通信衛(wèi)星天線技術(shù)的新發(fā)展

天線技術(shù)是近年來通信衛(wèi)星有效載荷中發(fā)展很快的技術(shù)。許多公司在這一領(lǐng) 域進(jìn)行著國際性激烈競爭,其中,法國阿爾卡特空間公司有較快發(fā)展。他們多年來在理論分析 、設(shè)計(jì) 、制造和試驗(yàn)方面已獲得了廣泛的知識(shí)和豐富的經(jīng)驗(yàn)。例如,完整的多饋源和波束成形網(wǎng)絡(luò)合成與分析、有源陣列、輻射部件、方向圖的預(yù)測、無源交調(diào)產(chǎn)物、次級電子倍增效應(yīng)(在真 空中電極放電)試驗(yàn)、緊湊金屬波束成形網(wǎng)絡(luò)、復(fù)合材料技術(shù)和自動(dòng)化試驗(yàn)技術(shù)等。

天線研制的主要技術(shù)難度是要求連續(xù)的系統(tǒng)改進(jìn)、天線性能的苛刻要求等,例如高效率成形 覆蓋 、高水平的極化鑒別、低重量等。這些與控制極化和波束能力、重新構(gòu)形和多波束能力一起 ,對未來的天線研究、研制工作提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

一、無源天線技術(shù)

多成形波束衛(wèi)星通信技術(shù)對于改進(jìn)歐洲通信衛(wèi)星2(EUTELSAT2)通信系統(tǒng)的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和傳輸容量有重要作用,而且在確定報(bào)價(jià)中也是起決定性作用的部分。該衛(wèi)星通過 使用大型拋物面雙柵反射器的兩副雙極化天線確保接收與發(fā)射。

在東、西兩副天線中,東面一副天線確保接收和發(fā)射功能:

. 接收通信信道;

. 發(fā)射最高達(dá)8條電視或多條通信信道。

每一套21個(gè)喇叭的東部多饋源,使用東面板功分器波束成形網(wǎng)絡(luò),包括由遙控指令激活的電子 、機(jī)械開關(guān),用于選擇中增益狀態(tài)(全部覆蓋歐洲)或高增益配置(可變覆蓋)。

西面一副天線最高可發(fā)射14條信道,每一套西面的多饋源包括2個(gè)電子、機(jī)械開關(guān)(用于10/11 GHz頻段或用于12GHz頻段),正如東面一副天線一樣,亦由遙控指令激活,以選擇中增益或高增 益配置。

最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是:在一副天線上提供發(fā)射和接收功能,由于采用寬帶操作,禁止使用頻率 敏感部件,混合部件也要避免并應(yīng)盡量采用極好的 匹配單元以防止來自波束成形網(wǎng)絡(luò)的較差頻率響應(yīng),。同時(shí),較高的發(fā)射功率電平也要求仔細(xì) 設(shè)計(jì)、組裝和試驗(yàn),以消除無源交調(diào)產(chǎn)物, 這無論在接收信號中還是在二次以上諧波中都是如此。

設(shè)計(jì)成雙柵反射器是為了在覆蓋中,最大增益情況下,對于低電平(-9dB)確保大于34dB的極化 隔離。采用二向色太陽屏技術(shù)的先進(jìn)熱控技術(shù),可以減小溫度梯度,實(shí)現(xiàn)較好的飛行中反射 器輪廓穩(wěn)定性,從而實(shí)現(xiàn)低的熱彈性覆蓋變形。

為第一批的5顆歐洲通信衛(wèi)星2衛(wèi)星總共設(shè)計(jì)了10副天線和20套多饋源,其中4 顆衛(wèi)星目前仍在飛行中。

對于第6顆(FM6)衛(wèi)星,對天線場進(jìn)行了修改,通過非常緊湊的格里高利天線, 實(shí)現(xiàn)接收功能。而高的極化純度則通過補(bǔ)償雙成形反射器的幾何關(guān)系獲得。傳統(tǒng)的雙柵反射器天線發(fā)射70W的2～８條信道。小型波束成形網(wǎng)絡(luò)采用新的免除無源交調(diào)產(chǎn)物技術(shù),可節(jié)省2套 (8喇叭)多饋源的重量。

2用于土耳其衛(wèi)星的成形波束天線

土耳其衛(wèi)星(TURKSAT)是第一顆土耳其商業(yè)國內(nèi)通信衛(wèi)星。1994年初 第一顆星發(fā)射未成功,1994年8月第二顆星發(fā)射成功。衛(wèi)星為整個(gè)土耳 其和歐洲其它地區(qū)提供了Ku頻段多波束通信業(yè)務(wù)。

