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可变倾角连续断面节阵列天线技术初探

微波射频网 2020-11-08 10:29 次阅读

编者注:近几年来,相控阵技术应用日益成为十三五军民技术应用热点,无论是民用5G相控阵还是未来爆发式发展的卫通相控阵、军用武器类相控阵产品都有非常广阔的应用空间,在实现电扫功能之路上,也产生了多种实现技术,如液晶相控阵、超材料、VICTS、有源相控阵等,本文主要简单介绍了VICTS无源相控阵。让相关从业者了解下相关基本知识。

1简介

连续断面节阵列CTS技术天线,是在平板波导上连续开贯通的横向缝并在横向缝上加枝节实现辐射的天线,采用这种技术的天线具有很高的馈电效率和口径效率,是高增益天线一个极为重要的方向。CTS天线效率可高达85%,阵列易于实现波束控制,加工成本低,具有广泛的应用前景。但这种天线也存在增益随仰角降低而下降,波束指向算法复杂,非固定方向图和测试困难等缺点。本文结合美国ThinKom公司生产的车载动中通天线介绍一下该技术在车载中的应用,该天线采用可变倾角连续断面节阵列技术(VICTS),具有高性价比、超低轮廓、小巧轻便、高频谱利用率等特点,可以提供运动中的宽带大数据量话音、数据和视频通信。

天线的控制采用闭环协同控制算法,具有一健精准对星功能。天线内置功放、天线控制器,内置信标和载波跟踪接收机,具有信标跟踪、载波跟踪或同时跟踪功能,可以不依赖调制解调器独立工作。2结构

该天线采用新颖的二维断面扫描装置,收发天线面分离,两个天线面均为层式同心圆盘结构,装置由一组简单的可旋转同心圆盘组成。从上到下依次为极化控制层;CTS天线层(上层圆盘),静态的线源激励层(下层圆盘)。激励层是带有连续线性辐射源的一维晶体格栅盘,即激励源层。通过转动下层圆盘实现方位面的波束扫描,转动上层圆盘实现俯仰面的波束扫描,两层都是通过机械皮轮带动圆盘转动,最底层的盘同时起射频隔离作用。各层间的电波传播为空气介质传导方式,阻抗损耗被降低到最小的程度,因此阻抗效率大幅度提高,由于高阻抗效率和采用巧妙的阻抗扫描损耗的降低方法,采用VICTS技术的天线在获得相同性能的情况下,比普通的天线所需的天线面积减少了30%到75%,即使在很极端的扫描角度(0°~20°)下也可以较好地工作。天线寻星采用机械扫描和电扫描相结合的方式。

图1VICTS天线结构剖面图

工作原理VICTS技术天线采用一整套功能完善的传感器和电子器件配合一套科学的算法,可使天线在运动和静止状态均能精准对准目标卫星。天线可以实现电子扫描和波束动态聚焦,如波束的线性扫描、扇形扫描以及动态聚焦等。结合各层盘面的机械运动,实现方位、俯仰和极化的调整。采用VICTS技术的天线波束图与常规抛物面截然不同,该方向图是非对称和动态的。该天线的方向图因仰角、方位角和极化角的不同而不同,天线的主波束是在天线面上是动态移动的,不同的频率、仰角、方位角和极化角时,天线的主波束也处在天线面的不同位置,见图5。红色表示主波束所在位置。因此,该天线的波束图有无数个,只有固定了频率、方位角、仰角和极化角时,天线波束图才是惟一的。采用这一技术的该天线的主波束的功率谱密度(PSD)是可控的,同理旁瓣功率谱密度也是可控的。

图2VICTS天线波束图举例抛物面天线波束图与VICTS天线波束图的对比。从图6中可以看出,抛物面天线的副瓣是水纹状呈现对称性向四周衰落的;从图7中可以看出,VICTS天线的副瓣主要分布在主瓣旁呈十字状分布。这一特性使得天线适用于工作在大极化角状态,而不会带来临星干扰,并且大幅度提高主波束谱密度,因而该技术的使用可以大幅提高卫星频带利用率。

图3抛物面天线波束图

图4VICTS天线波束图天线工作时,首先,GPS定位出天线所在位置的经纬度,根据设置的目标卫星轨道位置,计算出当时接收天线的方位角和仰角和极化角。天线的波束自顶部开始快速扫描,直到天线内的信标接收机在设定的频率上收到一个窄带的信号;车辆在运动过程中,结合倾角仪和陀螺仪(惯导)给出的俯仰、航向、横滚、角速度、加速度等参数,不断连续校正车体的滚动和倾斜差值,保持天线内的信标接收机在设定的频率上,收到的窄带的信号电平保持在一个最佳水平上;之后天线控制系统精确微调天线将接收波束调整到最佳位置,并进行峰值捕获精准对星。接收天线对星完成后,发射天线参照接收天线的位置,自动将发射波束对准目标卫星。陀螺仪(惯导)在运动中保持两个天线面始终处于正确位置。接收天线始终持续检测信号以保证接收天线面始终处于最佳对星状态,同时不断校正因车体运动产生的偏差。初始对星时间不大于30秒,之后的再次对星时间小于1秒。

图5VICTS盘面和波束调整示意图4特点(1)超低高度。天线高度仅11厘米。(2)全内置。天线的功放、LNB、陀螺和天线控制单元等,完全集成在天线体内部。(3)收发天线面分开。采用VICTS技术的ThinSat300有收和发两个天线面,由于使用独特的设计,省去了TR组件、移相器、波束控制器件等。使天线高度和成本大大降低。易于实现轮廓低,易于与车辆共形、天线体积比传统的电子扫描相控阵小,对于给定的GT值,该天线只有传统的抛物面天线的口径尺寸25%到40%。VICTS技术适用于X波段、Ka波段以及W、Q等多个波段。(4)高频谱利用率。由于VICTS技术独特的旁瓣特性,使用VICTS技术的天线可以采用高谱密度的调制方式和高编码率,如5/6、7/8甚至更高。例如:常规车载低轮廓天线采用1/2BPSK,传输的信息速率为2.048Mb/s时,占用卫星频宽约为5.2MHz;而采用本天线,可以使用7/8QPSK的编码调方式,占用卫星频宽仅为1.67MHz。可见传输同样的信息速率,大大节省卫星带宽。(5)极低邻星干扰。VICTS技术因其独特的天线波束特性,天线的旁瓣低,可以达到-20dB以下。图9中虚线表示卫星轨道,可见该天线只有主波束在目标卫星的轨道弧线上,目标卫星的轨道弧上几乎没有旁瓣,因此不会带来邻星干扰。

图6VICTS天线波束图与卫星轨道示意图(6)简单直观的操作界面

(7)系统造价低,性价比高。采用VICTS技术天线集成的卫星车系统,能有效提高车辆通过性能,同时系统总造价大大降低。卫星信道占用少,节省卫星信道租用费;天线重量轻安装简单,体积小,车辆负荷低,车改费用大幅度降低;天线耗电低,节省供电设备费用和耗电量。(8)应用领域。该天线在车载领域的应用暂露头角,正在逐步得到用户的接受和认可;船载应用与常规天线应用一样。机载应用将显现出更大的优越性:收发分开的布局方式,使安装更加灵活方便。低高度可以极大地降低气动风阻,便于与飞行器进行整体设计;重量轻可提高飞行器的有效载荷。

原文标题:可变倾角连续断面节阵列(VICTS)天线技术初探

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