基于相控陣天線的“動(dòng)中通”衛(wèi)星通信終端研究

1、    基于相控陣天線的“動(dòng)中通”衛(wèi)星通信終端研究摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫(kù)仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte姜  安，朱  軍(南京電子技術(shù)研究所，江蘇省 南京市

2、  210013)0  引  言人們普遍認(rèn)為衛(wèi)星通信之所以成為強(qiáng)有力的現(xiàn)代通信手段之一，是因?yàn)樗哂蓄l帶寬、容量大、適用于多種業(yè)務(wù)、覆蓋能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠、不受地理?xiàng)l件限制、機(jī)動(dòng)靈活、成本與通信距離無(wú)關(guān)等特點(diǎn)，而VSAT(甚小孔徑衛(wèi)星終端)通信網(wǎng)絡(luò)的誕生為衛(wèi)星通信的發(fā)展注入了新的活力，促進(jìn)了衛(wèi)星通信進(jìn)一步向多功能、智能化、小型化方向的發(fā)展。一個(gè)VSAT通信網(wǎng)絡(luò)通常由主站以及多個(gè)VSAT終端組成，形成一個(gè)星狀、網(wǎng)狀或混合網(wǎng)結(jié)構(gòu)的公用或?qū)Ｓ玫耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)圖像、數(shù)據(jù)、話音等多種業(yè)務(wù)。早期的VSAT一般為固定小站，其天線口徑由于工作頻段的限制很難做小。隨著衛(wèi)星性能提高

3、、衛(wèi)星通信頻段向Ku、Ka和EHF(極高頻)等更高頻段的發(fā)展以及新一代糾錯(cuò)編碼技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步減低了VSAT的接收CN門限和發(fā)射功率的要求，為VSAT。的小型化、機(jī)動(dòng)化提供了可能。當(dāng)前國(guó)內(nèi)滿足“在運(yùn)動(dòng)中通信”即“動(dòng)中通”設(shè)計(jì)要求的VSAT終端按習(xí)慣一般可分為兩大類，如表1所示，分別滿足中高速和中低速通信的需要。近年來(lái)，隨著相控陣技術(shù)的發(fā)展，其在VSAT通信中的應(yīng)用價(jià)值日益體現(xiàn)。1相控陣技術(shù)用于“動(dòng)中通”衛(wèi)星終端設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)相控陣技術(shù)是從雷達(dá)天線設(shè)計(jì)技術(shù)延伸出來(lái)的天線實(shí)現(xiàn)技術(shù)，即電子掃描技術(shù)，是用電子方法實(shí)現(xiàn)天線波束指向在空間轉(zhuǎn)動(dòng)或掃描的技術(shù)。采用相控陣技術(shù)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星“動(dòng)中通”通信，具有其固有的

4、優(yōu)缺點(diǎn)。主要優(yōu)點(diǎn)是：外形結(jié)構(gòu)可根據(jù)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，可大大降低天線的高度，滿足運(yùn)輸通過(guò)性要求；采用電掃方式，響應(yīng)速度快；天線可賦形，滿足各種輻射方向圖設(shè)計(jì)要求。但相應(yīng)的缺點(diǎn)也十分明顯：技術(shù)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)成本高；掃描范圍受限。進(jìn)行實(shí)用性的“動(dòng)中通”衛(wèi)星終端設(shè)計(jì)，必須兼容考慮以上因素，綜合考慮性價(jià)比，優(yōu)化選擇設(shè)計(jì)方案。2相控陣“動(dòng)中通”衛(wèi)星終端的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)2.1相控陣“動(dòng)中通"RF系統(tǒng)的設(shè)計(jì)下面以Ku波段小型化“動(dòng)中通”衛(wèi)星終端RF(射頻)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)明相控陣技術(shù)與衛(wèi)星通信技術(shù)的結(jié)合途徑，基帶部分不展開(kāi)描述。典型的實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。   該系統(tǒng)采用流行的

