船載衛(wèi)星通信天線關鍵技術指標研究

田懂勛

（浙江中星光電子科技有限公司 浙江省寧波市 315500）

1 天線的類型及口徑

船載衛(wèi)星通信天線一般使用拋物面天線，天線由主反射面、副反射面和饋源三部分組成。使用副反射面的天線，饋源的輻射方式由拋物面的前饋方式改變?yōu)楹箴伔绞?，這使天線的結構較為緊湊，從而能夠最大限度的減小天線罩的尺寸。天線內部結構及天線罩如圖1、圖2所示。

船載衛(wèi)星通信天線的口徑與通信頻率密切相關，目前國內外主流的船載寬帶衛(wèi)星通信天線仍然以Ku 波段為主。船舶作為一種移動載體，天線只能安裝在羅經(jīng)甲板上方，甲板空間有限，只能選擇合適口徑的天線安裝。特別對于漁船這種數(shù)量大但體積小的船舶，一般只能安裝口徑在1m 以下的天線。天線口徑越小，天線罩也越小。在當前全球VSAT 通信市場快速發(fā)展的今天，衛(wèi)星帶寬資源越來越多，船載衛(wèi)星通信終端產(chǎn)品越發(fā)成熟，在保證不產(chǎn)生鄰星干擾的情況下，天線口徑越做越小是一種趨勢，從而滿足不同類型船只的使用需求。但是對于天線口徑，我國政府和國際電信聯(lián)盟（ITU）都有一定的要求。

2013年1月21日，中國工信部發(fā)布工信部無【2013】29 號文件《衛(wèi)星固定業(yè)務通信網(wǎng)內設置使用移動平臺地球站管理暫行辦法》，其中第五條第（五）款規(guī)定“船載移動平臺地球站使用Ku頻段發(fā)射信號時，所使用的拋物面天線口徑不得小于0.8 米”。

國際電信聯(lián)盟（ITU）在瑞士日內瓦召開的世界無線電通信大會（WRC -03）產(chǎn)生的902 號決議文件，對用于船舶的Ku 波段和C 波段的最小天線口徑進行了規(guī)定。決議不僅僅與天線口徑有關，它包含頻率位置，船舶活動區(qū)域和傳輸技術限制。文件明確規(guī)定，Ku 波段最小天線口徑可以減小到0.6m，只要干擾不大于1.2m 天線。決議還強調，干擾主要取決于EIRP 密度。2006年，歐盟在WRC-03 的基礎上，更新了船載地球站的標準和規(guī)定，將Ku 波段最小直徑規(guī)定為0.6m。美國聯(lián)邦通訊委員會（FCC）在WRC-03 基礎上也更新了國內標準，但只規(guī)定了船載地球站在Ku 波段的干擾測量要求，沒有提到天線口徑，即不對天線口徑做硬性要求，只要天線滿足干擾要求即可入網(wǎng)使用。

在確定了天線口徑之后，拋物面天線的電性能指標仍然是評價船載衛(wèi)星通信天線的基礎指標，具體包括接收和發(fā)射頻率范圍和增益、第一旁瓣電平、交叉極化隔離度、駐波比等。此外，考慮到船載衛(wèi)星通信天線的真實使用環(huán)境，測量以上電性能指標時，需要考慮天線罩的影響，甚至應該帶著天線罩進行測量。

2 穩(wěn)定型和電機傳動

船載衛(wèi)星通信天線的穩(wěn)定型是結構設計的基礎，電機和傳動方式選擇決定了天線綜合性能和使用壽命。

2.1 天線穩(wěn)定型

圖1：天線內部結構圖

圖2：天線外觀圖

船載衛(wèi)星天線與固定衛(wèi)星天線最大的不同在于，船載衛(wèi)星天線需要設計一個穩(wěn)定型結構，可以自動調整天線的角度，使天線始終對準衛(wèi)星的方向，從而保證信號的不間斷傳輸。常規(guī)衛(wèi)星通信一般采用線極化，除了天線的軸線要對準衛(wèi)星方向外，還要調整天線的極化角，使天線的收發(fā)效率處于最佳狀態(tài)。

船載衛(wèi)星通信天線一般采用兩軸穩(wěn)定型結構或者三軸穩(wěn)定型結構。兩軸結構通過調整天線的方位角和俯仰角對準衛(wèi)星，再上加極化角的自動調節(jié)，至少使用三個電機。三軸結構通過調整天線的方位角、橫滾角和俯仰角對準衛(wèi)星，再加極化角，至少使用四個電機。

