船载卫星通信天线关键技术指标研究

2020-02-02田懂勋

电子技术与软件工程 2020年15期

田懂勋

（浙江中星光电子科技有限公司浙江省宁波市 315500）

1 天线的类型及口径

船载卫星通信天线一般使用抛物面天线，天线由主反射面、副反射面和馈源三部分组成。使用副反射面的天线，馈源的辐射方式由抛物面的前馈方式改变为后馈方式，这使天线的结构较为紧凑，从而能够最大限度的减小天线罩的尺寸。天线内部结构及天线罩如图1、图2所示。

船载卫星通信天线的口径与通信频率密切相关，目前国内外主流的船载宽带卫星通信天线仍然以Ku 波段为主。船舶作为一种移动载体，天线只能安装在罗经甲板上方，甲板空间有限，只能选择合适口径的天线安装。特别对于渔船这种数量大但体积小的船舶，一般只能安装口径在1m 以下的天线。天线口径越小，天线罩也越小。在当前全球VSAT 通信市场快速发展的今天，卫星带宽资源越来越多，船载卫星通信终端产品越发成熟，在保证不产生邻星干扰的情况下，天线口径越做越小是一种趋势，从而满足不同类型船只的使用需求。但是对于天线口径，我国政府和国际电信联盟（ITU）都有一定的要求。

2013年1月21日，中国工信部发布工信部无【2013】29 号文件《卫星固定业务通信网内设置使用移动平台地球站管理暂行办法》，其中第五条第（五）款规定“船载移动平台地球站使用Ku频段发射信号时，所使用的抛物面天线口径不得小于0.8 米”。

国际电信联盟（ITU）在瑞士日内瓦召开的世界无线电通信大会（WRC -03）产生的902 号决议文件，对用于船舶的Ku 波段和C 波段的最小天线口径进行了规定。决议不仅仅与天线口径有关，它包含频率位置，船舶活动区域和传输技术限制。文件明确规定，Ku 波段最小天线口径可以减小到0.6m，只要干扰不大于1.2m 天线。决议还强调，干扰主要取决于EIRP 密度。2006年，欧盟在WRC-03 的基础上，更新了船载地球站的标准和规定，将Ku 波段最小直径规定为0.6m。美国联邦通讯委员会（FCC）在WRC-03 基础上也更新了国内标准，但只规定了船载地球站在Ku 波段的干扰测量要求，没有提到天线口径，即不对天线口径做硬性要求，只要天线满足干扰要求即可入网使用。

在确定了天线口径之后，抛物面天线的电性能指标仍然是评价船载卫星通信天线的基础指标，具体包括接收和发射频率范围和增益、第一旁瓣电平、交叉极化隔离度、驻波比等。此外，考虑到船载卫星通信天线的真实使用环境，测量以上电性能指标时，需要考虑天线罩的影响，甚至应该带着天线罩进行测量。

2 稳定型和电机传动

船载卫星通信天线的稳定型是结构设计的基础，电机和传动方式选择决定了天线综合性能和使用寿命。

2.1 天线稳定型

图1：天线内部结构图

图2：天线外观图

船载卫星天线与固定卫星天线最大的不同在于，船载卫星天线需要设计一个稳定型结构，可以自动调整天线的角度，使天线始终对准卫星的方向，从而保证信号的不间断传输。常规卫星通信一般采用线极化，除了天线的轴线要对准卫星方向外，还要调整天线的极化角，使天线的收发效率处于最佳状态。

船载卫星通信天线一般采用两轴稳定型结构或者三轴稳定型结构。两轴结构通过调整天线的方位角和俯仰角对准卫星，再上加极化角的自动调节，至少使用三个电机。三轴结构通过调整天线的方位角、横滚角和俯仰角对准卫星，再加极化角，至少使用四个电机。

两轴稳定型结构简单，以方位角转台为基座，上接俯仰角转台模块，但在方位角和俯仰角转动的过程中，需要实时调节极化角，否则在方位角和俯仰角变化时，极化角会偏离最佳角度。三轴稳定型在方位角和俯仰角之间增加一个横滚角转台，横滚角始终处于水平状态，横滚角的自动调整，不仅能够较少天线方位角和俯仰角的调整压力，还为极化角提供了一个固定的水平基准，天线在摇摆琐星过程中，不需要再实时对极化角进行调整。

另一方面，两轴稳定型只适用于卫星天线俯仰角较低的区域，在某些极端情况下，船舶航行在赤道下方，并且途径卫星经度所在区域附近时，天线的俯仰角接近90°，此时方位角调整和极化角调整趋于同轴，对天线的指向精度调整失效，从而导致两轴天线无法正常工作。但是对于三轴天线，此时方位角和横滚角的角色发生互换，横滚角对天线指向精度影响因子变大，方位角对极化角的稳定起决定作用。但是仍然能够通过自动调节的方式，应对这一变化，从而保证天线稳定型适用于各种不同的应用场景。所以市场上，除了明确在特定区域使用的天线使用两轴稳定型，通用型船载卫星通信天线一般使用三轴结构。

