低轮廓动中通天线_牛传峰

阵列天线。2006 年，韩国某公司采用赋形双反抛物 面技术，研制出了中低轮廓反射面形式的 Ku 频段 火车用卫星通信天线［6］。
2006 ～ 2010 年，以色列 ＲaySat 公司推出多组平 板阵列动中通天线，Mijet 系列车载、机载动中通天 线产品及 E7000 单片平板阵列天线等。2007 年，美 国 TracStar 推出宽带双向卫星通信系统 IMVS450M 动中通天线产品［7］。2010 年，中国电科第 54 研究 所研制出了 CTI-CM60-Ku2304 型 Ku 频段车载低轮 廓 0． 6 m 动中通天线。
图 3 低剖面 Ku 波段卫星通信天线
2013 年第 2 期
牛传峰 等： 低轮廓动中通天线
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41 dBi，俯仰面扫描范围达 80°。
图 4 IMVS450M 车载动中通天线
AL-3601、AL-3602 型动中通天线采用双反射面 技术，分别对天线副反射面和主反射面进行赋形设 计，降 低 了 天 线 剖 面。天 线 工 作 在 Ku 频 段，AL3602 型动中通天线主要性能指标如下。
( 中国电子科技集团公司第 54 研究所，石家庄 050081)
摘 要： 对动中通天线的应用背景、发展历程、低轮廓动中通天线的类型进行了综述，比较了高轮 廓、中轮廓、低轮廓动中通天线的性能特性，介绍了不同类型低轮廓动中通天线工作原理和代表产 品，并分析了各种低轮廓动中通天线的技术指标及优缺点，进一步研究了低轮廓动中通天线的关键 技术，最后对动中通天线的发展趋势进行了展望。 关键词： 低轮廓; 动中通; 卫星通信; 阵列天线 中图分类号： TN82 文献标识码： A 文章编号： 1673-5692（ 2013） 02-149-07
在全球 范 围 内，卫 星 通 信 的 主 要 工 作 频 段 有 UHF 频段、L / S 频段、C 频段、Ku 频段、Ka 频段，但 目前赤道同步轨道上 Ku 频段同步卫星众多，具有 通信容量大、可用转发器多等优点，因此 Ku 频段是
目前移动卫星通信的主要应用频段。 动中通天线是针对在快速移动中保持卫星通信
图 5 多组介质透镜动中通天线
介质透镜天线的优点是： 电性能较好，波束扫描 时增益基本不下降，配合多个馈源易实现多频段多 波束； 缺点是： 频段高时透镜介质损耗大，天线效率 降低； 多个介质透镜天线组阵可实现低轮廓，但合成 网络及同步结构复杂； 适用范围是： 多频段、扫描范 围大，中等轮廓的天线应用。
Abstract： Background of applications，development history and types of low profile antennas of“Sat-com on the Move”are reviewed． The characteristics between high profile，middle profile and low profile antennas of SOTM are compared and different low profile antenna products of SOTM are introduced． More keys of technology about low profile antenna are further studied． At last the development trend of low profile antenna of SOTM is looked into the distance． Key words： low profile； Sat-com on the Move； satellite communications； array antenna
第2 期 2013 年 4 月
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综述
Journal of CAEIT
Vol． 8 No． 2 Apr． 2013
doi： 10． 3969 / j． issn． 1673-5692． 2013． 02． 008
