卫星通信阵列天线技术杜彪.ppt
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,2014-10-12,1,主要内容,2014-10-12,2,主要内容,2014-10-12,3,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,2014-10-12,4,移动载体：汽车、舰船、飞机、导弹等平台。,2014-10-12,5,1、卫星通信阵列天线应用背景,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。,2014-10-12,6,概 述,主要内容,2014-10-12,7,1、阵列天线概念,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。,阵列天线方向图计算公式：,2014-10-12,8,2、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。,2014-10-12,9,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。,2014-10-12,10,卫星通信阵列天线简介,主要内容,2014-10-12,11,卫星通信阵列天线研究现状,StarCar机载平板天线-MijetLite,1、机械扫描阵列天线,2014-10-12,12,MIJET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：44dBWG/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：42dBWG/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50Kg,K/Ka等频段平板天线,2014-10-12,13,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0dBKKa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,卫星通信阵列天线研究现状,1、机械扫描阵列天线,2014-10-12,14,平面阵列天线StealthRay系列,StealthRayTM 5000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：1150900210mm3,等效口径：0.6m一片波导阵列，收发共用增益：发36dB，收35dBG/T值：13dB/KEIRP值：52dBW尺寸：1300 300 mm3,卫星通信阵列天线研究现状,1、机械扫描阵列天线,2014-10-12,15,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：1350mm320mm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36.5dBG/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,卫星通信阵列天线研究现状,1、机械扫描阵列天线,2014-10-12,16,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,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,2014-10-12,17,频率：20.6GHz21.2GHz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,卫星通信阵列天线研究现状,2014-10-12,18,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560560mm,卫星通信阵列天线研究现状,2、机电混扫阵列天线,2014-10-12,19,Ku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：0-360G/T值：10.5dB/K尺寸：1150mm225mm,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,2014-10-12,20,美国诺格公司,SATANA Program，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,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20dBG/T值-6dB/K扫描范围60 直径：300mm,2014-10-12,21,NATALIA计划,卫星通信阵列天线研究现状,3、两维有源相控阵天线,2014-10-12,22,两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/KEIRP值20dBW尺寸400mm45mm重量小于8Kg,卫星通信阵列天线研究现状,3、两维有源相控阵天线,2014-10-12,23,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。,卫星通信阵列天线研究现状,3、两维有源相控阵天线,2014-10-12,24,3、两维有源相控阵天线-有源射频器件,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,2014-10-12,25,Ku频段，收发分开采用VICTS天线形式G/T值大于12.7dB/KEIRP值大于44.5dBW 扫描范围20-70 尺寸：1500mm1000mm110mm重量小于50Kg,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,2014-10-12,26,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,卫星通信阵列天线研究现状,主要内容,2014-10-12,27,卫星通信阵列天线关键技术,A、机械扫描阵列天线技术,2014-10-12,28,1、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。,2014-10-12,29,波导单元,微带单元,波导缝隙单元,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,2014-10-12,30,SIW馈电网络,微带馈电网络,波导类馈电网络,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。,2014-10-12,31,卫星通信阵列天线关键技术,B、相扫天线技术,2014-10-12,32,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。,2014-10-12,33,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,2014-10-12,34,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。,2014-10-12,35,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。,2014-10-12,36,卫星通信阵列天线关键技术,主要内容,2014-10-12,37,发展与未来,1、阵列天线性能提升,2014-10-12,38,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）,2014-10-12,39,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。,发展与未来,3、共形相控阵天线（智能蒙皮技术）,2014-10-12,40,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、低剖面、芯片化方向发展。,发展与未来,4、新概念新体制新材料天线（超材料技术）,2014-10-12,41,微结构排布实现自然材料不具备的电磁响应：天线小型化；共形技术；改善天线匹配，实现宽角扫描；隐身技术。,发展与未来,谢谢！,THANK YOU！,2014-10-12,42,
