Ka波段“动中通”天线

Ka波段“动中通”天线

来源 https://www.eefocus.com/rf-microwave/419619

 

高通量通讯 Ka 频段的天线技术，将带来卫星通信的“5G”时代

中国卫通发射的新型卫星均是 Ka 频段高通量通信卫星。相比传统的 Ku 频段卫星，新型 Ka 频段的卫星传输速度为目前传统卫星的 3~5 倍，抗干扰能力也会增强，而且可以和地面网络互连，完美实现天地一体化卫星通信网络。

 

“LinkSAT”解决 Ka 高通量卫星互联关键技术

2017 年中旬，由人工智能专业孵化器 SiliconX.AI 历时四年孵化的平板动中通天线技术团队取得重大突破，通信系统专家李东晓博士联合多位“千人计划”学者在苏州工业园区正式创办了苏州灵致科技有限公司，启动 Ka 波段的卫星通信天线技术的产业化进程。

2018 年 8 月，中国首款 Ka 波段的动中通天线样机成功完成研发，关键射频性能指标达到预期，正式宣告由中国团队完全掌握自主正向设计能力的平板动中通天线技术研发成功，这也是国内首个 Ka 波段的机械式平板动中通天线，成功突破了境外公司在关键天线技术长期的封锁。

灵致 LinkSAT 技术的主要特点是在外观上使用超低轮廓设计，高度不到 100mm，相比同类的抛物面天线，高度降低了 85%，可有效地降低风阻、节省能耗，并且可在高铁、飞机、汽车等载具上安装；扫描无间断，俯仰角覆盖范围达到了 10-90°，可以在任意地形、任意角度下搜索卫星信号；功率低，极大地缓解了易发热、能耗高的问题，并且不需要额外安装冷却系统；抗干扰能力强，方向图副瓣小于 -20dB，不易受到邻近卫星的干扰；初捕和重捕时间快，信号接收稳定，跟踪角速度 180°/s，跟踪角加速度超过 600°/s2，掉包率低；高传输速率，速度可以达到 100Mbps，因为它天线的旁瓣低（-20dB 以下），非常适合于高吞吐量点波束卫星（HTS）；口径效率高，它的天线口径只有传统的抛物面天线的口径尺寸的 50%到 70%。适合在各类型通信场景使用，大到飞机、坦克，小到汽车、户外，“LinkSAT”用户都可以全地形、全方位地享受卫星通信的高速互连。

LinkSAT 技术主要原理为机械式扫描的相控阵天线技术，自身轮廓低、俯仰波束覆盖范围大、重量轻、功耗低、规模制造成本低，具备大规模民用商用产业化的基础，LinkSAT 技术已受到多家航空航天及大型通信集团企业的关注，计划在 2018 年完成天线整机及可靠性测试，以满足严苛工作环境下的高速宽带需求，推动卫星通信市场实现国产化自主创新的进程，促进国家通信安全战略的实现。

 

Ka 波段“动中通”天线是如何设计的？

1、动中通在今天看来，并非什么新事物。在所有的动中通系统中，数据率主要被两个因素限制：可用带宽、接收灵敏度（和发射功率）。

第一个约束——可用带宽

可以通过 Ka 波段频率以克服。有 3.5GHz 的可用信道带宽，并且通过点波束实现频率的复利用，以此一些 Ka 波段卫星可以达到 130Gbps 的数据传输。它几乎比 Ku 波段卫星高出两个量级。

第二个约束——接收灵敏度 / 发射功率

是因为随着越来越多的复杂调制方案被用于支持更高比特率的数据传输，接收信号的信噪比更高。这就要求更高的天线增益——即发射时达到最大的等效全向辐射功率，接收时最大限度地接收到区域的信号流量，获得最好的信号强度。