三轴天线比两轴天线有着更快的跟踪速度，特别是摇摆剧烈的环境中使用，三轴天线的优势会更加明显。但是三轴天线对配重要求更高，从极化轴、俯仰轴、很滚轴到方位轴，每个轴的配重都要调节平衡。特别是使用无刷直流电机时，电机在低速运动时扭矩较小，如果配重不平衡，海浪对船体的突然冲击或者船体自身的剧烈震动直接作用到天线基座，惯性的作用会使天线角度发生变化，从而直接影响天线的跟踪精度。

2.2 电机和传动

船载卫星通信天线一般使用小型电机，包括步进电机、无刷直流电机或者伺服电机等。

步进电机控制起来较为容易，对于研发人员而言非常容易上手，且步进电机扭矩较大，在低速使用场景下优势明显，一般适用于两轴稳定型天线。步进电机的缺点也很明显，一是功耗较大：无论天线运动是否剧烈，步进电机始终要消耗较大的电流，对电机驱动和电机自身的散热要求较高。二是转速较慢：步进电机虽然能够满足大部分的海浪摇摆环境，但工作在剧烈的摇摆环境下会比较吃力。三是容易抖动：步进电机扭力较大，天线追踪卫星时，往往在做幅度轻微的左右转动，控制不好节奏很容易出现抖动，特别是在震动的环境下更加容易出现。

无刷直流电机转速高，一般用于三轴稳定型天线，天线的跟踪速度很快。缺点是扭矩小，对天线的配重要求高；控制难度较大，研发前期需要投入较多的精力研究控制算法。如果使用无刷直流伺服电机，电机自带编码器，可以降低开发难度，但是电机成本会随之上升。

主流的船载卫星天线产品一般使用皮带传动，皮带传动的优势是平稳、无间隙，特别是在震动的环境下，船体的震动还能被皮带吸收一部分。齿轮传动对机械加工精度、齿轮强度和抗腐蚀性能都要求较高，否则会存在转动间隙，影响跟踪精度。另外，船载卫星天线在跟踪卫星的过程中，方位角和俯仰角一直在左右微调角度，体现在齿轮上，就是一两个齿在反复左右咬合传动，长此以往，容易对特定位置的齿造成疲劳损坏。而且齿对齿一般是硬性接触，船体的震动也会随之传动到天线上，对天线的跟踪精度产生一定影响。

皮带传动的一个潜在风险是老化和断裂问题，在进行天线结构的设计时，必须要考虑到皮带的齿形、长宽厚度、松紧调节以及传动比等因素，合理的方案设计和优质的供应商选择是产品是否成功的关键。

3 射频传输方案

船载卫星通信天线一般分为室外天线单元（ODU）和室内天线控制器（ACU），ODU 与ACU 之间一般有四根线缆，分别是电源、控制、发射和接收。其中发射和接收是射频信号。发射信号由卫星调制解调器（Modem）的发射口连接上变频功率放大器（BUC），再通过馈源到天线发射到卫星，接收信号是由天线接收的信号经低噪声下变频（LNB）输出，连接到调制解调器的接收口。

电源和控制属于直流和低频信号，可以通过导电滑环在连续旋转的结构中传输。但是两路或者多路射频信号的传输有一定技术难度，一般有三种解决方案——双线传输方案、单线传输方案和Modem 内置方案。

3.1 双线传输方案

双线传输方案是通过两根同轴线缆线将发射信号和接收信号从室外传输到室内，分为双线绕线方案和双通道旋转关节方案。顾名思义，双线绕线方案使用两根同轴线缆线，直接将BUC 和LNB 连接到Modem 上。当天线方位角旋转时，两根同轴线缆会绕在一起。如果采用这种绕线结构，必须对天线的方位角转动范围进行限制，一般是0°～680°，否则两根线绕在一起很容易扭成一根麻花而扯断。

双线旋转关节方案是在方位角旋转处使用一个双通道旋转关节，双通道旋转关节能够在连续旋转的环境中不间断传输两路射频信号，从而解决绕线方案中不能连续360°旋转的问题。但双通道旋转关节价格非常高，严重制约了该方案的快速普及应用。仍然有很多用户在综合考虑了两种方案的性价比之后，选择使用双线绕线方案，毕竟船舶在海上航向，很少出现连续掉头的情况。

3.2 单线传输方案

单线传输方案是指在同轴线缆通过方位角转台时，将收发两路射频信号合并成一路，在一根线缆中传输，这样只要在方位角旋转处使用一个单通道的旋转接头，就可以把射频信号传输出去。