使用先進(jìn)R 小型化、可免除無源交調(diào)產(chǎn)物的波束成形網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的簡單多饋源可用于接收和發(fā)射功能的雙工復(fù)用。該衛(wèi)星型號競爭力較強(qiáng)的原因之一是它再次采用了歐洲通信衛(wèi)星2 的拋物面雙柵反射器技術(shù),大大降低了成本。

3用于阿拉伯衛(wèi)星2 的多成形波束天線

這是正在研制并計(jì)劃于1996年發(fā)射的第二代阿拉伯衛(wèi)星。衛(wèi)星使用3副單獨(dú)的天線 ,提供Ku頻段和C頻段通信業(yè)務(wù):

·一副Ku頻段發(fā)射、接收雙線性極化天線;

·一副C頻段雙圓極化發(fā)射天線;

·一副C頻段雙圓極化接收天線。

所有阿拉伯衛(wèi)星2天線均采用新型成形反射器技術(shù)。采用簡單波紋喇叭饋源反射 器可對所有阿拉伯國家實(shí)現(xiàn)高成形覆蓋。這種天線與拋物面天線相比,天線表面型面只有很小的變形(零點(diǎn)幾個(gè)波長)。

4法國電信星2的多任務(wù)天線

阿爾卡特公司為該星設(shè)計(jì)了一種先進(jìn)的天線系統(tǒng),這種天線系統(tǒng)可依據(jù)飛行任務(wù)要求提供全球性成形波束覆蓋和可控點(diǎn)波束覆蓋。

采用錐形喇叭,以雙正交圓極化的工作方式,可保證全球6GHz的接收覆蓋。

采用下述兩種類型的覆蓋,點(diǎn)波束和半球高增益天線,最高可發(fā)射10條11W的信道:

·對法國本土實(shí)行半球覆蓋,按國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)標(biāo)準(zhǔn),等效全向輻射功率可達(dá)到33.9dBW;

·法國本土和有關(guān)島嶼采用點(diǎn)波束覆蓋,按ISO標(biāo)準(zhǔn),等效全向輻射功率可超過40dBW。

這種天線的主要部分包括:

·2.2米直徑的可展開反射器,采用碳纖維增強(qiáng)薄殼,從而可提供最佳的重量和指向精度。

·多饋源在單極化或雙極化下工作,使用10個(gè)小型輻射部件,由2個(gè)帶狀線功分器配合其工作 。

Ku頻段的接收、發(fā)射天線,安裝在衛(wèi)星面向地球的面板上,確保中心在法國橢圓覆蓋的線性共極化。兩套主饋源向雙柵反射器饋電。采用頻率復(fù)用技術(shù)的11條36MHz帶寬信道,若實(shí)現(xiàn)同時(shí) 利 用,必須在整個(gè)發(fā)射頻段(12.5～１２.７５ＧＨｚ)和接收頻段(14～１４.２５ＧＨｚ)采用極化鑒別方法。

用于保密的政府通信和軍用通信,采用8/7GHz轉(zhuǎn)發(fā)器,需要4副天線。

2副發(fā)射和接收分開的喇叭天線,采用正交圓極化方式工作,實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。

高增益的接收、發(fā)射天線使用了可控反射器,它可允許在地球可視表面的任何地方安排覆蓋 。反射器可根據(jù)遙控指令信號定向,采用2軸定向機(jī)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)0.01°方位變化增量。

在衛(wèi)星西面板上安裝了高增益接收/發(fā)射天線,這副天線對歐洲的某些地區(qū)可實(shí)現(xiàn)成形波束覆蓋。2.2米直徑的可展開反射器,采用碳纖維增強(qiáng)薄殼,由具有波束成形網(wǎng)絡(luò)的多饋源饋電。

二、有源天線技術(shù)

從大的方面講,微帶天線的發(fā)展主要受系統(tǒng)對天線使用要求的推動(dòng),這些使用要求主要有:低的型面變形、低重量、低成本、容易組裝成陣列、容易采用微波集成電路和容易極化分集等。

初期的微帶天線配置的主要缺點(diǎn)是:帶寬窄、存在雜散饋電輻射、極化純度較差、功率低、容差能力小等。

為了滿足不斷增長和性能更高的空間系統(tǒng)的要求,阿爾卡特公司在微帶天線中主要的開發(fā)工作是試圖克服上述問題。這些工作涉及到新的專用微帶天線配置技術(shù)的開發(fā)及精確分析和綜合分析模型技術(shù)的開發(fā),目的是掌握微帶天線技術(shù)的固有限制,實(shí)現(xiàn)有源天線設(shè)計(jì)和有源天線結(jié)構(gòu)的最佳化。