兩軸穩(wěn)定型結構簡單，以方位角轉臺為基座，上接俯仰角轉臺模塊，但在方位角和俯仰角轉動的過程中，需要實時調節(jié)極化角，否則在方位角和俯仰角變化時，極化角會偏離最佳角度。三軸穩(wěn)定型在方位角和俯仰角之間增加一個橫滾角轉臺，橫滾角始終處于水平狀態(tài)，橫滾角的自動調整，不僅能夠較少天線方位角和俯仰角的調整壓力，還為極化角提供了一個固定的水平基準，天線在搖擺瑣星過程中，不需要再實時對極化角進行調整。

另一方面，兩軸穩(wěn)定型只適用于衛(wèi)星天線俯仰角較低的區(qū)域，在某些極端情況下，船舶航行在赤道下方，并且途徑衛(wèi)星經(jīng)度所在區(qū)域附近時，天線的俯仰角接近90°，此時方位角調整和極化角調整趨于同軸，對天線的指向精度調整失效，從而導致兩軸天線無法正常工作。但是對于三軸天線，此時方位角和橫滾角的角色發(fā)生互換，橫滾角對天線指向精度影響因子變大，方位角對極化角的穩(wěn)定起決定作用。但是仍然能夠通過自動調節(jié)的方式，應對這一變化，從而保證天線穩(wěn)定型適用于各種不同的應用場景。所以市場上，除了明確在特定區(qū)域使用的天線使用兩軸穩(wěn)定型，通用型船載衛(wèi)星通信天線一般使用三軸結構。

三軸天線比兩軸天線有著更快的跟蹤速度，特別是搖擺劇烈的環(huán)境中使用，三軸天線的優(yōu)勢會更加明顯。但是三軸天線對配重要求更高，從極化軸、俯仰軸、很滾軸到方位軸，每個軸的配重都要調節(jié)平衡。特別是使用無刷直流電機時，電機在低速運動時扭矩較小，如果配重不平衡，海浪對船體的突然沖擊或者船體自身的劇烈震動直接作用到天線基座，慣性的作用會使天線角度發(fā)生變化，從而直接影響天線的跟蹤精度。

2.2 電機和傳動

船載衛(wèi)星通信天線一般使用小型電機，包括步進電機、無刷直流電機或者伺服電機等。

步進電機控制起來較為容易，對于研發(fā)人員而言非常容易上手，且步進電機扭矩較大，在低速使用場景下優(yōu)勢明顯，一般適用于兩軸穩(wěn)定型天線。步進電機的缺點也很明顯，一是功耗較大：無論天線運動是否劇烈，步進電機始終要消耗較大的電流，對電機驅動和電機自身的散熱要求較高。二是轉速較慢：步進電機雖然能夠滿足大部分的海浪搖擺環(huán)境，但工作在劇烈的搖擺環(huán)境下會比較吃力。三是容易抖動：步進電機扭力較大，天線追蹤衛(wèi)星時，往往在做幅度輕微的左右轉動，控制不好節(jié)奏很容易出現(xiàn)抖動，特別是在震動的環(huán)境下更加容易出現(xiàn)。

無刷直流電機轉速高，一般用于三軸穩(wěn)定型天線，天線的跟蹤速度很快。缺點是扭矩小，對天線的配重要求高；控制難度較大，研發(fā)前期需要投入較多的精力研究控制算法。如果使用無刷直流伺服電機，電機自帶編碼器，可以降低開發(fā)難度，但是電機成本會隨之上升。

主流的船載衛(wèi)星天線產(chǎn)品一般使用皮帶傳動，皮帶傳動的優(yōu)勢是平穩(wěn)、無間隙，特別是在震動的環(huán)境下，船體的震動還能被皮帶吸收一部分。齒輪傳動對機械加工精度、齒輪強度和抗腐蝕性能都要求較高，否則會存在轉動間隙，影響跟蹤精度。另外，船載衛(wèi)星天線在跟蹤衛(wèi)星的過程中，方位角和俯仰角一直在左右微調角度，體現(xiàn)在齒輪上，就是一兩個齒在反復左右咬合傳動，長此以往，容易對特定位置的齒造成疲勞損壞。而且齒對齒一般是硬性接觸，船體的震動也會隨之傳動到天線上，對天線的跟蹤精度產(chǎn)生一定影響。