5、DVB-RCS(數(shù)字視頻廣播一經(jīng)由衛(wèi)星的回傳信道)構(gòu)架，滿足當(dāng)前TCPIP網(wǎng)絡(luò)或ATM(異步傳送模式)網(wǎng)運(yùn)行的需要，并支持IEEE802.11B無(wú)線接入，是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星IP的有效途徑?？紤]到通信效率，收發(fā)天線分別獨(dú)立設(shè)計(jì)，全雙工工作。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中下行中頻接口采用L波段，可兼容進(jìn)行衛(wèi)星電視接收設(shè)計(jì)，在取消上行信道設(shè)備時(shí)，可作為衛(wèi)星移動(dòng)電視接收終端使用。2.2相控陣天線的選擇常見(jiàn)的相控陣天線類型有波導(dǎo)裂縫陣列、平板陣列、微帶陣列等。波導(dǎo)裂縫陣列在Ku波段使用時(shí)，考慮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)要求，必須實(shí)現(xiàn)低剖面且極化可調(diào)，工程設(shè)計(jì)難度大，成本高，不易實(shí)現(xiàn)；而低剖面的平面相控陣天線難以實(shí)現(xiàn)寬角掃描，輻射單元的設(shè)計(jì)

6、必須是尺寸小、頻帶寬、寬波束、互耦小、極化特性好，所以工程實(shí)現(xiàn)難度仍然較大；而微帶貼片天線或微帶印刷天線子陣是一個(gè)好的選擇，可以使天線子陣具有尺寸小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)采用多層結(jié)構(gòu)，天線單元與饋電網(wǎng)絡(luò)共形設(shè)計(jì)，進(jìn)一步減小天線體積，降低旋轉(zhuǎn)慣量，便于伺服驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。圖2和圖3給出了2種具有代表性的實(shí)現(xiàn)方案。在圖2方案中發(fā)射和接收單元設(shè)計(jì)在同一塊板上；在圖3方案中，1塊陣列專門用于發(fā)射，其他3塊板用于接收。比較這2種方案，采用收發(fā)分離設(shè)計(jì)的天線陣，陣列易于實(shí)現(xiàn)，TR(發(fā)送接收)組件的成本可以進(jìn)一步降低，并且可兼容衛(wèi)星電視接收功能，形成電視單收系統(tǒng)。2.3收發(fā)分離相控陣“動(dòng)中通”RF系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)在

7、2.1節(jié)典型設(shè)計(jì)框架的基礎(chǔ)上開(kāi)展收發(fā)分離相控陣“動(dòng)中通”的研究。整個(gè)RF系統(tǒng)由室內(nèi)單元和室外單元兩部分組成，室外單元由含天線罩的固定式底座和旋轉(zhuǎn)單元組成，如圖4所示。室內(nèi)單元包括ICU(室內(nèi)控制器)、L波段接收解碼設(shè)備、上行調(diào)制變頻設(shè)備以及以太網(wǎng)接入設(shè)備，主要完成供電、衛(wèi)星選擇控制、基帶信號(hào)變換等功能。固定式底座設(shè)備主要包含RF與供電分離電路、方位驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，完成供電、信號(hào)分配以及方位驅(qū)動(dòng)功能。室外單元的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，包括發(fā)射天線子陣、接收天線子陣、移相器、接收放大電路、跟蹤誤差信號(hào)產(chǎn)生電路、主控電路、俯仰驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及其他輔助電路，完成相控陣信號(hào)的收發(fā)及控制、跟蹤閉

