機載低剖面衛(wèi)通天線的發(fā)展與未來

鄒火兒，韓國棟

(中國電子科技集團公司第五十四研究所， 石家莊050081)

0 引言

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信終端的天線技術(shù)也有了長足的進步。針對機載的高機動平臺，衛(wèi)星通信設(shè)備可在飛機運動中實現(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，這也對天線提出了更高的要求。實現(xiàn)機載衛(wèi)星通信的天線技術(shù)有多種形式，如:拋物面天線、平板陣列天線和相控陣天線等［1-5］。

本文首先針對機載平臺的衛(wèi)星通信天線進行了分類梳理，并指出了不同天線形式的優(yōu)缺點;隨后對國內(nèi)外在機載低剖面衛(wèi)星通信天線方面的研究現(xiàn)狀進行了回顧，并著重介紹了國內(nèi)在這一方面開展的研究工作;最后，針對未來機載衛(wèi)通天線的發(fā)展趨勢進行了展望，提出了將來要突破的關(guān)鍵技術(shù)。

1 機載衛(wèi)通天線的分類

20多年來，機載衛(wèi)通天線已經(jīng)從拋物面天線發(fā)展到低輪廓天線。目前，從技術(shù)層面看，機載衛(wèi)星通信天線主要有以下幾種基本類型，分別是:反射面天線、介質(zhì)透鏡天線、陣列天線、相控陣天線等，這也是動中通天線技術(shù)發(fā)展的基本歷程。這幾種天線各有自己的特點，都有自己的應(yīng)用范圍，用戶可根據(jù)衛(wèi)星天線的使用環(huán)境、承載的方式、地理位置、主要業(yè)務(wù)和預(yù)算等情況，綜合來進行選擇。

機載衛(wèi)星通信天線常用的形式有小口徑反射面天線、介質(zhì)透鏡陣列天線、平面陣列天線或多組陣列天線以及相控陣天線。各種形式天線在性能上各有優(yōu)劣，根據(jù)載體的安裝要求和衛(wèi)星系統(tǒng)的使用要求，選用不同的天線形式。

1)傳統(tǒng)口徑反射面和賦形反射面天線

傳統(tǒng)拋物面天線用作動中通天線時，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等。在工作時，其姿態(tài)調(diào)整采用機械式，這類天線的典型代表是美國的TracStar天線等。其特點表現(xiàn)在:

優(yōu)點:增益高、帶寬高。

弱點:普通反射面體積和重量大，安裝不方便。

2)介質(zhì)透鏡以及陣列天線

介質(zhì)透鏡天線采用饋源機械掃描的方式，具有良好的電氣性能，并且可以實現(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)整等功能的實現(xiàn)，天線跟蹤的實現(xiàn)，該天線可方便形成多波束。

其特點主要在于:

優(yōu)點:易實現(xiàn)多頻段、寬頻帶、多波束。

弱點:插損大，陣列控制實現(xiàn)較難。

3)平面陣列天線

平面陣列天線分為一片與多片形式，采用機械掃描方式，其特點表現(xiàn)在:

優(yōu)點:安裝相對簡單，搜索、鎖星時間短。

弱點:天線口徑效率低，增益不高，帶寬也不高(比同口徑拋物面天線要低得多)。

4)相控陣天線

相控陣天線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較小，其姿態(tài)調(diào)整采用電調(diào)式，其特點表現(xiàn)在:

優(yōu)點:體積小、重量輕、安裝簡單。

弱點:天線有效口徑低，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)，在選擇動中通天線類型時，首先考慮采用高增益、高性能的天線形式，而不能拘泥于其外形結(jié)構(gòu)。如果對于特殊應(yīng)用平臺，如機載、艦載等需要與載體共形時，則要考慮采用相控陣體制。

2 機載衛(wèi)通天線的研究現(xiàn)狀

2.1 國外機載衛(wèi)通天線的研究現(xiàn)狀

國外對機載衛(wèi)星通信天線的研究取得了非常大的進展，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、介質(zhì)透鏡天線、平面陣列天線(單片或多組片天線)以及相控陣天線(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、日本以及韓國等較為出色［6-7］。

以美國TracStar公司的等效口徑0.45 m的IMVS450M產(chǎn)品為代表(如圖1所示)，是專為車載或者車載衛(wèi)通系統(tǒng)而設(shè)計的寬帶、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。但其饋源結(jié)構(gòu)復(fù)雜。增益接收≥31.5 dBi，發(fā)射EIRP＞44.5 dBW，重量＜75 kg。

圖1 美國TracStar公司的IMVS450M天線系統(tǒng)

