一种新型X频段便携测控站天线的设计与实现

李增科，张晓冲*，金立斌，李 鹏

(1.中华通信系统有限责任公司河北分公司，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

便携式卫星接收系统在具备传统卫星通信不受地理位置和距离限制、业务承载灵活多样等优势的同时，因其体积小、重量轻、可通过手提和背负的方式进行人工携带等优点，在自然条件恶劣的应急通信以及军事通信中发挥着越来越重要的作用[1-2]。在实际工程中常常需要传输多种业务,例如话音通信、数据通信以及图像通信等。便携式测控站天线是通过远端主站与卫星形成的卫星通信链路来实时通信的，进而对目标进行实时观测和控制[3-4]。

在抛物面天线领域，为满足天线运转范围和过顶跟踪等不同的技术要求，出现了各种各样运动形式的结构座架，其中就包括X-Y座架形式[5-6]。座架两旋转轴线(俗称X,Y轴线)之间的空间垂直度是评估座架轴系精度的重要指标。传统的天线座为方位-俯仰(A-E)型结构，A轴为铅垂状态，E轴位于A轴上方，呈水平状态，通过两轴的转动，天线波束可以指向整个空域。但当目标仰角趋于天顶时，方位角速度趋近于无穷大，而A轴速度不可能无限增加，因此当目标进入“盲锥区”时，A-E型天线座无法跟踪[7]。将A-E型天线座的E轴转到水平位置，这时天线座的“盲锥区”就转移到地平线附近，能够实现天线的过顶跟踪，这种天线座被称为X-Y 天线座，它的2个旋转轴分别称为X轴和Y轴，均为水平配置，且互相正交，2个轴只需旋转180°就能够覆盖整个空域，因此不需要高频旋转关节、汇流环或电缆卷绕装置[8]。

便携站在国内外均已经相当成熟，口径最小到零点几米，座架形式也多种多样，但多为A-E座架形式，而且以通讯居多[9-13]。小型X-Y座架形式的天线目前应用较少，而收发一体的便携式测控站也是极为少见。本文的0.9 m X频段收发一体便携测控站天线在国内是一次很好的开创性试验。

0.9 m便携站天线是为某需求所研发的便携式X频段收发一体测控站天线，用于实时进行小卫星信号的接收和小卫星姿态的调整。该便携站打破了以往单通讯的用途，增加测控功能，是研发的第一套小型、便携的测控通讯一体化设备。在设计中，为了解决极轨卫星过顶跟踪的问题，系统设计采用X-Y座架全新形式，充分考虑了走线和外观，并结合了射频收发设备，对整个系统进行了一体化设计。

1 整体设计和电气指标

0.9 m便携站天线由X-Y天线座架、0.9 m天线面板、帽子馈源网络、四脚架以及伺服控制单元组成，工作状态实物如图1所示。

图1 0.9 m便携测控站天线工作状态实物

主要性能指标：

① 工作频段

上行：7.0～7.5 GHz；下行：8.0～8.5 GHz。

② 天线增益

G/≥31+20lg[f/f0] dBi(f0=7.25 GHz)；

G/≥32+20lg[f/f0] dBi(f0=8.25 GHz)。

③ 系统G/T值(场放噪温80 K)

在晴空、微风、天线接收仰角10°，环境温度23℃条件下，G/T≥7.0 dB/K。

④ 第一旁瓣：≤-14 dB。

⑤ 轴比：≤2 dB。

⑥ 电压驻波比(在馈线输出、LNA输入端口处)：≤1.4∶1。

⑦ 指向精度：五分之一波束宽度。

2 天馈设计

天馈分系统由天线和馈源组成，主要功能是将微波信号转化成电信号，实现能量之间的转化。该网络可以实现左旋圆极化收发信号。工作频带为7～8.5 GHz，其中7～7.5 GHz为发射频段，8～8.5 GHz为接收频段。通过隔板圆极化器的实现线极化到圆极化的转换，由于只需要左旋圆极化波，因此右旋圆极化波接上负载用于吸收，左旋圆极化波接入频率双工器得到收发2个频段的出口，分别接入功放与低噪。

系统设计中采用帽形馈源形式的小口径天线，结构紧凑、遮挡面积小，很容易实现高效率和低旁瓣设计。目前，帽形馈源已在机载、船载和车载等移动载体平台天线上获得了十分广泛的应用。帽形馈源主要由“帽子”、介质支撑、支撑波导及外波纹加载等构成。馈源为背射形式，与环焦形式的主反射可构成后馈形式的小口径反射面天线。

