用于卫星地面移动通信系统的相控阵天线

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  •  1 引 言

      具有跟踪能力的中等增益圆极化天线是中继通信卫星和卫星移动通信这两种通信系统的关键部件之一。对于卫星移动通信系统来说,系统解决了大量稀路由通信地区的通信、乡村通信和客运、货运、海运、航空、抢险救灾、野外勘测、公安侦察、部队调动等移动载体的“动中通”业务。相控阵天线安装在海陆空的运动载体上,完成对通信卫星的跟踪和通信。近几年得到了快速的发展,其应用功能主要包括卫星电话、传真、电子邮件、数据连接、位置报告以及车(船)队管理等。

      相控阵天线目前被公认为是最先进的通信天线,它通过控制数字式移相器使波束精确地跟踪卫星,同时实现信号传输。相控阵技术应用于中继通信卫星和卫星移动通信系统有许多其他技术无法比拟的优点:跟踪波束的快速扫描能力;天线波束形状的快速变化能力;优异的空间定向与空域滤波能力;空间功率合成能力;天线与载体平台共形的能力。

      按照天线的跟踪方式,可以分为机械跟踪系统和电子跟踪系统。机械跟踪系统是利用机械方法驱动天线将波束指向卫星。电子跟踪系统是利用移相器改变天线单元的相位,控制天线方向图使其波束指向卫星。本文采用电子跟踪方案,通过GPS结合电子罗盘采集天线载体运动及姿态信息,通过波控机控制移相器,完成天线的自动跟踪。

      2 系统分析与设计

      2.1 系统结构设计

      要实现天线对通信卫星的自动跟踪,有两种方案:一种是基于通信卫星导频信号的方案,即天线自动对全空域进行扫描,寻找通信卫星的导频信号并使天线对准导频信号最强的方向,这种方案对于静止的用户十分有效,但对于运动中的用户而言却不适用,原因是用户时刻都在运动,天线相对于卫星的波束指向需要实时改变。另一种是借助移动用户本身与运动状态有关的信息,诸如:移动载体的速度,地理位置等,利用一定的算法实时计算天线对卫星的波束指向并指向卫星。本文采用的是第二种,即基于GPS结合电子罗盘的自动跟踪方案。

      相控阵天线由辐射阵列、可控数字移相器、波束控制器以及1:19功分网络等部分组成,功能框图如图1所示。

    功能框图

      天线单元选用圆形微带贴片天线,组阵后可获得较大范围内的波束扫描。功分网络采用微带形式,可以做到与阵面良好的共形。由于天线单元的频率特性覆盖了目前导航接收机的天线频率,且增益满足要求,因此可选择其中一个单元作为导航接收机天线。导航接收机采用GPS/GLONASS/北斗兼容接收机,与波控机的接口之间采用串行接口总线。波控机根据导航接收机送来的用户运动信息计算天线波束指向并控制移相器移相使天线波束自动对准选取的通信卫星。

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