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低轮廓动中通天线
牛传峰，杜 彪，韩国栋，张文静，路志勇，刘 昕，张瑞东
2 低轮廓动中通天线
为适应车载需求，性能优良的低轮廓天线是动中 通天线的一个非常重要的发展方向。低轮廓动中通 天线按照不同天线类型分类，可分为： 低剖面反射面 天线、多组介质透镜天线、平板阵列天线、相控阵天线。
2． 1 低剖面反射面天线
经过赋形设计的抛物面可以实现低剖面性能， 比较有代表性的设计产品有： 以色列 Orbit 公司研制 的 AL-3601、AL-3602 型动中通天线系统、美国 TracStar 公司的 IMVS450M 车载动中通天线［8］，天线的 产品照片分别如图 3、图 4 所示。
图 6 Starling 公司的多组平板阵列天线
天线采用波导馈电的宽带天线单元、多天线子 阵合成技术、极化自动实时跟踪，代表了合成天线的 最高水平。现在应用于波音 737、空客等大型飞机。 天线的主要技术指标如下。
（ 1） 工作频率： 发射 14 ～ 14． 5 GHz，接收 10． 7 ～ 12． 7 GHz；
动中通天线的发展过程，首先出现的是高轮廓 的圆口径反射面天线，然后是中轮廓的椭圆波束反 射面天线、透镜天线，最后是低轮廓的透镜天线、反射 面和阵列天线。三种典型的天线照片，如图 2 所示。
图 2 三种不同轮廓的天线照片
动中通天线的发展历程如下。 （ 1） 高轮廓圆口径反射面天线 高轮廓天线： 主要以圆口径的反射面天线为主， 国内外相关科研单位及公司已有较为成熟的产品。 反射面天线优点是易于实现高增益、低旁瓣和低交 叉极化性能，缺点是轮廓高。 高轮廓天线产品种类非常多，如中国电科第 54 研究所研制的船载 C 频段 3． 8 m、7． 3 m 卫星通信动 中通天线，车载 Ku 频段 1． 5 m 环焦动中通天线； 中 国电科第 39 研究所研制的 0． 8 m Ku 波段环焦动中 通天线，0． 6 m Ku 波段环焦动中通天线等。 （ 2） 中轮廓椭圆反射面天线、透镜天线 中轮廓天线： 主要以椭圆口径的反射面天线和 透镜天线为主，可以在较低的尺寸下实现较好的电 气性能。典型产品有 2002 年，国内研制出了中轮廓 的 Ku 频段 0． 55 m、车载 1． 2 m 椭圆波束环焦天线； 2004 年，日本推出了新型天线 Lune-Q 中轮廓的透 镜天线，用于接收卫星电视节目； 2009 年，中国电科 第 54 研究所采用赋形抛物面技术，研制出了车载中 轮廓 Ku 频段 0． 9 m 动中通天线。 （ 3） 低轮廓透镜天线、反射面天线、阵列天线 低轮廓天线主要有透镜天线、反射面天线、阵列 天线三种形式。其突出优点是具有轮廓低、机动性 好、体积小、易于安装、重量轻等特点，用于动中通时 最大的特色是风阻小，适宜高速行驶的载体平台应 用，可用于汽车、坦克及飞机等多种应用平台上。 2005 年，美国空军研究实验室研制出机载透镜
对于不同类型的动中通，性能优缺点比较见表 1。
表 1 各种动中通天线性能比较
类型
反射 面天 线
介质 透镜 天线
平面 阵列 天线
优点
口径易增 大； 结 构简 单，射 频 器 件少，易 实 现 收 发共用。
性能 较 好，扫 描 时增益基本不下 降，易 实 现 多 频 段、多波束。
轮廓 低，射 频 集 成化 高，可 实 现 收发共用； 仰 角 0° ～ 90°。
2． 3 平板阵列天线
平面阵列天线具有效率高、重量ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ、体积小的特 点。一般可以分为单片阵列与多片阵列两种类型， 天线均采用两维机械扫描体制。
（ 1） 多组阵列动中通天线 多组阵 列 动 中 通 天 线 的 代 表 产 品 是 以 色 列 Starling 公司的生产的 Ku 频段多组阵列机载天线， 天线照片，如图 6 所示。
1 动中通天线分类及发展历程
动中通天线的类型有很多种，其分类方式也各不 相同，按照不同的结构形式可分为反射面天线、透镜天
收稿日期： 2012-12-11 修订日期： 2013-04-06
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线和阵列天线三种，三种天线典型的照片，如图 1 所示。
