用于Ku频段低速卫星通信的阵列天线设计

2017年第4期信息通信2017
(总第172 期）INFORMATION & COMMUNICATIONS (Sum. N o 172)
用于K u频段低速卫星通信的阵列天线设计
徐永杰,高时汉
(广州海格通信集团股份有限公司，广东广州M0663)
摘要:根据装载平台的迫切需求，研制了一种工作在K u频段的、高效率、低剖面、适应于低速卫星通信的阵列天线，该阵 列天线采用角雉喇》八、正交模搞合器和波导功分器组阵的方式，并集成了 BUC和LNB。

由该天线阵列构成的动中通系 统不仅满足小型平台机动应用的通信需求,也可对我国现有的中高速卫星通信网形成必要的补充。

关键词:K u频段;低剖面；阵列天线;动中通
中图分类号:TN965 文献标识码:A文章编号：1673-1131(2017)04-0173-04
Des^n of a Array Antenna at Ku-band for satellite commumcations With Low data rate communicatioiis
Xu Yongjie, Gao Shihan
(GuangZhou Haige Communications Group Incorporated Company,GuangZhou510663) Abstrate ：In this paper,a high efficiency,low profile antenna array at Ku-band for satellite communications With Low data rate communications is described,which is based on horn antennas,the Orthomode Transducer and waveguide power divider struc­ture and integrated with LNB and BUC.The Satcom on the Move composed of t he array antenna not only meet the needs of small mobile communications platform,moreover,it is necessary of supplement the existing high date rate satellite communications.
Key words ：Ku band;low profile；array antenna；Satcom on the Move
〇引言
随着卫星通信的发展，在小型水面舰艇、运输车队以及机 械化部队的装甲车等具有通信需求的装载平台配置用户地球 站时，面临小塑装载平台的限制，急需更小型天线系统的用户 站装备；同时，在原有固定使用模式的基础上，机动武器平台 对用户站进一步具有动中通的通信需求。

在此类需求的基础 上，需要对原有型谱中用户站及天线进行更小型化设计，支持 动中通应用的卫星终端站型。

基于以上需求，本文设计了一款K u频段小型化天线阵, 利用该天线阵组成的动中通天线配合卫星终端安装在水面舰 艇上，通过K u频段透明转发器和中心站通信，可实现在卫星 波束覆盖下的低速话音、基于IP协议数据交互、短信交互等功 能;也可以安装在运输车队和机械化部队的装甲车上，不仅满 足小型平台机动应用的通信需求，也可以对我国现有的中高 速卫星通信网形成必要的补充。

1天线组成
天线是用户站等站型设备的重要组成部分。

本文设计的 天线阵列集成了平板阵列天线、上变频器(BUC)和下变频器 (LNB)等部分，用于构建无线传输通道。

如图1虚线框中所示。

图1用户站设备组成图
2喇叭阵列天线设计
喇机平板阵列天线由于体积小、效率高、低剖面和重量轻，在无线通信系统中得到了广泛的应用。

Starling、ERA、Raysat、Trao Star等公司设计的平板阵列天线促进了国内平板天线的发展，但 这些平板天线结构与用户站设备给出的结构形式不匹配。

根据 结构要求，本文设计了方形喇叭阵列天线，采用波导喇叭作为天 线的基本辐射单元，利用变形T型结，实现馈电网络的设计，组 成了 3元天线子阵，利用子阵技术，设计出3X20元阵列天线。

天线阵列指标为：
工作频率:RX12.25GHz〜12_75 GHz
TX 14.0GHz〜14.5 GHz
天线口径:等效0.3米；
天线增益:大于30.5dBi;
天线高度:小于60mm;
双端口驻波比:<1.5;
双端口隔离度:>55dB;
极化形式:线极化；
天线带宽:收发双频带带宽均为0.5GHz。

2.1辐射单元设计
喇叭单元是波导阵列天线常用的基本天线单元。

喇叭天 线单元剖面如图2所示。

根据图2可得出下列几何关系式[1]:
0 L…
cos-= -(1)
2 L+a
I= —(£T<eL)(2) S C T
173
■25m
图5辐射单元接收中心频率增益仿真结果
图6辐射单元发射中心频率增益仿真结果
从仿真结果看出，双端口在双频带内的驻波都在1.5以 下，接收发射频带中心频点的增益分别是14.5dBi 和15.4dBi 。

驻波比偏高，这主要是O M T 的匹配不好引起的，在阵列设计 中，可以通过馈电网络与天线之间的匹配来改善天线的驻波。

2.2天线阵列设计
以上述辐射单元为基础，设计出了 3元波导喇叭阵,3元 阵的仿真模型如图5所示。

图5 3元喇叭阵列模型图
3元阵的馈电网络采用并馈形式，利用T 型功分器进行 级联设计。

由于布局的需要，波导馈电网络中会出现一些不 连续性，这些不连续性会导致传输过程中激励起其它模式,影 响馈电网络的匹配和天线的性能，如何减小这些不连续性对
馈电网络的影响是设计中的关键，本设计采用改变H 面波导 宽度来减小这些不连续性的影响。