皮帶傳動的一個潛在風險是老化和斷裂問題，在進行天線結構的設計時，必須要考慮到皮帶的齒形、長寬厚度、松緊調節(jié)以及傳動比等因素，合理的方案設計和優(yōu)質的供應商選擇是產(chǎn)品是否成功的關鍵。

3 射頻傳輸方案

船載衛(wèi)星通信天線一般分為室外天線單元（ODU）和室內天線控制器（ACU），ODU 與ACU 之間一般有四根線纜，分別是電源、控制、發(fā)射和接收。其中發(fā)射和接收是射頻信號。發(fā)射信號由衛(wèi)星調制解調器（Modem）的發(fā)射口連接上變頻功率放大器（BUC），再通過饋源到天線發(fā)射到衛(wèi)星，接收信號是由天線接收的信號經(jīng)低噪聲下變頻（LNB）輸出，連接到調制解調器的接收口。

電源和控制屬于直流和低頻信號，可以通過導電滑環(huán)在連續(xù)旋轉的結構中傳輸。但是兩路或者多路射頻信號的傳輸有一定技術難度，一般有三種解決方案——雙線傳輸方案、單線傳輸方案和Modem 內置方案。

3.1 雙線傳輸方案

雙線傳輸方案是通過兩根同軸線纜線將發(fā)射信號和接收信號從室外傳輸?shù)绞覂?，分為雙線繞線方案和雙通道旋轉關節(jié)方案。顧名思義，雙線繞線方案使用兩根同軸線纜線，直接將BUC 和LNB 連接到Modem 上。當天線方位角旋轉時，兩根同軸線纜會繞在一起。如果采用這種繞線結構，必須對天線的方位角轉動范圍進行限制，一般是0°～680°，否則兩根線繞在一起很容易扭成一根麻花而扯斷。

雙線旋轉關節(jié)方案是在方位角旋轉處使用一個雙通道旋轉關節(jié)，雙通道旋轉關節(jié)能夠在連續(xù)旋轉的環(huán)境中不間斷傳輸兩路射頻信號，從而解決繞線方案中不能連續(xù)360°旋轉的問題。但雙通道旋轉關節(jié)價格非常高，嚴重制約了該方案的快速普及應用。仍然有很多用戶在綜合考慮了兩種方案的性價比之后，選擇使用雙線繞線方案，畢竟船舶在海上航向，很少出現(xiàn)連續(xù)掉頭的情況。

3.2 單線傳輸方案

單線傳輸方案是指在同軸線纜通過方位角轉臺時，將收發(fā)兩路射頻信號合并成一路，在一根線纜中傳輸，這樣只要在方位角旋轉處使用一個單通道的旋轉接頭，就可以把射頻信號傳輸出去。

該方案的技術難點在于要設計一種信號移頻電路，在ODU 中將發(fā)射和接收信號進行移頻處理，使發(fā)射信號和接收信號分布在不同的頻率段，然后合并在一起傳輸?shù)紸CU 中，ACU 再對兩路信號進行移頻恢復處理，恢復到合并前的狀態(tài)，然后分別連接到Modem 的發(fā)射和接收。

此方案配合一個導電滑環(huán)傳輸電源和控制信號，就可以以相對低的成本解決天線360°無限制旋轉的問題。而且更進一步，還可以對控制信號進行調制，得到不同于發(fā)射和接收的射頻信號，從將電源、控制、發(fā)射和接收全部集成到一根同軸線纜中，ODU 連接ACU 自上而下只需要一根同軸線纜，大大簡化了安裝布線數(shù)量和難度。但該方案前期需要投入較多的研發(fā)精力，目前在技術上處于領先地位。

3.3 Modem內置方案

Modem 內置方案是指直接將Modem 放置在天線罩內部，天線方位角轉臺上，跟方位角一起旋轉。此時，兩路射頻信號無需穿過方位角轉臺，Modem 只需要輸出一根網(wǎng)線，通過導電滑環(huán)即可連同電源和控制信號一起傳輸?shù)绞覂龋瑥亩鴱母旧媳苊饬松漕l信號傳輸?shù)碾y題。但該方案通用性較差，要求把特定的Modem 集成到船載衛(wèi)星通信天線內部，針對不同的用戶要做特殊定制，而且Modem 放在室外使用，出現(xiàn)故障時更換維修難度較高。

