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
[1]徐烨烽.创新引领、精进发展、规模应用-谈动中通天线发展新趋势[J].卫星与网络，2013，09：39-40.
[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.
[3]MiuraA.，Yamamotos，Huan-bangLi，etal.Ka-BandAeronauticalSatelliteCommunicationsExperimentsUsingCOMETS[J].IEEETrans.onVehicularTechnology，2002，51（5）：1153-1164.
[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.
[5]汤铭.动中通伺服系统的设计[J].现代雷达，2003，25（4）：51-54.
[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.
卫星通信有两大优点:一是覆盖面广，理论上3颗就足以覆盖全球，二是铺设不受环境限制，不论是高山大海还是打仗都可以实现信息传递。
所以卫星通信其实很早就有了，但是一直没有达到全民普及的地步，原因有二。一是自身成本太高，二是基站通信发展太快。
早在20多年前，摩托罗拉公布了它的"铱星计划"，目的是全球组网，然而由于网速比不上基站，无法获得足够的收入来支撑高额的成本，计划只得破产。
近几年，美国和中国又相继公布了多个全球微信通信计划，最出名的如马斯克的"星链计划"，在2019年5月已经发送了60颗卫星，总共规划近12000颗，计划20世纪中期完成。中国两大航天科技集团也有"鸿雁星座计划"和"虹云工程计划"。目的同样是发送低轨道卫星，实现全球组网。
为何有前车之鉴，全球组网突然又兴起了呢？回过头来思考最初失败的原因，基站通信仍然在迅猛发展，4G、5G的方便和快捷卫星通信仍然比不过，但是现在发送卫星和批量制造卫星的成本确实降低了许多，基站通信也越来越往速度更快覆盖面却更小了的方向发展。而且，现在人类的认知触角早已经突破的地球，可是全球却有80%的表面积没有或无法铺设基站，这种情况显然对"万物互联"、"卫星移民"、"太空旅游"这些商业概念不很搭。
所以契机出现后，有技术有资金的国家或企业都开始重新布局全球卫星通信，争取更低成本，更高速率全球组网。未来的通信局面肯定是基站通信和卫星通信相辅相成，相得益彰的局面！
PS:"铱星计划"最终被美国军方收购，据说如今也开始盈利了。
从1970年4月，自中国成功发射第一颗人造地球卫星“东方红一号”起，中国通信卫星事业发展已近50年。据忧思科学家联盟统计截至2020年8月份，全球在轨通信卫星1378颗，其中美国、英国和俄罗斯是国外通信卫星领域的前三强，中国通信卫星数为52颗，与美国相差甚远。
2019年中国共发射卫星54颗，其中通信卫星12颗，占比为22.2%，比例快速提升。伴随低轨宽带通信卫星系统应用领域不断成熟、火箭发射能力提升、成本下降，中国低轨宽带通信卫星市场空间有望快速发展。
中国通信卫星行业——定义及分类
通信卫星是人造卫星的一种，是卫星通信系统的空间部分。作为无线电通信中继站，通信卫星通过转发无线电信号，实现卫星通信地球站之间或地球站与航天器之间的无线电通信。
通信卫星可传输电话、电报、传真、数据和电视等信息。一颗地球静止轨道通信卫星约可覆盖40%的地球表面，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颗地球静止轨道通信卫星可以实现除两极部分地区外的全球通信。
中国通信卫星发展历程
从1970年4月，自中国成功发射第一颗人造地球卫星“东方红一号”起，中国通信卫星事业发展已近50年。在通信卫星研制领域，经过“东方红二号”、“东方红三号”、“东方红四号”、“东方红五号”四代卫星的研发经验积累，中国通信卫星行业目前可研制固定卫星、中继卫星和直播卫星等通信卫星，通信卫星频谱范围涉及S、C、Ku、Ka等各个频段，卫星等级涵盖小型到超大型卫星。中国已成为全球范围内少数可独立设计、研制大容量通信卫星的国家之一。
中国在通信卫星数量上远远落后美国
国外通信卫星领域的发射活动与各国整体发展能力和在轨规模相适应。国外通信卫星领域的发射活动与各国整体发展能力和在轨规模相适应。据忧思科学家联盟统计截至2020年8月份，全球在轨通信卫星1378颗，其中美国、英国和俄罗斯是国外通信卫星领域的前三强，中国通信卫星数为52颗，与美国相差甚远。而日本、印度、加拿大等国位列其后，通信卫星数均在20颗以上。
中国通信卫星的发射占比逐渐增加
2019年中国共发射卫星54颗，其中通信卫星12颗，占比为22.2%，比例快速提升。中国通信卫星数量占比与美国相比差距较大，可见未开发市场空间巨大。伴随低轨宽带通信卫星系统应用领域不断成熟、火箭发射能力提升、成本下降，中国低轨宽带通信卫星市场空间有望增速发展。
国内低轨卫星通信计划蓬勃开启
由于过去卫星通信成本较高、传输速度较差，加之我国拥有较为发达的地面通信系统建设，我国的卫星通信市场特别是民用卫星通信市场规模较小，渗透率较低。根据中国电信统计，截至2019年底中国卫星通信市场仅有约30多万用户。但随着国家重点项目建设、政策引导和建设成本降低，我国企业也积极推出了多个通信卫星星座计划。
2018年12月，我国分别发射了低轨宽带卫星通信系统“虹云”工程和“鸿雁”星座的首发星，标志着我国低轨宽带卫星通信系统建设实现零的突破。2020年4月，卫星互联网被正式纳入新型基础设施建设国家战略，更是为通信卫星发展注入了强心剂。
—— 更多数据参考前瞻产业研究院发布的《中国卫星应用行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》