在馈电网络设计中引入倒 向块，倒向块实现纵向网络转换成横向的合成网络，这样并馈 合成网络将不再占用纵向空间,减小了天线的厚度。

以3元阵为天线阵列的子阵，运用子阵技术进行组阵设计。

式中，e 为张角,AP 为口径，L 为喇叭长度,<t 为射径差。

为了实现阵列天线的最大增益，充分利用结构的尺寸空 间，本设计选用角锥喇叭作为天线的辐射元，用阶梯过渡段代 替渐变过渡段的方法来改善喇叭天线单元的阻抗匹配，使天 线在K u 接收和发射双频段内都有良好的阻抗匹配。

为了让 高低频率的电磁波都能通过，波导口的大小应该以低频的截 止波长为准来设计，即波导口的边长约为最低频率波长的一 半。

为了保证高频方向图良好，喇叭口径不能过大，将口径边 长设为高频波长的两倍[2]。

根据公式（1)〜（3)计算出辐射喇叭单元的初始尺寸，当 喇叭长度L 给定时，其定向性随着口径A P 和张角0的增大而 提高。

但若口径和张角过大，以致tr 达到180度电角度，使口 径的边缘场与中心场的相位相反，反而会降低定向性。

天线阵的整体设计要求天线双频双极化工作，在设计好 喇叭天线单元之后,要使天线双极化工作，需要设计一个正交 模耦合器（OMT )来分离喇叭天线单元中两个正交的线极化 波。

为了降低天线整体高度,喇叭辐射元和OMT —体化设计， 组成天线阵的基本辐射单元，设计的模型如图3所示。

图3辐射单元整体结构模型图
当天线接收信号时，OM T 的公共端口接收到水平极化波
T h ，由于过渡段对它形成短路并且被反射，所以不能从直通
端口输出，最后通过矩形谐振窗口耦合到矩形分支波导中,然 后从耦合窗口输出；当天线发射信号时，直通端口激励主模 ■^^模,通过过渡段后，由于谐振窗的窄边相对于高频的波长 都是很小的，所以信号是进入不了耦合端口的，只能从公共端 口输出到天线中。

这样在方波导中就有了双极化的两列波, 在理想情况下达到两个正交极化完全隔离的目的。

辐射单元整体模型仿真结果分别如图4、图5、图6所示。

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p
0<5 5 5 o
5f s 'l o .s .o .-s .-l o .SA {I
I }a -p
174
&通滤波器1带通滤波器放大器
式中G 为阵列天线增益，为辐射单元增益，为单元数目。

根据上述公式，考虑加工误差和加工工艺对天线增益的影响， 选取为60。

设计的60元天线阵列模型如图6所示，仿真结果 如图7、图8、图9和图10所示。

带通滤波器
上变娜块(BUCJ
浞频器肱动放大器功放
k 2& 14.60
& Is f c x
40,00
-100 00 0. }〇 100 00
图9喇叭阵列天线接收中心频率增益仿真结果DO D C
图10喇叭阵列天线发射中心频率增益仿真结果
从上述图中可以看出，天线双端口的驻波在双频带内都小 于1.4,接收和发射频段隔离度均在55d B 以上，接收频带中心 频点的增益为32.3dBi ，发射频带中心频点的増益为32.9dBi , 副瓣均低于-13dB 左右，满足设计要求。

设计的阵列天线可以 在双频带内双极化工作，满足K u 频段卫星通信系统低速数据 交互的需求。

天线口径大小约为278mmx 278mm ，髙度约为 58mm .天线阵具有高效率、结构紧凑、尺寸较小等特点。

3 BUC (上变频模块)设计
BUC 的作用是将调制解调设备发出的中频信号上变频到 Ku 频段，再将信号放大后，发送到天线阵。

目前较成熟的BUC 产品大都被外国公司垄断’如：Wavestream 、Advantedi 、Am - plus 、JRC 等。

天馈系统需求的BUC 模駐要指标如表1所示。

表1 BUC 模块主要技术指标要求
天馈系统要求E IR P 为33dBW ,用0.3米的喇叭阵列天 线，实际天线增益最小值约31dB ，波导馈线的损耗约小于ldB ,
BUC 的额定输出功率要大于3dBW ,考虑留有一定余量，因此
选用输出功率为4.7dBW 的3W 功放芯片。

中频信号采用L 中频，其频率范围为950MHz 〜1450MHz ， 因发射频率为14GHz 〜14.5 GHz ,需要选用13.05 GHz 的本振
信号。

具体实现方案如图11所示。

图11 BUC 模块实现方案框图
中放I
中S
I 温控袞减器可控«»器<
分频器
27Smm
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1«Z j 2Z J 1 L U ..I
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图6 3X 20元喇叭阵列天线模型图
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13 F r*q LGHz]
丨75
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图7天线阵两个端口驻波比仿真结果
,2>6'
1J ；75
图8天线阵两个端口隔离度仿真结果
序号
项目性能要求
输入/出猙举范闹0.95G
H z
-45G
H z 2输出供率范14<5K z 〜14.5G
H z
3蝓出功率22.5W 4最人增益55d B 5
杂敞輪出
<-65d
B c
6相位噪声
<-6S d B <^H z (10G H z )
<-7S d B c ^z
C I k H z )^
S S d B c /H z
(10k
H z
)<-98d
B c /z
(O
O k z
)
7
】0M
H z
参考输入电〒0d B m 3d B
S
烘屯7V
D C
9功耗
S
2〇W (额定功率输出时>
▼
琴i
明
175
由图11可知,BUC的信号通道主要包括信号变频、滤波、放大等单元电路。