在2004年，美國空軍實驗室研制的介質(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20 GHz時，增益為35 dBi;在頻率為44 GHz時，增益為41 dBi，掃描范圍為80°。

圖2 介質(zhì)透鏡陣列

Mijet系列天線是以色列公司Starling-com的產(chǎn)品(如圖3所示)，是Ku頻段平板動中通天線。Starlingcom公司最初生產(chǎn)的空載動中通衛(wèi)星通信天線，具有輪廓低、增益高、性能好等特點。該系統(tǒng)采用寬帶天線單元，多天線子陣合成技術(shù)，極化自動實時跟蹤，代表了合成天線的最高水平。

圖3 Mijet天線在機身上的位置與內(nèi)部結(jié)構(gòu)

近年來，Starling-com推出兩款飛機上使用的Ku頻段平板動中通天線StarCar，分別為MijetLite和MiniMijet，其外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 StarCar機載平板天線-MijetLite

EL/K 1891機載動中通天線是以色列航空工業(yè)集團公司的產(chǎn)品，被使用在阿帕奇直升機上，提供X/Ku頻段動中通衛(wèi)星通信，天線采用波導(dǎo)縫隙結(jié)構(gòu)，收發(fā)單元為70個～80個。提供低速率數(shù)據(jù)傳輸。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示，天線為二維機掃。

圖5 EL/K1891機載相控陣動中通天線

EMS公司主要從事軍事陸航衛(wèi)星通信方面天線以及系統(tǒng)的研發(fā)工作，其產(chǎn)品類型多為平板縫隙陣列、波導(dǎo)縫隙陣列等，如圖6所示，其高增益天線產(chǎn)品主要有AMT-3800和AMT-3500，以及部分無源相控陣產(chǎn)品。

圖6 K/Ka平板裂縫天線

美國的Kymeta公司與國際海事衛(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，如圖7和圖8所示。天線剖面極低，其中應(yīng)用的超材料可以實現(xiàn)無移相器的電子波束掃描，因此，可以與機身共形，高度低于50 mm。在該天線中采用了可重構(gòu)結(jié)合超材料表面的天線技術(shù)(MSA-T)，能夠?qū)崿F(xiàn)寬波束掃描。設(shè)計的天線具備相控陣天線的波束掃描性能，但無需移相器以及相關(guān)的放大器及其他元器件。

圖7 基于超材料的天線Ka頻段相控陣天線

圖8 在機背上安裝Kymeta天線的示意圖

2007年1月，美國諾斯羅普·格魯門公司為首顆先進EHF頻段軍事衛(wèi)星通信載荷開發(fā)的上行鏈路和下行鏈路相控陣天線已經(jīng)安裝到了首個飛行結(jié)構(gòu)上，天線性能(與其他基本載荷組件一道)通過檢驗，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)星通信天線的實際通信驗證，證實了為B-2隱身轟炸機研制的這種新型有源相控陣(AESA)共形EHF衛(wèi)星通信天線能夠與美國空軍在軌的先進極高頻通信衛(wèi)星進行通信。該新型天線能支持戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)任務(wù)，其創(chuàng)新的無透波罩設(shè)計使之能夠在不影響B(tài)-2飛機主要作戰(zhàn)性能的情況下，為該機帶來新的通信能力。

圖9 新型先進EHF天線發(fā)射陣列的測試

2.2 國內(nèi)機載衛(wèi)通天線的研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)對機載低輪廓動中通天線的研究取得了長足進展，一些新穎、高性能的產(chǎn)品也得以推廣。

模仿TracStar公司IMVS450M型天線研制了一款柱面動中通天線，高度為30 cm，重量為75 kg，等效口徑為0.45 m，采用INS慣導(dǎo)模塊、GPS和AGC電平進行跟蹤。

2010年至今，國內(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，擁有多項自主知識產(chǎn)權(quán)。

其中，Ku頻段平板動中通天線CM60，如圖10所示，實現(xiàn)天饋一體化設(shè)計，收發(fā)增益≥36 dB，G/T值≥13 dB/K，采用二維機掃，方位0°～360°無限位，俯仰掃描0°～90°。雙線極化，電子自動極化調(diào)整技術(shù)，交叉極化≥30 dB，其綜合指標(biāo)在國內(nèi)屬于領(lǐng)先地位。

圖10 Ku頻段平板動中通天線CM60

此外，機載波導(dǎo)平板陣列天線在各個平臺上得到了廣泛應(yīng)用，如圖11所示。

圖11 機載波導(dǎo)陣列天線

Ku頻段動中通天線為多組片雙極化波導(dǎo)縫隙陣，片間采用相位補償，電子極化調(diào)整，二維機掃，增益為接收36.4 dB，發(fā)射37.7 dB，G/T值為14 dB/K，重量為50 kg，功耗為450 W。