馈源和馈源网络组装后如图2和图3所示，使用矢量网络分析仪分别测试上行频段和下行频段的馈源网络驻波比，经测试得到的收发频段的驻波比SWR曲线如图4和图5所示。

图2 帽子馈源和天线面组装实物

图3 馈源网络实物

图4 上行频段7.0～7.5 GHz驻波比测试图

图5 下行频段8.0～8.5 GHz驻波比测试图

轴比测试结果如图6所示，可以看出在上行频段测试的驻波比均在1.35以下，下行频段的驻波比在1.25以下，均满足指标要求。

图6 频段7.0～8.5 G轴比测试

从测试的结果可以看出轴比均在1.22以下，满足指标要求。

3 天线座结构与特点

天线座加工实物如图7所示，采用X-Y型座架形式。考虑天线后面网络较多，天线座Y轴采用单边悬臂支撑结构，天线座X轴采用箱体结构。为减少天线的重量和外形尺寸，天线座X,Y轴均无配重设计。天线座架全部采用铝铸件结构，适合大批量生产。天线座驱动系统均采用步进电机和摆线针轮减速器(谐波减速器)的直驱形式，结构紧凑，运动回差小。X,Y轴分别安装关节，减少射频线缆弯折。天线座安装±90°电限位和机械限位，保证天线工作的安全性。

图7 天线座加工实物

4 天线包装运输

0.9 m便携站天线装箱后效果如图8所示，整体重量在45 kg左右，拆分装箱后由三部分组成：① 天线面包装箱，箱内放置天线面、馈源、GPS、伺服控制箱和功放；② 天线座包装箱，箱内放置天线座架及馈源网络；③ 四脚架手提袋。

图8 0.9 m便携站天线装箱后效果

5 仿真计算与实测结果比较

对原理样机进行了测试，并与利用电磁仿真软件CST进行全波仿真分析得到的方向图对比如图9～图12所示。

图9 7.0 G测试与仿真结果的比较

图10 7.5 G测试与仿真结果的比较

图11 8.0 G测试与仿真结果的比较

图12 8.5 G测试与仿真结果的比较

4个频点的测试方向图基本符合仿真结果，主波束变化趋势与仿真结果基本相同，第一旁瓣的测试结果与仿真结果有一定差别，原因是在实际测试中影响因素较多，尤其是地面及天线周边的环境对第一旁瓣的影响是很大的，但是就测试结果来看第一旁瓣均在-14 dB以下，满足技术要求。

对于天线增益,我们是在完成不同频的天线远场方向图测试后,采用3 dB波束宽度法来计算待测天线各个频点的增益,公式表示为[14]:

G=10lg[27 000/(θ3AZ×θ3EL)]。

式中，θ3AZ和θ3EL为方位和俯仰方向图的半功率波束宽度(°)；G为待测波束增益(dB)。测试得到的增益与仿真结果进行比较如图13所示。

图13 典型频点测试增益与仿真曲线对比

从测试结果来看，考虑测试场地坏境因素,增益测试结果与仿真结果基本变化一致，上行频段的增益在34 dB以上，下行频段的增益在35 dB以上，均满足指标要求。

进而又测试了天线的噪声温度，从而得到系统的G/T值，测试结果见表1。

表1 系统G/T 测试记录表

频率/GHz要求TO/KTLNA/KY/dBG/dBTan/K(G/T)/dB·K-18.008.258.50≥7.0dB/K3003003008080802.912.973.1035.7636.0536.59114.44111.77106.1212.8713.2213.89

从测试结果看，系统G/T值均大于12.87 dB/K，这是由于天线的实际效率较高，增益较大的原因，因此系统的G/T值所提的指标较低的原因，因此远远满足指标要求。

综上，研制的便携站天线样机达到了设计预期的各项性能指标；另外，与伺服分系统配合在频点7.775 GHz时对低轨道卫星进行了跟踪测试如图14所示。

图14 对星跟踪测试

对星跟踪测试是从低仰角3°起开始跟踪，跟踪过程中信号稳定，信噪比达到15 dB，跟踪效果良好，达到了预期效果。

6 结束语

本文设计并工程实现了一种新型的0.9 m收发一体X频段便携测控站天线。打破了以往便携站仅仅单通讯的用途，增加测控功能，工程实现了集测控通讯于一体的便携天线；将X-Y座架形式应用在便携天线的系统设计上，成功解决了极轨卫星过顶跟踪的问题。文中的天线座属于无配重式X-Y天线座[15]，其结构紧凑、重量轻、体积小、简单易制且密封性好，适合于转速较低、口径较小的跟踪接收设备。克服了以往X-Y天线座结构松散、跟踪精度低、结构复杂和可靠性差等问题。在结构上X,Y轴均安装了转动关节，对射频走线进行了优化设计，成功解决了射频走线问题，实现了收发共用，后续将对该产品进行持续优化设计，在满足精度要求的情况下，将0.9 m天线面进行分瓣处理。