除此之外，在动中通的终端，也一定会遇到其他的与数据率无关的约束条件。包括：信号正确的极化方向，最小的旁瓣信号密集度以避免来自邻道卫星的干扰，系统是机载、车载、船载也是重要因素，另外系统的尺寸，重量等因素也会被纳入设计方程。考察指标不仅是系统能工作，而是能够在运动中正常工作。

2、电跟踪（点扫描）的趋势一定程度的消除机械跟踪（机械扫描），这使相控阵天线看似完美的选择。相控阵天线的解决方案可以通过方位角上采用机械扫描，同时俯仰角上采用电扫描的组合来实现。相控阵天线的 Ka 波段解决方案究竟有何优缺？

电扫 / 相控阵天线？

1、相控阵天线合理数量的单元有低增益，尤其是定位偏离轴时，高数据率只能通过在比其他天线解决方案更高的功率电平来实现。

2、这些天线阵列在主瓣以外的部分亦产生显著的能量。这些往往需要消除以便实现认证状态，也就是说需要限制不需要的辐射，才能有效的减少旁瓣与邻道卫星产生的信号干扰。

3、大多数 Ka 波段卫星采用圆极化，这使分配阵列单元实现电跟踪非常复杂。

4、需要保持整个频率范围内的同方位角，限制分数带宽（相对带宽）达到 5%。甚至是在扫描角小至 25°。

5、在 Ka 波段发射频率（30GHz）、接收频率（20GHz），所以需要不同的阵列以覆盖每个频率——阵列之间在一定程度上，既需要单独操作又需要相互同步。

任何带宽的相控阵天线由于以上原因，都不太容易折衷实现在 Ka 波段动中通的使用中。

 

抛物面天线

采用单抛物面反射天线克服这些限制。例如单抛物面天线和喇叭天线和发射接收信号的波导馈源可使天线获得更高的增益；覆盖整个带宽；自动对准接收波束和发射波束；严格控制旁瓣波束。在这样的一个系统中，他更容易发送和接收 Ka 波段卫星要求的圆极化信号（通过调制，也可以是线性极化。），当然它也有缺点，需要反射面机械跟踪，这导致很难设计两波段馈源。

3、系统设计的核心问题：怎样获取、怎样跟踪卫星？

 

开环方法

利用 GPS 定位信息为天线定向，并且重新定位给定当前航向的终端。然而，小范围内的精度定位是非常困难（和昂贵）的。它是依靠惯性导航系统和 GPS 来实现开环跟踪的。此外，惯性导航系统离不开 GPS 测量，很难避免天线罩对 Ka 波段信号的折射，所以由此造成的指示角的变化和大的偏差也会使惯导系统产生误差。（上图为惯性导航系统）

闭环方法

通过自己的传输能力实现卫星跟踪。例如在单脉冲跟踪中，寻找最大限度地接收信号，或卫星信标信号的方向，或一些其他衍生信号。它通过传统的抛物面天线进行机械扫描实现，它的扫描时圆锥扫描以及步进跟踪。(上图为单脉冲跟踪系统)

以上几个方面确定以后，在实际应用中需要考虑到动中通天线的

1、全双工操作
2、线性和角加速度
3、固定的俯仰角和方位角
4、移动的俯仰角和方位角
5、控制接收端的跟踪角和发射端的定位角
6、捕获时间和堵塞重捕时间

 

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面板径向尺寸的选择工作在S频段的天线，对反射面板的精度要求很低，通常在0.6mm以下，此时面板径向尺寸只需要考虑加工及运输要求。
我们曾经做过10M口径天线只有一圈反射面板，面板径向尺寸达到将近4M,该天线在实际应用中获得了成功。
对工作在X频段的天线，其面精度通常在0.25m左右，此时面板径向尺寸不应大于2.2M,否则很难达到精度要求。
Ku频段的天线面精度在0.2mm以上，面板径问尺寸则不应大于2M。
而工作在Ka频段的天线，天线面精度在0.1mm以上，若面板径向尺寸大于1.7M,则精度很难得到保证。

 

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