卫星通信低剖面阵列动中通天线
更新时间：2015年08月21日
随着全球信息化的高速发展，越来越多的信息通过卫星进行传输，在移动载体上随时随地与卫星通信，已成为军民两用应急通信、实时通信的迫切需求。卫星移动通信系统的关键技术之一是天线技术，故适合移动通信的低剖面动中通天线技术的研究已成为卫星移动通信技术领域的研究热点之一。另一方面，国内外现有动中通天线产品不能完全满足国内的使用需求，且多个关键技术被国外封锁或垄断。在此情况下，多部委提出应用需求，并下达了研制任务。
“卫星通信低剖面阵列动中通天线”项目有多个子项目来源，4个主要来源项目是“低轮廓动中通天线”、“机载卫星声像传输系统”、“0.6米Ku/Ka双频段动中通天线”、“新型通信装备车”，均为部委下达的任务。项目组围绕动中通天线的高效率、低剖面、高精度稳定跟踪等难题展开技术研究，研制的低剖面阵列动中通天线装载于车载、机载等多种移动平台，能够支持Ka/Ku双频段或KU单频段工作，满足相关平台运动中不间断信息传输要求。项目共获得发明专利10项，制定行业标准1项，发表学术论文40余篇。项目成果已广泛应用于卫星通信、无人机数据链、卫星侦察对抗、航天测控等军事领域以及海监、公安、消防、武警、新闻采集、抗震救灾等民用应急通信领域，在国家重大事件的应急保障活动中发挥了重大作用，社会经济效益显著。该项目由中国电子科技集团公司第五十四研究所独立完成。主要完成人员有牛传峰、魏英杰、李建军、苏晓莉、陈若平、刘昕、米宏伟、詹英、李涛、杨国栋。
一、科学技术内容
卫星通信低剖面动中通天线为国内首次研制，技术难度大，研制过程中遇到了很多技术难题，经过课题组的艰难攻关，均得到了较好地解决。该项目所研制的天线结构组成和布局图见图1，下面以0.6米 Ku/Ka双频段动中通天线为例对卫星通信低剖面动中通天线的研制内容进行论述。
天线组成：Ku/Ka双频段天线由Ku平板天线阵列及射频信道、Ka平板天线阵列及射频信道、信标接收机、天线控制单元、天线座架、北斗（GPS）和惯导等部分组成，系统组成框图如图2所示。
天线工作原理：系统加电展开后，根据卫星经度参数、车辆定位信息和姿态信息，天线控制单元ACU自动引导天线指向卫星并使信标接收机锁定，天线转入跟踪状态，使天线始终对准卫星。Ku或Ka波段接收信号通过下变频器转换到C波段，通过同轴射频关节提供通信终端设备；Ku或Ka波段发射信号，经波导关节送入馈电网络，然后通过天线阵列辐射出去。
天线接口采用波导接口，来自射频功放的发射Ku信号经俯仰旋转关节、极化调整装置、频率双工器通过天线阵列向空间辐射；天线阵列接收的Ku下行信号通过LNA放大后，进入极化调整模块进行极化调整后，与下变频器连接。
二、主要创新点
1．高效率双极化低剖面波导阵列天线技术
（1）发明了十字腔体波导同相阵列设计技术，实现了天线阵列的大规模、双极化、收发共用、低损耗、高效率，与传统微带天线相比，提高了天线效率，口径效率高达90%。波导阵列及馈电网络照片见图3。阵列天线在同一辐射口面集成两种正交的线极化阵列，使得能够按照任意线极化方式工作。馈线部分采用带线+波导组阵的方式，以达到低损耗的效果。
（2）提出了4:1低剖面阵列天线的设计方法，与传统抛物面天线相比，大大降低了剖面高度，实现了天线的低剖面、小型化，Ku单频段天线剖面高度小于300mm，Ku/Ka双频段天线剖面高度小于320mm。另外，4:1的阵列比例获得了方位:俯仰=1:4的波束宽度比，使0.6米天线方位面波束宽度等效1.5米的波束宽度，减小了天线的临星干扰。0.6米Ku频段动中通天线尺寸及方向图见图4。
（3）一体化集成化设计技术。将天线阵列、馈电网络、LNA、极化调整模块、波束形成网络、跟踪接收机进行模块化、集成化设计，减小了馈线损耗，提高了天线效率和系统G/T值，降低了天线重量，缩小了天线厚度，提高了天线整体性能。Ku/Ka天线阵列布局分别见图5。天线射频信道原理框图见图6。
2．相控阵电子波束扫描综合导航跟踪技术
（1）发明了相控阵天线波束形成跟踪方法，天线四个子阵之间采用相控阵方法进行电子波束扫描，相控阵电子波束扫描频率高达100Hz以上，电平跌落小于0.32dB。天线子阵分布及波束扫描效果示意图见图7，动中通天线跑车照片及电平跌落曲线见图8。
（2）提出了波束扫描跟踪指向对惯导适时校正的技术方法，克服了传统惯导系统误差累积漂移问题，将捷联惯导的理论、算法与传统的伺服理论相结合，研发出基于动中通天线平台的低成本捷联惯导系统。
3．自动极化调整技术
Ku频段卫星信号为双线极化，不同地域的极化角不同，因此需要对天线极化进行调整。针对Ku接收频段，采用可调衰减器分别调整两个极化的分量，通过不同的幅度比例来改变天线的极化方向，实现了与卫星信号极化的匹配。天线极化及极化调整原理图见图9。
4．天线罩和馈电网络小插损测试技术
提出了利用Y因子法测量天线在带罩和不带罩情况下的噪声温度，计算二者的差值求得天线罩引起的天线剩余噪声温度，由此确定天线罩的插入损耗。提出了利用标准增益喇叭比较测试馈电网络的插入损耗的方法，由馈源喇叭的增益减去馈源网络的增益，即得馈电网络的插入损耗。
三、应用推广和效益情况
项目组对卫星通信低剖面阵列动中通天线进行了国内外比较。国内方面，某部信息化部对0.6米低剖面动中通天线进行了招标测试，在9家单位的产品中，该项目研制的动中通天线性能突出，综合排名第一，并获得了“国防通信网设备器材进网许可证”。国外方面，0.6米低剖面动中通天线与国际上最先进的以色列E7000动中通天线和TracStar i450M动中通天线进行了多次对比测试，结果显示，我国研制生产的0.6米低剖面动中通天线多项性能优于E7000和TracStar i450M动中通天线，跟踪信标信号的跟踪方式更适合我国国情。而且，天线完全自主生产，成本较国外同类产品低，具有较强的市场竞争力。
目前项目产品已销售500多套，直接经济效益超过4.7亿元，在国家重大事件的应急保障活动中发挥了重大作用，经济效益和社会效益显著。整体来看，低剖面动中通天线的研制成功打破了国外技术壁垒，促进了天线技术的进步和发展，提高了我国在天线领域的设计、制造水平，提高了市场竞争力。为应急卫星通信提供了小型化、高效率、多频段的新型天线，满足了军民两用应急通信、实时通信的迫切需求。攻克了“高效率双极化波导阵列天线”等多项关键技术，为小型化移动卫星通信终端的开发应用提供了技术支撑，带来了小型化移动卫星通信系统的应用热潮。
