相控阵技术用于“动中通”卫星终端设计方案
2010-12-17 16:51:50
来源：《半导体器件应用》2010年7月刊
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0 引言
人们普遍认为卫星通信之所以成为强有力的现代通信手段之一，是因为它具有频带宽、容量大、适用于多种业务、覆盖能力强、性能稳定可靠、不受地理条件限制、机动灵活、成本与通信距离无关等特点。VSAT（甚小孔径卫星终端）通信网络的诞生为卫星通信的发展注入了新的活力，促进了卫星通信进一步向多功能、智能化、小型化方向的发展。一个VSAT通信网络通常由主站以及多个VSAT终端组成，形成一个星状、网状或混合网结构的公用或专用的通信网络，实现图像、数据、话音等多种业务。
早期的VSAT一般为固定小站，其天线口径由于工作频段的限制很难做小。随着卫星性能提高、卫星通信频段向Ku、Ka和EHF（极高频）等更高频段的发展以及新一代纠错编码技术的应用，进一步减低了VSAT的接收C/N门限和发射功率的要求，为VSAT的小型化、机动化提供了可能。
当前国内满足“在运动中通信”即“动中通”设计要求的VSAT终端按习惯一般可分为两大类，如表1所示，分别满足中高速和中低速通信的需要。
近年来，随着相控阵技术的发展，其在VSAT通信中的应用价值日益体现。
1 相控阵技术用于“动中通”卫星终端设计的优缺点
相控阵技术是从雷达天线设计技术延伸出来的天线实现技术，即电子扫描技术，是用电子方法实现天线波束指向在空间转动或扫描的技术。采用相控阵技术实现卫星“动中通”通信，具有其固有的优缺点。主要优点是：外形结构可根据运动平台要求进行设计，能大大降低天线的高度，满足运输通过性要求；采用电扫方式，响应速度快；天线可赋形，满足各种辐射方向图设计要求。相应的缺点也十分明显：技术复杂，实现成本高，扫描范围受限。
进行实用性的“动中通”卫星终端设计，必须兼容考虑以上因素，综合考虑性价比，优化选择设计方案。
2 相控阵“动中通”卫星终端的设计和实现
2.1 相控阵“动中通”RF系统的设计
下面以Ku波段小型化“动中通”卫星终端RF（射频）系统的设计来说明相控阵技术与卫星通信技术的结合途径，基带部分不展开描述。典型的实现框图如图1所示。
该系统采用流行的DVB-RCS（数字视频广播一经由卫星的回传信道）构架，满足当前TCP/IP网络或ATM（异步传送模式）网运行的需要，并支持IEEE802.11B无线接入，是实现卫星IP的有效途径。考虑到通信效率，收发天线分别独立设计，全双工工作。同时，系统设计中下行中频接口采用L波段，可兼容进行卫星电视接收设计，在取消上行信道设备时，可作为卫星移动电视接收终端使用。
2.2 相控阵天线的选择
常见的相控阵天线类型有波导裂缝阵列、平板阵列、微带阵列等。波导裂缝阵列在Ku波段使用时，考虑运动平台设计要求，必须实现低剖面且极化可调，工程设计难度大，成本高，不易实现；而低剖面的平面相控阵天线难以实现宽角扫描，辐射单元的设计必须是尺寸小、频带宽、宽波束、互耦小、极化特性好，所以工程实现难度仍然较大。微带贴片天线或微带印刷天线子阵是一个好的选择，可以使天线子阵具有尺寸小、重量轻等优点，同时采用多层结构，天线单元与馈电网络共形设计，进一步减小天线体积，降低旋转惯量，便于伺服驱动的设计实现。
图2和图3给出了2种具有代表性的实现方案。在图2方案中发射和接收单元设计在同一块板上；在图3方案中，1块阵列专门用于发射，其他3块板用于接收。
比较这2种方案，采用收发分离设计的天线阵，阵列易于实现，T/R（发送／接收）组件的成本可以进一步降低，并且可兼容卫星电视接收功能，形成电视单收系统。
2.3 收发分离相控阵“动中通”RF系统的实现
在2.1节典型设计框架的基础上开展收发分离相控阵“动中通”的研究。整个RF系统由室内单元和室外单元两部分组成，室外单元由含天线罩的固定式底座和旋转单元组成，如图4所示。
室内单元包括ICU（室内控制器）、L波段接收解码设备、上行调制／变频设备以及以太网接入设备，主要完成供电、卫星选择控制、基带信号变换等功能。
固定式底座设备主要包含RF与供电分离电路、方位驱动和传动机构，完成供电、信号分配以及方位驱动功能。
室外单元的旋转运动部分是本系统设计的核心，包括发射天线子阵、接收天线子阵、移相器、接收放大电路、跟踪误差信号产生电路、主控电路、俯仰驱动和传动机构以及其他辅助电路，完成相控阵信号的收发及控制、跟踪闭环、通信、功放等诸多功能。