该方案的技术难点在于要设计一种信号移频电路，在ODU 中将发射和接收信号进行移频处理，使发射信号和接收信号分布在不同的频率段，然后合并在一起传输到ACU 中，ACU 再对两路信号进行移频恢复处理，恢复到合并前的状态，然后分别连接到Modem 的发射和接收。

此方案配合一个导电滑环传输电源和控制信号，就可以以相对低的成本解决天线360°无限制旋转的问题。而且更进一步，还可以对控制信号进行调制，得到不同于发射和接收的射频信号，从将电源、控制、发射和接收全部集成到一根同轴线缆中，ODU 连接ACU 自上而下只需要一根同轴线缆，大大简化了安装布线数量和难度。但该方案前期需要投入较多的研发精力，目前在技术上处于领先地位。

3.3 Modem内置方案

Modem 内置方案是指直接将Modem 放置在天线罩内部，天线方位角转台上，跟方位角一起旋转。此时，两路射频信号无需穿过方位角转台，Modem 只需要输出一根网线，通过导电滑环即可连同电源和控制信号一起传输到室内，从而从根本上避免了射频信号传输的难题。但该方案通用性较差，要求把特定的Modem 集成到船载卫星通信天线内部，针对不同的用户要做特殊定制，而且Modem 放在室外使用，出现故障时更换维修难度较高。

4 天线控制性能

船载卫星通信天线作为一款智能寻星天线，其最重要的控制性能有两项，一是开机寻星时间，二是天线跟踪精度。

4.1 寻星时间

天线的寻星时间是指开机后到锁定目标卫星所需的时间，这个时间一般在1～5 分钟。天线的寻星时间跟船舶所处的运动状态有关，在摇摆剧烈的环境中，天线的寻星时间会延长。

天线的寻星时间由系统初始化、传感器校准、GPS 获取与角度计算、初始寻星与识别等过程组成。最好的寻星控制算法，能够充分利用理论计算的方位角、俯仰角和极化角角度信息，并以倾角传感器提供的水平面和电子罗盘提供的方向为基准，快速调节天线姿态角度，在方位角旋转一周内锁定并识别目标卫星。

卫星搜寻过程中，最重要的一个环节是识别卫星信号。天线并不能直接读取卫星信号的强弱，只能通过特定的电路将卫星信号转化为电压输出或者可供读取的数值，才能间接的获取当前接收到的信号强弱，并以此作为是否锁定卫星的判断依据。

用于锁定的卫星信号一般有三种类型——卫星信标、通信载波和电视载波。其中卫星信标是卫星上发射的一个频率和幅度都固定的信号，不同卫星具有不同的信标信号，可以用于天线对星和自动跟踪。但是卫星信标信号带宽非常窄，需要专用的信标机才能捕获，用于船载卫星通信天线，成本较高。通信载波和电视载波带宽较宽，锁定难度低，但是锁定后还需要进行卫星识别，判断当前锁定卫星是否为目标卫星。一般可以通过与Modem 通信进行确认，或者识别载波内包含的更具体的信息，比如网络编号（NID）进行判断。只有锁定信号并识别目标卫星，才算完成寻星动作。

4.2 跟踪精度

天线的跟踪精度是指天线在跟踪卫星的状态下，天线轴线对准卫星的指向偏差，一般要求跟踪精度在0.2°。实际上很多小口径的天线比如0.6m 天线，很难做到0.2°的跟踪精度。因为天线的跟踪精度不仅受制于跟天线的机械结构精度和配重平衡、硬件和软件的先进性，还跟天线的方向图有关。

对于小口径的抛物面天线，天线的3dB 带宽较宽，0.2°的指向偏差只会产生0.2dB 左右的增益波动，而卫星信号在空气中传输，即使完全对准的情况下，也会有一定的信号波动。在这种情况下，天线内的信号识别单元，很难完全通过锁定最高信号值精准对准卫星。反而是口径越大的天线，方向图的3dB 宽度越窄，越有利于提升船载卫星通信天线的跟踪精度。

在实际使用中，卫星公司在做链路计算时，都会预留一定的余量来消除天线指向偏差可能产生的临星干扰问题。小口径天线的发射功率都会有严格的限制，只要实际跟踪精度超过0.5°时能够立即关闭发射，一般不会产生太大的临星干扰问题。

天线跟踪精度属于高精度的动态角度测量，测量的难度非常大，只有精度足够高、体积又比较小的角度测量设备才能直接进行测量。国内一些厂家和检测机构使用测量卫星信号的方法，借助频谱仪测量信号功率的变化幅度，再根据天线的方向图中天线增益和角度的对应关系，倒推出天线的跟踪精度。这种测试方法属于间接测量，容易产生较大的测量误差，但天线尺寸越大，这种测量方法越准。