基于四面阵的低成本卫通相控阵天线

2018-05-10季帅张慧锋

现代导航 2018年2期

季帅，张慧锋

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

卫通系统主要实现移动载体与同步卫星的动中通通信过程，具有覆盖范围广泛、链路稳定、不受地形限制等有优点，其核心在于卫通天线的设计。传统卫通天线主要基于抛物反射面天线，但随着现代信息化的发展，对卫通系统的灵活机动要求愈发迫切，传统的抛物反射面天线无法实现无人机、微小卫星等轻小型飞行器的特殊平台应用需求。为实现新一代卫通天线的应用需求，亟需实现小型化、通用化、低剖面的轻型卫通天线系统设计[1-3]。

近年来，大力发展的相控阵电扫描天线阵列为新一代卫通天线的发展指引了方向，但其自身的不足严重的制约了卫通相控阵天线的发展，主要缺陷在于：

（1）相控阵天线昂贵的成本使得其在卫通天线的应用方向受限；

（2）传统的平面相控阵天线无法实现卫通应用下的全空域扫描范围，亟须研发出相关的技术手段解决此类问题[4-7]。此外，目前多功能、多任务雷达系统，包含了侦、干、探、通乃至导航等多个功能领域的应用，相控阵未来的发展将扩展至军品、民用、航天等市场的方方面面，低成本相控阵将成为未来科技发展的重点。

1 卫通天线发展趋势

新一代卫通天线的应用需求，亟需实现小型化、通用化、低剖面的轻型卫通天线系统设计，卫通天线发展趋势主要有以下几个方面：

（1）卫通天线频段要求更宽：随着信号传输距离和通信数据率的增加，传统的天线带宽已不能满足系统需要，系统设计要求卫通天线具有更宽的频带范围[8]；

（2）Ka/Ku双频双极化天线：伴随着Ka频段同步卫星的发射，卫通的频段需要覆盖传统的 Ku波段和新开发的Ka波段，主要的研究内容包括：Ka/Ku双频双极化天线、馈电网络、微波器件等方面。

（3）相控阵卫通天线：相控阵电扫描天线阵列为新一代卫通天线的发展指引了方向，使小型化、通用化、低剖面的高性能相控阵卫通天线成为可能，但但其自身的不足严重的制约了卫通相控阵天线的发展，亟需突破以下关键技术：

天线共形技术：为展宽天线的扫描角度，实现天线与载体平台的完美共形；

移相器技术：利用MEMS、光电、压控电介质等新兴技术实现高性能电扫描相控阵卫通天线的设计；

稀布阵技术：利用一定的规律，在阵列天线孔径中去掉部分单元，实现阵列天线的稀疏栅格排布，稀布阵相对于满阵具有低成本、扩大天线虚拟孔径的优点；

数字化阵列：全数字阵列可以对波束、波形等天线参数实现灵活控制，简化卫通相控阵天线的模拟电路设计，实现卫通天线的小型化和高性能[15]。

2 基于四面阵的相控阵卫通天线方案

为实现小型化、通用化、低剖面的轻型卫通天线设计，本文拟采用基于四面阵的天线阵列稀疏栅格排布方式，以实现低成本全空域覆盖的高性能卫通天线，该卫通天线工作于Ku频段，通过切换四个面的稀疏栅格排布的天线阵列，实现分时 360°的全空域覆盖。该天线为降低相控阵的成本，利用不同方位阵面的波束覆盖不同的空域，在工作时，采用开关切换的工作方式，选择不同的阵面工作。此工作方式可保证在低成本的前提下实现相控阵的全空域覆盖。

本天线阵列具体组成包括：四组N个有源天线子阵（对应于卫通天线的四个面），公共路的开关组、发射组件、收发公共通道、变频组件、数字组件、信号处理组件、频率合成模块和电源组件。其中，有源天线子阵主要实现了通信上行信号的放大辐射和下行信号的低噪声放大接收；开关组主要实现四个面的工作切换；发射组件主要实现通信上行信号的放大；收发公共通道主要实现上/下行射频信号的放大；变频组件主要实现上行基带信号的上变频和下行通信信号的下变频；数字组件中主要用于实现上行基带信号的产生和下行中频信号的AD采样，AD采样实现中频的信号特征提取，提取的信号特征经预处理后传输至信号处理单元进一步处理；频率合成模块主要用于产生变频组件所需的本振信号、数字组件的参考信号和定时信号；信号处理组件主要实现对上行通信信号的编码和下行通信信号的解析，有源天线子阵的移相衰减及各开关的控制信息、开关组的状态信息、频率合成模块的频率控制信息等均由信号处理单元提供。