来自调制器的中频信号经过放大后，上变频 到K u频段，再通过带通滤波器滤除混频器产生的杂波分量和 本振泄漏信号，最后经由功率放大器放大后输出。

其中温控衰 减器用于改善由于温度变化引起的BUC总增益的波动。

为了 减少发射机输出宽谱噪声对接收灵敏度的影响,在功放输出端 増加抑制宽谱噪声的低损耗滤波器。

微带一波导过渡实现功 率放大器输出与波导的连接•具体的链路预算如图12所示。

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tt出功零
CdftP
27-12-1521-i13-1I I IS34.5从3
图12 BUC模块链路预算框图
由图12可知，链路总增益58.2dB，输出功率大于34 dBm,满足天馈系统的需求。

4 LNB(下变频模块)设计
LNB的作用是将天线阵接收到的卫星信号进行滤波，再 放大并下变频到中频信号。

目前较成熟的LNB产品有Norsat、JRC等。

天馈系统需求的LNB模块主要指标如表2所示。

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油大埔益(挪）-0.212.011-0〇-4.0-8.0-0516-020
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0.20.60, 6408.00.S I.S4. 0
图14 LNB模块链路预算框图
由图14可知，链路总増益58_8dB,噪声系数0_77dB，满足天馈系统的需求。

5天线总体设计
根据上述设计，阵列天线的两个端口分别连接收发双工 器，结构设计时，将LNB和BUC模块有效集成。

接收信号时,接收端口接收两路极化波信号(垂直极化波和水平极化波)。

经LNB滤波再放大并下变频到中频信号，再传输给功分器, 由功分器进行分配，一路提供给综合业务终端的卫星调制解 调器，再经卫星调制解调器解调出有用的信息;另一路提供给 伺服分系统的信标接收机和载波跟踪接收机，进行天线的跟 踪控制：发射信号时，通过BUC变频为K u频段信号，一路通 过垂直极化波的形式发射，另一路通过水平极化波的形式发 射。

天线阵总体框图如图15所示。

表2 LNB模块主要技术指标要求序弩碉目性能换求
1输入餚本振田32.25GHz〜l2.75CHz 2出頻竿范围0.95G H z-1.45G H z 3
4狳出丨压锄点>5d B m
5增益>5S d B
6分敝綸出60d B c
7谠像抑制
S
相位噪产<_68d Bc/H2@10O H z
9<-7S d B c^I z@]k H z
屋0
31<-9«d B c/H z@100kHz
12供屯-W D C〜十18V D C
1310M H z#巧输入电平UdQio&3'dB图15天线阵射频通道总体框图
LNB模块的具体实现方案如图13所示。

为了减小体积，波导发阻滤波器和波导一微带过渡一体化设计，不但能防止 发射链路的发射信号和宽谱噪声泄漏到L N B中造成接收阻 塞和灵敏度降低，而且能将波导立体结构电路转换成平面微 带结构电路。

为了有效降低噪声系数以提高系统灵敏度，采 用三级低噪声放大器级联的方式在降低噪声系数的同时提髙了有源电路的増益减小了后续无源电路对噪声系数的影响。

镜像抑制滤波器可以有效地抑制镜像频率产生的干扰和镜像噪声。

采用双平衡混频器可以有效减少混频产物引入杂散。

低通滤波器滤除混频杂散后由中频放大器将信号放大到足够的功率后输出。

具体的链路预算如图14所示。

6结论
根据小型装载平台的需求，设计出一种工作在K u频段、高效率、低剖面、集成LNB和BUC、适应动中通信的天线阵列。

由该天线阵列构成的动中通系统可以装载在水面舰艇、运输车 队或机械化部队的装甲车上，通过K u频段透明转发器和中心 站通信，实现在卫星波束覆盖下的低速话音、基于IP协议数据 交互、短信交互等功能；由该天线阵列构成的动中通系统不仅 满足小型平台机动应用的通信需求，也可以对我国现有的中髙 速卫星通信网形成必要的补充，具有广阔的应用前景。

参考文献：
[1] JohnD,Kraus，RonaldJ.Marhe.天线.第 3 版.北京:电子工
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[2] S.S.Oh,J.W.Lee.M.S.Song,and Y.S.Kim.Tow-layer slot­
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作者简介:徐永杰(1981-)，男，内蒙古赤峰市人，工程师，研究 方向为天线理论与技术、微波器件与电路等。

176。