系统的机电融合跟踪，最终通过“大角度低精度机械跟踪”与“小角度多通道DBF精确跟踪”相结合，在实现天线系统对卫星的高精度跟踪对准的同时，降低对伺服系统的精度要求，从而降低伺服系统的成本。此馈源阵列为中心对称式结构，阵列的中心放置在单反射式或卡塞格伦式天线的焦点处，当对阵列中不同单元进行馈电时天线将辐射不同指向的高增益波束，此时再结合后端的高精度DBF技术可实现小角度范围内高精度的波束指向控制。馈源阵列采用基于微带印刷电路板的“法布里-帕罗”天线形式，阵列由三层结构组成，其中底层为带金属地板的微带反射板，中间层为微带形式的天线结构，顶层为一块起增强定向性作用的纯介质板。
2.1底层结构
馈源阵列的底层为一侧附铜并开有8个馈电孔的介质板，SSMA以及空心铜柱通过馈电孔焊接在底层介质板上，发射天线馈口和接收天线馈口分别有4个馈电孔。图2为底层电路板结构示意图。
2.2顶层结构
顶层介质板是将覆铜板全部刻蚀掉的介质板，构成了“法布里-帕罗”的上层结构。图3为顶层电路板结构示意图。
2.3中间层结构
中间层电路板两侧分别刻蚀了发射天线、接收天线及其附属馈电线路，其中，为焊接方便，焊盘均在一侧。为隔绝表面波对天线方向图的影响，天线阵列由格状金属条带分割，电路板两侧均有金属条带，并由金属化通孔相互导通。图4为中间层电路板结构示意图。中间层电路板上的微带阵列单元采用一对交叉的金属偶极子结构分别实现收/发的功能，两金属偶极子分别印刷于中间层微带介质板的正面与背面，分别工作于收/发（下行/上行）频段，并且交叉偶极子结构可对应实现收/发所要求的两正交线极化。阵列单元通过同轴底馈的方式实现馈电，其中偶极子的两臂分别与同轴接口的内芯以及外壁通过一段印刷细导线相连，这里采用细导线以减小馈电结构对收/发间隔离的影响。为进一步减小馈电结构对收/发间隔离所带来的影响，在设计中将同一位置处的两偶极子结构通过一段印刷细导线相连，通过其长度、粗细等参数可利用合适的对消手段来实现收/发之间的高隔离。通过在阵列单元周围引入一圈密集的金属化通孔结构，并且在电路板上设计金属附加结构以隔离介质中的表面波，从而降低阵列单元间的互耦。
2.4馈源阵列的装配
馈源阵列的三层电路板由数个尼龙螺柱进行固定，图5是馈源阵列的立体分解及整体装配示意图。在馈源阵列结构中，通过调节金属偶极子的'臂长，可调节天线的工作频率。通过调节顶层介质基板与中间层电路板间的距离，可方便地调节辐射增益以适应不同反射面尺寸及焦距的需求。
3仿真及实测效果
馈源阵列的端口1、端口3、端口5、端口7为接收端口，端口2、端口4、端口6、端口8为发射端口。图6是馈源阵列的仿真和测试回波损耗结果图。由图6可见，接收端口和发射端口回波分别在12.25-12.75GHz和13.75-14.5GHz范围内小于-10dB，达到了良好匹配。图7是馈源阵列在工作频点12.5GHz的仿真及实测接收方向图。由图7可见，工作于12.5GHz时，天线在天顶方向的增益为15dB，副瓣比主瓣低10dB（仿真）/18dB（实测）。图8是馈源阵列在工作频点14.1GHz的仿真及实测发射方向图。由图8可见，工作于14.1GHz时，天线在天顶方向的增益为15dB，副瓣比主瓣低11dB（仿真）/10dB（实测）。
4结束语
本馈源阵列采用微带印刷电路板结构，简单紧凑、工艺成熟、加工简单、成本较低且适用于大规模生产。相比于传统的波导口、波导喇叭等馈源结构，可在较小的面积内实现多个单元以及收/发通道，从而利于实现更高精度的波束指向控制。同时，馈源阵列采用的对消技术可在天线结构端实现同一位置处接收/发射通道之间30dB的隔离度，减轻了后端器件的压力。从实际应用来看，天线馈源阵列与主反射面配合，实现了动中通卫星天线对Ku频段通信卫星的小角度、高速、高精度电子波束扫描和跟踪。采用这种技术，大幅降低了天线对伺服系统精度和动态反应速度的要求，把伺服系统的成本降低了一个数量级，有助于推动卫星天线在天地一体化通信中的规模应用。
参考文献
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[2]LouisJ.，IppolitoJr著.孙宝升译.卫星通信系统工程[M].北京：国防工业出版社，2012，3.
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[4]刘昌华.移动载体卫星通信系统天线跟踪技术的研究[硕士学位论文].西安电子科技大学，2009，3-4.
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[6]阮晓刚，汪宏武.动中通卫星天线技术及产品的应用[J].卫星与网络，2006，3：34-37.
