卫星通信阵的发展和未来

卫星通信阵列天线技术中国电子科技集团公司第五十四研究所2014年10月主讲人：杜彪内部2014-10-121一．概述在移动载体上，随时随地与卫星通信，已成为军民两用应急通信、实时通信的主要通信手段卫星移动通信系统的关键技术之一是天线技术，动中通天线技术是近些年研究热点之一。动中通天线型式：反射面天线、透镜天线、阵列天线。卫星移动通信1、卫星通信阵列天线应用背景2014-10-124移动载体：汽车、舰船、飞机、导弹等平台。2014-10-1251、卫星通信阵列天线应用背景一．概述2、动中通阵列天线发展过程2006年，以色列RaySat公司推出多组片平板阵列天线；2010年，单片：E70002009年，以色列Starling公司研制出平板阵列天线系列产品；2010年，国内中国电科54所研制出了车载低轮廓Ku频段0.6米平板阵列天线；2014年，国内中国电科54所研制出了S频段二维相控阵天线。机械扫描机电混扫两维电扫2014-10-126一．概述主要内容2014-10-1271、阵列天线概念二．卫星通信阵列天线简介阵列天线是指多个单元天线在一个平面或曲面上，按照一定的规律或随机分布进行布局排列，并通过馈电网络进行信号合成的天线型式。单元型式：微带贴片、波导口、缝隙、对称阵子、螺旋等。阵列天线方向图主要由单元方向图和阵列因子的乘积决定。dydxΘΦxzyΡ(x,y)(x,y,z)mnmnmnmnmnmneeRjkjIfEˆ)ˆexp()exp(),(),(阵列天线方向图计算公式：2014-10-1282、阵列天线分类机械扫描阵列天线平面波导阵列天线、微带阵列天线等天线单元直接馈电网络合成后接放大器机电混扫天线一维有源相控阵天线、多组片天线等两维相控阵天线低剖面共形相控阵天线、宽带相控阵天线等天线单元直接T/R组件，再通过网络合成。2014-10-129二．卫星通信阵列天线简介3、跟踪体制选择程序跟踪开环跟踪，跟踪精度较低，可作为初始捕获。步进跟踪最大值跟踪，不适合快速移动的天线系统。电子波束扫描跟踪波束跟踪迅速，跟踪精度较高，多和机械扫描相结合。单脉冲跟踪零值跟踪，跟踪精度高，结构复杂，成本高。2014-10-1210二．卫星通信阵列天线简介主要内容2014-10-1211三．卫星通信阵列天线研究现状StarCar机载平板天线-MijetLite1、机械扫描阵列天线2014-10-1212MIJET天线Ku频段平板天线，现应用于波音737、空客等飞机。工作频率：Ku采用平面波导阵列天线微带和波导混合馈电网络EIRP：44dBWG/T值：11dB/K高度190mm；重量27Kg工作频率：Ku频段等效口径：0.45m采用多组片子阵合成技术EIRP：42dBWG/T值：11dB/K跟踪模式：惯导模块＋GPS和机械波束扫描跟踪高度150mm，重量50KgK/Ka等频段平板天线2014-10-1213机载点对点卫通天线整机图K频段和X频段平面阵列天线采用分置的两片平板缝隙天线采用两维机扫的方式K波段（20GHz）接收，G/T值0dBKKa频段（30GHz）发射，增益30dBi工作频段为X波段天线形式为波导缝隙阵列接收增益27dB，发射增益28dB实现收发共用且双圆极化信号形式整机高度304mm，天线高度254mm；天线直径820mm美国三．卫星通信阵列天线研究现状1、机械扫描阵列天线2014-10-1214平面阵列天线StealthRay系列StealthRayTM5000内部排布E7000天线Ku频段收发微带阵列天线分置两维机扫接收G/T值≥7dB/K发射EIRP值≥43.6dBW天线尺寸：1150×900×210mm3等效口径：0.6m一片波导阵列，收发共用增益：发36dB，收35dBG/T值：13dB/KEIRP值：52dBW尺寸：Ф1300×300mm3三．