该设计方案为了降低成本和电路的实现难度，主要进行了以下几方面的综合考虑。
(1)为了便于实现跟踪，对天线波束进行预倾斜设计，增加俯仰的波束宽度，降低扫描定位的难度，同时，方位采用滑环设计，便于快速对星。
(2)为了降低天线的设计难度，采用子阵级设计，通过移相器仅实现俯仰面一维电扫和极化跟踪，不进行方位电扫，依赖机械传动控制阵列转动实现对星跟踪。
(3)通过FSK（频移键控）调制实现固定单元与旋转单元间的通信，同时实现信号复合传输，降低旋转关节与滑环的设计难度和成本。
(4)下行采用L波段接口，上行采用70 MHz中频接口，兼容卫星电视单收设计，使本系统平台具有通用性。
(5)功放采用模块化设计，安装在旋转大单元内。
3 关键设计要点
与常规“动中通”相比，其设计要点主要体现在以下2个方面。
3.1 子阵设计
子阵采用微带馈线网络实现天线单元的合成，平板天线结构，每块平板天线形成垂直和水平双线极化。考虑到体积和重量以及实现方式，该平板天线由多层结构组成，一般的可分为辐射层、激励及馈电层、介质层以及反射后腔等几部分，层层压制在一起构成子阵单元。其中，双线极化的形成就是由激励及馈电层完成的，两种激励在空间正交，上下两层带状线板中同一位置的两正交极化辐射单元构成一个双线极化辐射单元。
3.2 跟踪算法研究
在运动的载体上实现对同步卫星的实时跟踪，室外的旋转运动单元必须具备适应载体姿态变换的能力，必须有一套完善的跟踪算法来保证。主要跟踪过程包括设备加电自检、位置设置、初始捕获、暂稳跟踪与目标识别、稳态跟踪、中断保持与恢复、丢失再捕获等内容。
系统在跟踪过程中，一方面根据接收信号的强度进行跟踪，另一方面完成对载体姿态变化和位置变化的跟踪闭环。其中，与常规跟踪不同的是极化跟踪，在本系统中接收极化跟踪是与相控阵移相控制结合在一起的，发射极化采用机电复合预置，并通过伺服电路的统一控制实现极化预置和姿态补偿，该算法是实现相控阵“动中通”的关键点之一。
4 结束语
目前，小孔径“动中通”卫星终端在设计上必须符合相关设计与应用规范，在应用上必须考虑国内卫星参数、卫星公司标准以及国家准入政策等诸多因素。但随着直播星的发射成功以及卫星星座技术在我国的应用推广，技术的限制越来越少，高性价比的小型化相控阵”动中通”凭借其高度低、便于与载体兼容等诸多优点，具有良好的市场推广前景。
人们普遍认为卫星通信之所以成为强有力的现代通信手段之一，是因为它具有频带宽、容量大、适用于多种业务、覆盖能力强、性能稳定可靠、不受地理条件限制、机动灵活、成本与通信距离无关等特点。VSAT（甚小孔径卫星终端）通信网络的诞生为卫星通信的发展注入了新的活力，促进了卫星通信进一步向多功能、智能化、小型化方向的发展。一个VSAT通信网络通常由主站以及多个VSAT终端组成，形成一个星状、网状或混合网结构的公用或专用的通信网络，实现图像、数据、话音等多种业务。
早期的VSAT一般为固定小站，其天线口径由于工作频段的限制很难做小。随着卫星性能提高、卫星通信频段向Ku、Ka和EHF（极高频）等更高频段的发展以及新一代纠错编码技术的应用，进一步减低了VSAT的接收C/N门限和发射功率的要求，为VSAT的小型化、机动化提供了可能。
当前国内满足“在运动中通信”即“动中通”设计要求的VSAT终端按习惯一般可分为两大类，如表1所示，分别满足中高速和中低速通信的需要。
近年来，随着相控阵技术的发展，其在VSAT通信中的应用价值日益体现。
1 相控阵技术用于“动中通”卫星终端设计的优缺点
相控阵技术是从雷达天线设计技术延伸出来的天线实现技术，即电子扫描技术，是用电子方法实现天线波束指向在空间转动或扫描的技术。采用相控阵技术实现卫星“动中通”通信，具有其固有的优缺点。主要优点是：外形结构可根据运动平台要求进行设计，能大大降低天线的高度，满足运输通过性要求；采用电扫方式，响应速度快；天线可赋形，满足各种辐射方向图设计要求。相应的缺点也十分明显：技术复杂，实现成本高，扫描范围受限。
进行实用性的“动中通”卫星终端设计，必须兼容考虑以上因素，综合考虑性价比，优化选择设计方案。
2 相控阵“动中通”卫星终端的设计和实现
2.1 相控阵“动中通”RF系统的设计
下面以Ku波段小型化“动中通”卫星终端RF（射频）系统的设计来说明相控阵技术与卫星通信技术的结合途径，基带部分不展开描述。典型的实现框图如图1所示。