图 1 三种结构形式的天线照片
Low Profile Antennas of “Sat-com on the Move”
NIU Chuan-feng，DU Biao，HAN Guo-dong，ZHANG Wen-jing，LU Zhi-yong，LIU Xin，ZHANG Ｒui-dong
（ The 54th Ｒesearch Institute of CETC，Shijiazhuang 050081，China）
0引言
卫星通信具有传输距离远、覆盖范围广、受干扰 小、容量大、质量高、通信方式灵活多样等优点［1，2］， 随着全球经济和信息化的高速发展，越来越多的信 息通过卫星进行传输，在移动载体上随时随地与卫 星通信，也已成为军民两用应急通信、实时通信的迫 切需求。因此，卫星通信已经成为车载、船载、机载等 移动载体通信的重要手段。而卫星移动通信系统的 关键技术之一就是天线技术［3］，故动中通天线技术的 研究已成为卫星移动通信技术领域的研究热点之一。
2． 2 多组介质透镜天线
介质透镜天线，也称龙伯透镜天线，可实现多波 束（ 宽角扫描） 、多频段共用等性能。通过几个透镜 组阵可实现低轮廓。
美国空军实验室对介质透镜阵列进行了实验研 究，产品照片如图 5 所示。天线工作在 20 /44 GHz， 双圆极化，在 20 GHz 增益为 35 dBi，44 GHz 增益为
信号平稳不间断的使用需求而设计，能够在多种恶 劣天气及颠簸路况下使用，可在车辆快速移动中实 现长时间、不间断的高速率信息传输，充分满足应急 通信保障高标准、高可靠性的要求，可广泛用于新闻 采集、应急指挥等诸多领域［4，5］。
目前，国内外动中通天线主要供应商有： 美国的 Trackstar、以色列的 ＲaySat、以色列的 Starling，国内 主要研制生产厂家有： 中国电科第 54 研究所、中国 电科第 39 研究所、中国航天 704 所等。
（ 2） 等效口径： 0． 45 m； （ 3） EIＲP ＞ 42 dBW； （ 4） G / T 值 11 dB / K； （ 5） 跟踪模式： 惯导模块 + GPS 和机械波束扫 描跟踪； （ 6） 机扫范围： 方位 0 ～ 360°，俯仰 10 ～ 90°； （ 7） 尺寸： 直径 760 mm，高度 150 mm； （ 8） 重量： 50 kg。 多片阵列动中通天线的另一代表产品是 ＲaySat 公司的 StealthＲayTM 3000 动中通天线［3］，其内部排
（ 1） 天线增益： 接收 34 dBi，发射 35． 4 dBi； （ 2） 天线 G / T 值： 13 dB / K； （ 3） 交叉极化隔离度： ＞ 30 dB； （ 4） 天线俯仰调整范围： 35°（ 15° ～ 50°或 35° ～ 70°） ； （ 5） 天线尺寸： Φ1 058 mm × 488 mm； （ 6） 天线重量： 96 kg。 IMVS450M 型车载动中通天线采用抛物柱面馈 源照射另一抛物柱面反射面，通过抛物柱面的旋转 进行俯仰面的波束扫描。IMVS450M 型动中通天线 主要性能指标如下。 （ 1） 天线增益： 发射 35． 5 dBi，接收 32． 5 dBi； （ 2） 天线 G / T 值： 11． 5 dB / K（ 30°仰角） ； （ 3） 交叉极化电平： ＞ 20 dB； （ 4） 俯仰波束覆盖范围： 20° ～ 70°； （ 5） 天线尺寸： Φ1 190 mm × 290 mm； （ 6） 天线重量： 74． 3 kg。 低轮廓反射面天线的优点是： 结构简单，射频器 件少，可实现较大口径，易实现收发共用； 缺点是： 轮 廓较高，增益随仰角有变化，不能实现低仰角和高仰 角覆盖； 适用范围是： 等效口径 0． 45 ～ 1． 2 m 中小口 径、中低轮廓天线。
缺点
适用情况
轮廓 最 高； 低 轮 廓应用时低仰角 性能差。
增益高，对 天 线 轮 廓无要求； 赋形的 反射面天线也可 用于低轮廓应用。
频段高时效率降 低； 组 阵 可 实 现 低轮 廓，但 结 构 复杂。
多频段、扫 描 范 围 大，中低 轮 廓 天 线 应用。
口径 不 易 做 大， 射频 组 件 较 多； 对多 组 阵 列，在 低轮廓应用。 高低仰角性能下 降； 成本较高。