8、環(huán)、通信、功放等諸多功能。該設(shè)計(jì)方案為了降低成本和電路的實(shí)現(xiàn)難度，主要進(jìn)行了以下幾方面的綜合考慮：a)為了便于實(shí)現(xiàn)跟蹤，對(duì)天線波束進(jìn)行預(yù)傾斜設(shè)計(jì)，增加俯仰的波束寬度，降低掃描定位的難度，同時(shí)，方位采用滑環(huán)設(shè)計(jì)，便于快速對(duì)星。b)為了降低天線的設(shè)計(jì)難度，采用子陣級(jí)設(shè)計(jì)，通過(guò)移相器僅實(shí)現(xiàn)俯仰面一維電掃和極化跟蹤，不進(jìn)行方位電掃，依賴機(jī)械傳動(dòng)控制陣列轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)星跟蹤。c)通過(guò)FSK(頻移鍵控)調(diào)制實(shí)現(xiàn)固定單元與旋轉(zhuǎn)單元間的通信，同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)復(fù)合傳輸，降低旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與滑環(huán)的設(shè)計(jì)難度和成本。d)下行采用L波段接口，上行采用70 MHz中頻接口，兼容衛(wèi)星電視單收設(shè)計(jì)，使本系統(tǒng)平臺(tái)具有通用性。e)功放采用模塊

9、化設(shè)計(jì)，安裝在旋轉(zhuǎn)大單元內(nèi)。3關(guān)鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn)與常規(guī)“動(dòng)中通”相比，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面。3.1子陣設(shè)計(jì)子陣采用微帶饋線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)天線單元的合成，平板天線結(jié)構(gòu)，每塊平板天線形成垂直和水平雙線極化?？紤]到體積和重量以及實(shí)現(xiàn)方式，該平板天線由多層結(jié)構(gòu)組成，一般的可分為輻射層、激勵(lì)及饋電層、介質(zhì)層以及反射后腔等幾部分，層層壓制在一起構(gòu)成子陣單元，如圖5所示。其中，雙線極化的形成就是由激勵(lì)及饋電層完成的，兩種激勵(lì)在空間正交，上下兩層帶狀線板中同一位置的兩正交極化輻射單元構(gòu)成一個(gè)雙線極化輻射單元。3.2跟蹤算法研究在運(yùn)動(dòng)的載體上實(shí)現(xiàn)對(duì)同步衛(wèi)星的實(shí)時(shí)跟蹤，室外的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元必須具備適應(yīng)載體姿態(tài)變換的

10、能力，必須有一套完善的跟蹤算法來(lái)保證。主要跟蹤過(guò)程包括設(shè)備加電自檢、位置設(shè)置、初始捕獲、暫穩(wěn)跟蹤與目標(biāo)識(shí)別、穩(wěn)態(tài)跟蹤、中斷保持與恢復(fù)、丟失再捕獲等內(nèi)容。系統(tǒng)在跟蹤過(guò)程中，一方面根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行跟蹤，另一方面完成對(duì)載體姿態(tài)變化和位置變化的跟蹤閉環(huán)。其中，與常規(guī)跟蹤不同的是極化跟蹤，在本系統(tǒng)中接收極化跟蹤是與相控陣移相控制結(jié)合在一起的，發(fā)射極化采用機(jī)電復(fù)合預(yù)置，并通過(guò)伺服電路的統(tǒng)一控制實(shí)現(xiàn)極化預(yù)置和姿態(tài)補(bǔ)償，該算法是實(shí)現(xiàn)相控陣“動(dòng)中通”的關(guān)鍵點(diǎn)之一。4結(jié)束語(yǔ)目前，小孔徑“動(dòng)中通”衛(wèi)星終端在設(shè)計(jì)上必須符合相關(guān)設(shè)計(jì)與應(yīng)用規(guī)范，在應(yīng)用上必須考慮國(guó)內(nèi)衛(wèi)星參數(shù)、衛(wèi)星公司標(biāo)準(zhǔn)以及國(guó)家準(zhǔn)入政策等諸多因素。但隨著直播星的發(fā)射成功以及衛(wèi)星星座技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用推廣，技術(shù)的限制越來(lái)越少，高性價(jià)比的小型化相控陣”動(dòng)中通”憑借其高度低、便于與載體兼容等諸多優(yōu)點(diǎn)，具有良好的市場(chǎng)推廣前景。熱門詞條高捷科供RA13H4047M.RA13H1