卫星通信阵列天线研究现状1、机械扫描阵列天线2014-10-1215工作频段：Ku/Ka频段天线形式：平板阵列天线天线增益：等效0.6米天线体积：≤Φ1350mm×320mm跟踪方式：电子波束扫描跟踪多种频段、多种口径平板阵列系列天线CTI-CM60-Ku2304型动中通天线工作频率：Ku波导单元，波导、带线混合馈电收发增益：均大于36.5dBG/T值：13.0dB/K跟踪方式：电子波束扫描跟踪双线极化自动极化调整CTI-CM60-Ku/Ka2304型动中通天线三．卫星通信阵列天线研究现状1、机械扫描阵列天线2014-10-1216工作频段：Ku频段平板波导喇叭阵列天线等效0.9米天线收发增益大于38.5dB双线极化T650低轮廓动中通天线工作频率：Ku频段等效0.6米天线波导喇叭阵列天线收发增益：均大于35.5dBG/T值：13.0dB/K双线极化T900低轮廓动中通天线三．卫星通信阵列天线研究现状1、机械扫描阵列天线双极化机电混扫天线2、机电混扫阵列天线2014-10-1217频率：20.6GHz～21.2GHz采用串馈的微带阵列天线G/T值：5dB/K交叉极化：20dB天线倾角40°俯仰扫描范围20-55°阵面高度220mm，直径850mm接收K频段，发射Ka频段收发阵面分开采用并馈的微带阵列天线方位机扫0-360°俯仰电扫10-80°G/T值=4dB/K，EIRP=38dBW三．卫星通信阵列天线研究现状2014-10-1218采用混合机械与电子扫描技术Ku频段收发共用行波阵，微带与波导混合馈电G/T值大于9dB/K增益大于31dBi电扫范围20-70度天线直径小于820mmKu频带只用于接收行波波导缝隙天线G/T值大于9dB/K电扫范围20-70°天线高度125mm天线尺寸560×560mm三．卫星通信阵列天线研究现状2、机电混扫阵列天线2014-10-1219Ku频段一维相控阵天线技术特点收发共用的双极化波导天线错位倾斜排布的布阵技术低损耗低剖面双层馈电技术小型化双工器技术工作频段：Ku等效口径：0.6米俯仰面电扫：20-70°方位面机扫：0-360°G/T值：≥10.5dB/K尺寸：Φ1150mm×225mm三．卫星通信阵列天线研究现状2、机电混扫阵列天线3、两维有源相控阵天线采用波导加载介质单元用于EHF频段发射光纤传输数字信号用于B2与AEHF星地数传扫描范围±60°AEHF相控阵天线2014-10-1220美国诺格公司SATANAProgram，Ka频段一体化高集成度相控阵天线Ka频段，收发共用基于17层LTCC技术集成天线、射频、频综等采用微带贴片天线采用数字处理体制扫描范围±60°三．卫星通信阵列天线研究现状Ku频段微带贴片天线基于MMIC射频集成设计增益大于20dBG/T值≥-6dB/K扫描范围±60°直径：≤300mm2014-10-1221NATALIA计划三．卫星通信阵列天线研究现状3、两维有源相控阵天线2014-10-1222两维卫星通信相控阵天线S频段低剖面卫星通信相控阵天线Ku频段低剖面卫星通信相控阵天线S频段收发共用扫描范围大于±60°G/T值大于-17dB/KEIRP值20dBW尺寸Φ400mm×45mm重量小于8Kg三．卫星通信阵列天线研究现状3、两维有源相控阵天线2014-10-1223国内其他两维卫星通信相控阵天线10所——Ka频段机间链相控阵天线；29所——Ka频段星载相控阵工程样机；成都雷电微力公司——Ka频段毫米波天线；北京中航航空电子公司——S/Ka频段一体化多波束相控阵天线；航天五院——Ka频段星间链相控阵天线。成都雷电微力公司某毫米波天线10所20GHz卫星通信接收相控阵天线29所27GHz卫星通信发射相控阵天线三．