4 天線控制性能

船載衛(wèi)星通信天線作為一款智能尋星天線，其最重要的控制性能有兩項，一是開機尋星時間，二是天線跟蹤精度。

4.1 尋星時間

天線的尋星時間是指開機后到鎖定目標衛(wèi)星所需的時間，這個時間一般在1～5 分鐘。天線的尋星時間跟船舶所處的運動狀態(tài)有關，在搖擺劇烈的環(huán)境中，天線的尋星時間會延長。

天線的尋星時間由系統(tǒng)初始化、傳感器校準、GPS 獲取與角度計算、初始尋星與識別等過程組成。最好的尋星控制算法，能夠充分利用理論計算的方位角、俯仰角和極化角角度信息，并以傾角傳感器提供的水平面和電子羅盤提供的方向為基準，快速調節(jié)天線姿態(tài)角度，在方位角旋轉一周內鎖定并識別目標衛(wèi)星。

衛(wèi)星搜尋過程中，最重要的一個環(huán)節(jié)是識別衛(wèi)星信號。天線并不能直接讀取衛(wèi)星信號的強弱，只能通過特定的電路將衛(wèi)星信號轉化為電壓輸出或者可供讀取的數(shù)值，才能間接的獲取當前接收到的信號強弱，并以此作為是否鎖定衛(wèi)星的判斷依據(jù)。

用于鎖定的衛(wèi)星信號一般有三種類型——衛(wèi)星信標、通信載波和電視載波。其中衛(wèi)星信標是衛(wèi)星上發(fā)射的一個頻率和幅度都固定的信號，不同衛(wèi)星具有不同的信標信號，可以用于天線對星和自動跟蹤。但是衛(wèi)星信標信號帶寬非常窄，需要專用的信標機才能捕獲，用于船載衛(wèi)星通信天線，成本較高。通信載波和電視載波帶寬較寬，鎖定難度低，但是鎖定后還需要進行衛(wèi)星識別，判斷當前鎖定衛(wèi)星是否為目標衛(wèi)星。一般可以通過與Modem 通信進行確認，或者識別載波內包含的更具體的信息，比如網(wǎng)絡編號（NID）進行判斷。只有鎖定信號并識別目標衛(wèi)星，才算完成尋星動作。

4.2 跟蹤精度

天線的跟蹤精度是指天線在跟蹤衛(wèi)星的狀態(tài)下，天線軸線對準衛(wèi)星的指向偏差，一般要求跟蹤精度在0.2°。實際上很多小口徑的天線比如0.6m 天線，很難做到0.2°的跟蹤精度。因為天線的跟蹤精度不僅受制于跟天線的機械結構精度和配重平衡、硬件和軟件的先進性，還跟天線的方向圖有關。

對于小口徑的拋物面天線，天線的3dB 帶寬較寬，0.2°的指向偏差只會產(chǎn)生0.2dB 左右的增益波動，而衛(wèi)星信號在空氣中傳輸，即使完全對準的情況下，也會有一定的信號波動。在這種情況下，天線內的信號識別單元，很難完全通過鎖定最高信號值精準對準衛(wèi)星。反而是口徑越大的天線，方向圖的3dB 寬度越窄，越有利于提升船載衛(wèi)星通信天線的跟蹤精度。

在實際使用中，衛(wèi)星公司在做鏈路計算時，都會預留一定的余量來消除天線指向偏差可能產(chǎn)生的臨星干擾問題。小口徑天線的發(fā)射功率都會有嚴格的限制，只要實際跟蹤精度超過0.5°時能夠立即關閉發(fā)射，一般不會產(chǎn)生太大的臨星干擾問題。

天線跟蹤精度屬于高精度的動態(tài)角度測量，測量的難度非常大，只有精度足夠高、體積又比較小的角度測量設備才能直接進行測量。國內一些廠家和檢測機構使用測量衛(wèi)星信號的方法，借助頻譜儀測量信號功率的變化幅度，再根據(jù)天線的方向圖中天線增益和角度的對應關系，倒推出天線的跟蹤精度。這種測試方法屬于間接測量，容易產(chǎn)生較大的測量誤差，但天線尺寸越大，這種測量方法越準。

5 結束語

我國的海洋衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入快速發(fā)展的階段，相信中國企業(yè)在未來的3～5年即可快速在國內實現(xiàn)船載衛(wèi)星通信天線的普及應用，同時將產(chǎn)品推向全球市場，并憑借絕對的性價比優(yōu)勢，逐步替代韓國成為全球船載衛(wèi)星通信天線生產(chǎn)基地。