圖12 Ku頻段動中通天線產(chǎn)品

準(zhǔn)確地說，以上這些天線都是平板陣列天線，未實現(xiàn)波束電子掃描?；陔娮硬ㄊ鴴呙璧囊痪S或者二維動中通天線技術(shù)，國內(nèi)還沒有較為成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)。

3 機載衛(wèi)通天線的發(fā)展方向

通過對各種形式用于移動載體的衛(wèi)星移動通信低輪廓天線分析研究可知，反射面天線、平面陣列及相控陣天線等，都各具優(yōu)缺點，可根據(jù)性能指標(biāo)和載體的要求，選用合適的天線形式。對此，美國通用動力衛(wèi)星通信技術(shù)公司的首席技術(shù)官湯姆·施羅耶認(rèn)為，在未來市場的一段時間內(nèi)，反射面天線仍將是高速率傳輸動中通產(chǎn)品的主流。該公司曾經(jīng)研發(fā)過相控陣天線，并進行過內(nèi)部測試，在天線波束掃描時，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，對于軍事用戶來講有可能達(dá)不到他們的需求。

目前，開發(fā)多用途天線、增加天線帶寬、縮小天線直徑、使用新材料、向已有截面集成天線以及減少目標(biāo)特征等已成為業(yè)界發(fā)展的目標(biāo)，并且國內(nèi)外許多學(xué)者也已經(jīng)著手在這些方面開展了研究［8-9］。所以，動中通天線未來應(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。

圖13 機載衛(wèi)通天線的發(fā)展方向

從天線技術(shù)角度出發(fā)，動中通天線的發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面:

1)研制更寬頻段天線。隨著機載平臺的要求越來越高，機體上要求安裝的天線形式越來越多，如雷達(dá)、遙控、電子戰(zhàn)、導(dǎo)航、通信等多頻段多天線的布局形式，必須要求工作頻率范圍越來越寬，以減少天線種類，為此，必須研制更寬頻段的天線，即超寬帶天線。

2)向Ka、EHF等高頻段天線發(fā)展。伴隨著Ka頻段同步衛(wèi)星的發(fā)射，今后衛(wèi)星地面移動通信業(yè)務(wù)將逐步向Ka頻段推進。由于Ka頻段頻率與目前普遍使用的動中通頻率相比高出了許多。大量現(xiàn)有的成熟技術(shù)無法應(yīng)用到Ka頻段的天線上。因此，需要進行大量的研究工作，主要集中在天線形式和微波網(wǎng)絡(luò)器件的研究。同時，隨著國內(nèi)衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，對AEHF星的發(fā)射，利用其進行軍事通信提高數(shù)據(jù)傳輸能力和信息保密能力，也是未來技術(shù)發(fā)展的重點之一。

3)向共形相控陣天線方向發(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)展為實現(xiàn)高性能的相控陣天線奠定基礎(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，又可靈活對天線陣列進行幅相加權(quán)，從而簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)天線的小型化。

4)新材料和新工藝技術(shù)。隨著共形天線技術(shù)的發(fā)展，對天線的隱身效果要求越來越高，傳統(tǒng)的制作工藝技術(shù)已不能滿足通信性能、隱身性能、機械結(jié)構(gòu)強度和小型化等多個指標(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的發(fā)展帶來了曙光，同時也為與有源相控陣天線技術(shù)有關(guān)的小型化射頻電路、高速場效應(yīng)管的發(fā)展提供了契機。與新材料的崛起相對應(yīng)的新工藝技術(shù)也隨之發(fā)展。先進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)展天線系統(tǒng)微組裝及微波集成工藝，這不僅可以推動共形相控陣的發(fā)展，對于推動整個衛(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)，以填補這一技術(shù)空白。

4 結(jié)束語

現(xiàn)階段，機載衛(wèi)通天線主要以賦形反射面天線和平板陣列天線為主。結(jié)合機械掃描方式對衛(wèi)星進行跟蹤，能滿足大部分的技術(shù)需求?？偟膩碚f，共形相控陣是目前以及未來研究的熱點之一，有著誘人的前景，其優(yōu)越性在于體積小、重量輕、輪廓低，靈活、優(yōu)化地使用波束，減少干擾和被干擾的機會，提高了頻率的利用率，改善了系統(tǒng)性能。隨著技術(shù)水平的不斷提高，成本不斷降低，應(yīng)用面也會大大提高。

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