有源天线子阵包含：天线单元和功分馈电网路组成的阵列天线、开关、低噪放、多功能芯片，如图1所示，所有的有源器件：开关、低噪放和多功能芯片直接与阵列天线的印制板集成设计为有源天线子阵，利用有源天线子阵替代了传统的天线加TR组件的组合方式，该方式有效降低了系统成本、安装复杂度、结构尺寸及重量，所应用的多功能芯片包含双向放大、数控移相、数控衰减功能，其中，数控移相可完成 180°、90°、45°、22.5°、11.25°、6.125°的移相过程，移相精度须保证在±5°内；数控衰减由6位数字信号控制，可完成0.5～31.5dB的衰减；放大增益及输出P-1需满足子阵系统的链路接收增益及发射功率需要。

图1 低成本有源天线子阵示意图

基于四面阵的低成本相控阵天线处于发射状态时，首先由数字组件产生N路中频信号（信号波形包含：连续波、线性调频、编码信号），经变频组件的N路变频通道的上变频作用产生高频发射信号，发射信号经发射组件放大、收发公共通道的放大后，由N个单刀四掷开关组成的开关组，传输至有源天线子阵经多功能芯片的放大、移相衰减作用后，辐射至空间中，N个单刀四掷开关对应4组分别由N个有源天线子阵组成的天线辐射阵面。

基于四面阵的低成本相控阵天线处于接收状态时，回波信号辐射至各有源天线子阵的各天线单元后，经有源天线子阵的功分器合成后，由开关传输至有源天线子阵的接收通道，经低噪放放大作用后，经多功能芯片的放大、移相衰减作用，传输至有源天线子阵的输出端口。N个有源天线子阵的输出信号传输至开关组，经开关组的选通作用后，传输至收发公共通道实现放大，N路完成移相衰减的回波信号经变频通道实现下变频，变为N路中频信号，传输至数字组件，实现中频采样和预处理，系统工作过程如图2所示。

图2 基于四面阵的卫通相控阵天线原理示意图

图3 有源天线阵面载体平台安装示意图

在棱台的四周梯形面实现有源天线子阵的阵列布置，有源子阵通过4*N只射频短电缆与开关组实现互通，开关组、发射组件、收发通道、变频组件、数字组件、电源组件实现层叠式的集成化设计，之间的信号互联利用射频接头、多芯接头的垂直互联实现信号互通，如图3所示。该方式的优势在于，可实现传感器的前端（有源天线子阵）与载体平台的完美共形，不受空间限制。

所述的变频组件为发射、接收公用的变频通道，其本振信号由频率合成模块提供；所述的数字组件功能包含：AD采样实现中频的信号特征提取，提取的信号特征经预处理后传输至信号处理单元进一步处理；FPGA+DA的任意波形产生，其控制信息由信号处理单元产生；有源天线子阵的移相衰减及各开关的控制信息、开关组的状态信息、频率合成模块的频率控制信息均由信号处理单元提供。

基于四面阵的低成本相控阵天线为降低相控阵的成本，利用不同方位阵面的波束覆盖不同的空域，在工作时，采用开关切换的工作方式，选择不同的阵面工作；所述的有源天线子阵包含：天线单元和功分馈电网路组成的阵列天线、开关、低噪放、多功能芯片，有源器件：开关、低噪放和多功能芯片直接与阵列天线的印制板集成设计为有源天线子阵，利用有源天线子阵替代了传统的天线加 TR组件的组合方式，该方式有效降低了系统成本、安装复杂度、结构尺寸及重量。

该相控阵天线具有天线增益高、波束切换快等优点，无需伺服系统和稳定平台。该阵列天线在极化控制、副瓣和交叉极化抑制方面具有优越性。利用基于天线单元辐射功率排序方法的功率分级方法，针对由开关矩阵选择天线单元组成的阵列天线，可以解决其辐射功率控制的问题。