该系统采用流行的DVB-RCS（数字视频广播一经由卫星的回传信道）构架，满足当前TCP/IP网络或ATM（异步传送模式）网运行的需要，并支持IEEE802.11B无线接入，是实现卫星IP的有效途径。考虑到通信效率，收发天线分别独立设计，全双工工作。同时，系统设计中下行中频接口采用L波段，可兼容进行卫星电视接收设计，在取消上行信道设备时，可作为卫星移动电视接收终端使用。
2.2 相控阵天线的选择
常见的相控阵天线类型有波导裂缝阵列、平板阵列、微带阵列等。波导裂缝阵列在Ku波段使用时，考虑运动平台设计要求，必须实现低剖面且极化可调，工程设计难度大，成本高，不易实现；而低剖面的平面相控阵天线难以实现宽角扫描，辐射单元的设计必须是尺寸小、频带宽、宽波束、互耦小、极化特性好，所以工程实现难度仍然较大。微带贴片天线或微带印刷天线子阵是一个好的选择，可以使天线子阵具有尺寸小、重量轻等优点，同时采用多层结构，天线单元与馈电网络共形设计，进一步减小天线体积，降低旋转惯量，便于伺服驱动的设计实现。
图2和图3给出了2种具有代表性的实现方案。在图2方案中发射和接收单元设计在同一块板上；在图3方案中，1块阵列专门用于发射，其他3块板用于接收。
比较这2种方案，采用收发分离设计的天线阵，阵列易于实现，T/R（发送／接收）组件的成本可以进一步降低，并且可兼容卫星电视接收功能，形成电视单收系统。
2.3 收发分离相控阵“动中通”RF系统的实现
在2.1节典型设计框架的基础上开展收发分离相控阵“动中通”的研究。整个RF系统由室内单元和室外单元两部分组成，室外单元由含天线罩的固定式底座和旋转单元组成，如图4所示。
室内单元包括ICU（室内控制器）、L波段接收解码设备、上行调制／变频设备以及以太网接入设备，主要完成供电、卫星选择控制、基带信号变换等功能。
固定式底座设备主要包含RF与供电分离电路、方位驱动和传动机构，完成供电、信号分配以及方位驱动功能。
室外单元的旋转运动部分是本系统设计的核心，包括发射天线子阵、接收天线子阵、移相器、接收放大电路、跟踪误差信号产生电路、主控电路、俯仰驱动和传动机构以及其他辅助电路，完成相控阵信号的收发及控制、跟踪闭环、通信、功放等诸多功能。
该设计方案为了降低成本和电路的实现难度，主要进行了以下几方面的综合考虑。
(1)为了便于实现跟踪，对天线波束进行预倾斜设计，增加俯仰的波束宽度，降低扫描定位的难度，同时，方位采用滑环设计，便于快速对星。
(2)为了降低天线的设计难度，采用子阵级设计，通过移相器仅实现俯仰面一维电扫和极化跟踪，不进行方位电扫，依赖机械传动控制阵列转动实现对星跟踪。
(3)通过FSK（频移键控）调制实现固定单元与旋转单元间的通信，同时实现信号复合传输，降低旋转关节与滑环的设计难度和成本。
(4)下行采用L波段接口，上行采用70 MHz中频接口，兼容卫星电视单收设计，使本系统平台具有通用性。
(5)功放采用模块化设计，安装在旋转大单元内。
3 关键设计要点
与常规“动中通”相比，其设计要点主要体现在以下2个方面。
3.1 子阵设计
子阵采用微带馈线网络实现天线单元的合成，平板天线结构，每块平板天线形成垂直和水平双线极化。考虑到体积和重量以及实现方式，该平板天线由多层结构组成，一般的可分为辐射层、激励及馈电层、介质层以及反射后腔等几部分，层层压制在一起构成子阵单元。其中，双线极化的形成就是由激励及馈电层完成的，两种激励在空间正交，上下两层带状线板中同一位置的两正交极化辐射单元构成一个双线极化辐射单元。
3.2 跟踪算法研究
在运动的载体上实现对同步卫星的实时跟踪，室外的旋转运动单元必须具备适应载体姿态变换的能力，必须有一套完善的跟踪算法来保证。主要跟踪过程包括设备加电自检、位置设置、初始捕获、暂稳跟踪与目标识别、稳态跟踪、中断保持与恢复、丢失再捕获等内容。
系统在跟踪过程中，一方面根据接收信号的强度进行跟踪，另一方面完成对载体姿态变化和位置变化的跟踪闭环。其中，与常规跟踪不同的是极化跟踪，在本系统中接收极化跟踪是与相控阵移相控制结合在一起的，发射极化采用机电复合预置，并通过伺服电路的统一控制实现极化预置和姿态补偿，该算法是实现相控阵“动中通”的关键点之一。
4 结束语
目前，小孔径“动中通”卫星终端在设计上必须符合相关设计与应用规范，在应用上必须考虑国内卫星参数、卫星公司标准以及国家准入政策等诸多因素。但随着直播星的发射成功以及卫星星座技术在我国的应用推广，技术的限制越来越少，高性价比的小型化相控阵”动中通”凭借其高度低、便于与载体兼容等诸多优点，具有良好的市场推广前景。
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