一种通信天线电子自稳系统设计

2016-04-29李曙光

物联网技术 2016年4期

关键词：坐标转换波束

李曙光

摘要：为了解决舰艇纵横摇对通信天线的影响，设计出了一种通信天线电子自稳系统，并介绍了系统的电子自稳原理，给出了通信天线相位值的计算过程和电子自稳过程。

关键词：摇摆；波束；相位；坐标转换

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）04-00-03

0 引言

舰艇在海面上因受到风浪的作用而产生摇摆运动，为了保证舰载通信天线的高增益，舰载通信天线的波束俯仰方向很窄，舰载通信天线随同舰艇摇摆，就会使舰载天线增益急剧下降，严重影响通信质量，因安装于舰艇平台，通信设备在设计与使用过程中，必须考虑舰艇纵横摇的影响，并进行天线波束稳定，这是舰用设备与岸基设备的显著差别之一。对这种影响的分析、研究已运用于雷达、电子战设备的设计和应用中[1-3]。

舰艇通信天线波束的稳定方法大致分为机械稳定、电子稳定两种。传统的机械稳定平台结构复杂、造价昂贵且易出故障，故目前的通用做法是取消笨重的机械平台，在通信天线的俯仰和方位轴上进行电子补偿来稳定天线的波束。

1 原理

通信天线在零度仰角（水平面）附近的辐射特性，对于处于远场的，不论是海上还是空中对象的通信效果，都具有非常重要的意义。为了尽可能大的服务空域覆盖，通常需要天线垂直面的方向图在水平面附近上半空间具有尽可能大的辐射强度，同时，为了减少由海面反射造成的多径干涉效应，又需要尽量减少水平面附近下半空间的辐射强度。因此，天线的垂直方向图在水平面附近，应该具有尽可能大的场强斜率，以满足这个方向图的要求。然而过于陡峭的场强斜率，会对舰船载体的摇摆很敏感，即舰船向某侧倾斜时，其相反方向上原本指向水平面以下的，很低场强的方向图将指向空中，造成相应覆盖区域场强大幅度下降，从而大大缩短了有效覆盖的作用距离，使远场通信对象无法有效通信。

舰艇在风速3～4级的海况下，最大摇摆幅度将达到±15?左右。在这种情况下射向水平面以下的部分射频场强较强，并通过海面形成反射波，它与直射波将发生多径信号叠加。由于海水的良好导电性，反射波衰减很小，其幅度与直射波幅度具有较大可比拟性，因此对直射波形成较强的多径干涉现象，使海面附近上半空间的直射波与反射波合成方向图随仰角变化形成一系列栅瓣-零陷分布，将会造成远场通信对象通信概率的下降。

电子稳定技术就是根据大地坐标系（静坐标系）与天线阵面坐标系（动坐标系）之间的关系，波控控制单元在计算移相器的移相值前，对天线阵面坐标系下的俯仰角、方位角进行补偿，这就涉及多个坐标系变换问题。

本通信系统采用电子自稳来稳定波束，天线电子自稳系统由角传感器、波束控制单元、相控阵天线组成，通信天线自稳系统组成框图如图1所示。该通信天线电子自稳系统是一种基于相控阵原理的电子稳定天线，舰船摇摆时，天线内置的倾角传感器量化摇摆矢量，并通过处理器转换成相位变化信号来控制天线各辐射单元的相位，从而改变天线不同方位上辐射波束的俯仰指向，综合形成相对于海平面平稳的方向图，实现对作用空域的稳定连续覆盖，其核心是相位值的计算。

2 相位值计算过程

相位计算是根据大地坐标系（静坐标系）与天线阵面坐标系（动坐标系）之间的关系，把摇摆角度转换成天线阵面坐标系下的俯仰角与方位角的相位补偿，这就涉及多个坐标系变换问题，角传感器为波束控制单元提供的舰船姿态角信息主要有横摇角、纵摇角、航向角，其符号及方向规定如下：

（1）H-航向角，舰船首尾线在水平面投影相对正北的转角，顺时针为正。

（2）P-纵摇角，舰船首尾线相对水平面的转角，舰首抬起为正。

（3）R-横摇角，绕舰船首尾线相对水平面的转角，左弦抬起为正。

（4）A-倾斜角，天线阵面所在的x， y平面向后倾斜的角度。（一般天线安装好为固定值）。

2.1 航向角的坐标转换

航向角的坐标转换（x轴指向地理北，y轴指向地理西，z轴铅垂向上，轴xyz构成右手直角坐标系）。图2所示的航向角变化图表示航向角沿坐标轴Z旋转H角，地理坐标M（x，y，z）到新甲板坐标M1（x1，y1，z1），即（x，y，z）→（x1，y1，z1）。

通过如上一系列推导，把船的摇摆角换算成对应天线波控数据表存入波束控制单元，实际工作时调天线波控数据表来实时控制天线波束。

3 天线电子自稳过程

角传感器感应到舰船摇摆角度值，角传感器把船摇摆角度值实时发送给波束控制单元，波束控制单元根据船摇摆角调用天线波控数据表，天线根据天线波控数据表来实时控制天线波束以补偿舰船摇摆。

4 结语