卫星通信阵列天线研究现状3、两维有源相控阵天线2014-10-12243、两维有源相控阵天线-有源射频器件三．卫星通信阵列天线研究现状VICTS天线ThinCom公司CTS天线4、新型天线2014-10-1225Ku频段，收发分开采用VICTS天线形式G/T值大于12.7dB/KEIRP值大于44.5dBW扫描范围20-70°尺寸：1500mm×1000mm×110mm重量小于50Kg三．卫星通信阵列天线研究现状超材料天线KyMeta公司Ka超材料相控阵天线4、新型天线2014-10-1226利用PIN管代替移相器实现低成本两维扫描收发天线分置天线形式为波导缝隙采用PIN管代替移相器扫描扫描范围大于±60°可与载体平台共形高度小于50mm三．卫星通信阵列天线研究现状主要内容2014-10-1227四．卫星通信阵列天线关键技术A、机械扫描阵列天线技术2014-10-12281、收发共用阵列天线设计技术为提高天线的孔径效率，需采用收发共用的阵列天线。如何设计频段能覆盖收发频段的天线单元及组阵形式是关键技术之一。2014-10-1229波导单元微带单元波导缝隙单元四．卫星通信阵列天线关键技术2、双极化低损耗馈电技术对于双极化收发共用阵列天线，大规模的馈电网络将带来较大的损耗。选用低损耗的混合馈电网络；双极化馈电网络的设计2014-10-1230SIW馈电网络微带馈电网络波导类馈电网络四．卫星通信阵列天线关键技术3、高精度跟踪技术实现良好跟踪性能一般采用如下方法：采用高精度惯导系统，利用程序引导跟踪；采用单脉冲自跟踪体制，利用和或差信号跟踪卫星的信标和通信信号。较好的措施是：采用低成本的惯导和跟踪接收机，利用电子波束扫描跟踪体制，可实现高精度的跟踪。2014-10-1231四．卫星通信阵列天线关键技术B、相扫天线技术2014-10-1232四．卫星通信阵列天线关键技术1、宽角扫描阵列天线设计技术在相控阵天线系统中，由于采用了电子扫描技术而无需机械转动，故天线单元的宽角宽带特性决定着本天线系统的整体性能。2014-10-1233四．卫星通信阵列天线关键技术2、低损耗馈电与射频集成技术低损耗天线馈网与射频一体化设计技术可减小设备量，提高总体性能。将“子阵”为基本单元进行设计，内含辐射单元、馈电网络和低噪声放大器等模块馈电网络的插损尽量低，布局尽量简单，且易集成化设计有源器件需模块化设计，如采用MMIC或LTCC等技术对于低剖面天线，采用层压的方式排布有源与无源模块2014-10-1234四．卫星通信阵列天线关键技术3、相控阵天线高精度跟踪技术单脉冲跟踪体制在信噪比较高时才能工作。信噪比较低时通常采用圆锥扫描跟踪体制，又分为机械抖动扫描和电子波束扫描的两种，国外产品采用机械抖动扫描跟踪，动态跟踪精度较低，可靠性较差；采用电子波束扫描的跟踪体制，是实现快速高精度跟踪的更好方法。2014-10-1235四．卫星通信阵列天线关键技术4、高效散热技术两维有源相控阵天线采用了分布式有源器件，散热层应主要置于热源的周围或有源单元层的下方，并且与热源器件之间保持良好的热传导，以达到高效散热效果。2014-10-1236四．卫星通信阵列天线关键技术主要内容2014-10-1237五．发展与未来1、阵列天线性能提升2014-10-1238阵列天线的旁瓣和交叉极化电平需进一步降低阵列天线馈电网络的一致性实现——降低旁瓣和交叉极化通过馈电技术可进一步降低交叉极化电平通过幅度加权可进一步降低旁瓣电平2、宽带超宽带阵列天线（综合孔径技术）2014-10-1239宽带超宽带阵列天线可广泛用于多频段卫星通信系统，从而减少天线的数量。五．发展与未来3、共形相控阵天线（智能蒙皮技术）2014-10-1240天线阵列、射频元器件等与平台一体化设计，天线作为载体的一部分，已满足载体平台的启动、隐身以及波束空间覆盖能力。推动天线向小型化、集成化