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气象卫星可以比较准确地预报作战地区的气象情况，为制定作战计划提供更充分的依据。
无线电通信中继站的人造地球卫星。通信卫星反射或转发无线电信号，实现卫星通信地球站之间或地球站与航天器之间的通信。通信卫星是各类卫星通信系统或卫星广播系统的空间部分。一颗静止轨道通信卫星大约能够覆盖地球表面的40％，使覆盖区内的任何地面、海上、空中的通信站能同时相互通信 。在赤道上空等间隔分布的3颗静止通信卫星可以实现除两极部分地区外的全球通信。1958年12月美国发射世界上第一颗试验通信卫星 。1963年美国和日本通过中继1号卫星第一次进行了横跨太平洋的电视传输。中国于1984年4月8日发射了一颗地球静止轨道试验通信卫星。通信卫星按轨道分为静止通信卫星和非静止通信卫星；按服务区域不同可分为国际通信卫星和区域通信卫星或国内通信卫星；按用途可分为专用通信卫星和多用途通信卫星，前者如电视广播卫星、军用通信卫星、海事通信卫星、跟踪和数据中继卫星等，后者如军民合用的通信卫星，兼有通信、气象和广播功能的多用途卫星等。
作为无线电通信中继站。通信卫星像一个国际信使，收集来自地面的各种“信件”，然后再“投递”到另一个地方的用户手里。由于它是“站”在36000 公里的高空，所以它的“投递”覆盖面特别大，一颗卫星就可以负责 1/3地球表面的通信。如果在地球静止轨道上均匀地放置三颗通信卫星，便可以实现除南北极之外的全球通信。当卫星接收到从一个地面站发来的微弱无线电信号后，会自动把它变成大功率信号，然后发到另一个地面站，或传送到另一颗通信卫星上后，再发到地球另一侧的地面站上，这样，我们就收到了从很远的地方发出的信号。
通信卫星一般采用地球静止轨道，这条轨道位于地球赤道上空 35786公里处。卫星在这条轨道上以每秒3075米的速度自西向东绕地球旋转，绕地球一周的时间为 23小时56分4秒，恰与地球自转一周的时间相等。因此从地面上看，卫星象挂在天上不动，这就使地面接收站的工作方便多了。接收站的天线可以固定对准卫星，昼夜不间断地进行通信，不必像跟踪那些移动不定的卫星一样而四处“晃动”，使通信时间时断时续。现在，通信卫星已承担了全部洲际通信业务和电视传输。
通信卫星是世界上应用最早、应用最广的卫星之一，许多国家都发射了通信卫星。
1965年4月6日美国成功发射了世界第一颗实用静止轨道通信卫星：国际通信卫星1号。到目前为止，该型卫星已发展到了第八代，每一代都在体积、重量、技术性、通信能力、卫星寿命等方面有一定提高。
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中国的第一颗静止轨道通信卫星是1984年4月8日发射的，命名为“东方红二号”，至今已发射成功了五颗。这些卫星先后承担了广播、电视信号传输，远程通讯等工作，为国民经济建设发挥了巨大作用。
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阿瑟克拉克的难以入乡随俗
同其他的科幻大家相比，克拉克似乎更善用讽刺和黑色幽默，无论是“难以入乡随俗”中古怪可爱的外星人，还是“扭捏的兰花”中杀人未遂的赫拉克勒斯，亦或是“无限永恒时间”里自作聪明的盗贼，在克拉克的笔下，这些人物都变得滑稽可笑而又耐人寻味。
科幻作品中总会谈及探索太空，征服宇宙，穿越时空，世界末日，这本书也不例外，克拉克在荒诞诙谐的故事情节中，让人们以一个极为轻松的心情去思考一些实则沉重的话题，比如世界神创论，比如人类毁灭论。从这部短篇作品集看，克拉克对地球人与外星人建交是抱着比较积极的态度的，书中的外星人都很善良，甚至会提醒帮助命中注定即将被毁灭的地球人，这却让我想起，霍金曾说，（当然是通过他的智能轮椅说），我相信如此广阔的宇宙中一定有其他智慧生命存在，但我并不希望政府找到他们（事实上美国政府已经在持续向外星发信号寻找外星人好些年了），更不希望他们来我们地球。想想吧，我们花了多少年都找不到他们，如果他们真能坐着宇宙飞船降临地球，他们必定比我们智慧先进很多倍。一个极其先进的外来种族会对落后的本土居民采取什么态度，我们从当年白人登陆美洲大陆就能看出来了。征服是人类的本性，我们没有理由确信外星种族不具有这种特性。
科学家总是以有无水作为寻找外星生命的标准，这是我们地球生命生存的标准，可是如果有生命物种能在极其恶劣的环境下也能生存呢？现在已经有科学家在美国发现在自然界产生的高浓度酸性环境中（其酸度堪比高浓度盐酸）仍能好好地存活，那么在像木星那样，终年飓风不断，硫酸大暴雨频仍的地方，也可能有外星生命存在，他们可能只是极其微小的微生物，我们的宇航探测器说不定在什么时候已经遇见了他们，却在不经意间擦肩而过。
那么地球人在宇宙中 又算怎么样的生命形态呢？也许我们比大多数其他外星生命更智慧，因为他们都是微生物，而我们有一个还不算太笨的大脑；也许我们根本就是外星智慧生命眼中的微生物，如此脆弱如此落后，就像路边静悄悄开放的小野花，他们根本不屑一顾。
目前，天文学家已经断定，在很远的未来，地球是注定要灭亡的，而在那之前，人类早就已经销声匿迹了。一片死寂的冰冷地球会受太阳的引力作用，脱离轨道被吸入这个孕育了它的恒星，在一阵巨大的爆炸声中灰飞烟灭，回归到地球成型前的状态——一团粒子和星尘。
人类对于探索宇宙的欲望，或者说野心，是永无止境的，这也许正是因为我们来自宇宙。其实那些星星离我们并不遥远，我们的生命来自地球的元素，地球元素来自各种粒子，这些粒子都来自宇宙，集结于地球成型的那一天，在很久以前和那些星星一样飘荡的宇宙中。