1可全部重構(gòu)的Ku頻段有源天線

從未來通信衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的角度,阿爾卡特公司正在實(shí)施一項(xiàng)可使有效載荷全部重構(gòu)的準(zhǔn)備技術(shù)計(jì)劃,新開發(fā)的天線分系統(tǒng)計(jì)劃在法國試驗(yàn)一顆衛(wèi)星(STENTOR)上進(jìn)行驗(yàn)證飛行。

該新型天線設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是提供16個(gè)同時(shí)照射的單獨(dú)波束,對整個(gè)歐洲的覆蓋,或者是圓形,或者是等值線成形覆蓋,提供上、下行鏈路使用。

該項(xiàng)技術(shù)計(jì)劃的目的是對這種天線的關(guān)鍵技術(shù)和工藝、對有源天線結(jié)構(gòu)的全面設(shè)計(jì)等有代表 性的技術(shù)驗(yàn)證給予確認(rèn)。

該天線采用兩個(gè)分開指向的輻射陣列(DRA),一個(gè)用于下行鏈路(發(fā)射天線,10.95～１２.７ ５GHz);一個(gè)用于上行鏈路(接收天線,14～１４.５ＧＨｚ）。這兩個(gè)陣列均安裝在衛(wèi)星面向地球的面板上。

發(fā)射天線的基本技術(shù)是:

·包含64個(gè)雙極化層疊組件輻射器的輻射板,對于穿越每個(gè)波束的全部覆蓋區(qū),具有大于34dB 的極化鑒別能力。

·輸出高電平部分采用128.5W的固態(tài)功率放大器和濾波器。

·2個(gè)波束成形網(wǎng)絡(luò),各采用一種極化,每個(gè)均具有8條輸入和64條輸出信道功能，配之以功分器、有源模塊(移相器和衰減器)功率合成和有關(guān)的指令與控制板。

從結(jié)構(gòu)、輻射器數(shù)量和控制點(diǎn)數(shù)量的角度,接收天線配置和發(fā)射天線是類似的。

所有必要的空間鑒定驗(yàn)證計(jì)劃都在實(shí)施，主要有:

·對于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必須考慮熱控限制的大功率有源模塊。

·配線系統(tǒng)必須確保所有部件間完整的電磁兼容能力。

·復(fù)合材料加層結(jié)構(gòu)必須埋進(jìn)熱管。

2高靈活性的移動(dòng)通信天線

現(xiàn)在衛(wèi)星移動(dòng)通信是主要的發(fā)展方向,為此出現(xiàn)了低軌道星座、中軌道星座和靜止軌道多種方案和系統(tǒng)。

L頻段的有源天線有許多優(yōu)點(diǎn),它可以提供所有覆蓋地球所需要的波束。發(fā)射陣列天線高的等 效全向輻射功率往往在全球波束和高增益點(diǎn)波束(最高到24個(gè))之間分配。波束之間要求高空 間隔離,以允許頻率復(fù)用和與使用相同頻段的其它衛(wèi)星間的隔離。但最重要的是每個(gè)波束之 間 等效全向輻射功率的交換能力,以處理業(yè)務(wù)的不確定性和在整個(gè)衛(wèi)星壽命期間性能的變化。

阿爾卡特公司研究和設(shè)計(jì)了兩種移動(dòng)通信天線,即直接輻射陣列天線和聚焦陣列饋源反射器 天線。為使無源交調(diào)產(chǎn)物達(dá)到最小程度,在疊層子陣列的設(shè)計(jì)中,已經(jīng)考慮了無源衰減因素。 對全部為鋁材的激光焊接子陣列和碳增強(qiáng)聚酰胺酯復(fù)合材料子陣列,均測量了很低的( 低于-140dBC)第7階無源交調(diào)電平,并發(fā)現(xiàn)在其整個(gè)溫度范圍(-100～＋１２０°C)內(nèi),這 種無源交調(diào)產(chǎn)物也是很穩(wěn)定的。

3有效載荷遙測有源天線

未來的衛(wèi)星地球觀測系統(tǒng)將需要高速率有效載荷數(shù)據(jù)遙測系統(tǒng),從而要求發(fā)展?jié)M足60°半錐角覆蓋的高增益天線。

阿爾卡特公司已提出這種有源天線的新方案。這種新方案能確保對地球覆蓋實(shí)現(xiàn)恒定的等通量等效全向輻射功率。成形錐形直接輻射陣列,只通過相位控制和放大器的開關(guān)切換,便可實(shí)現(xiàn)方位和仰角的緩慢掃描。

這種方案非常適合于圓錐形覆蓋,對于具體空間任務(wù)要求,其設(shè)計(jì)也容易調(diào)整。其特點(diǎn)是:

·具有角度分辨率的靈活性;

·可控制方向性,因而可控制等效全向輻射功率和增益/噪聲溫度的性能;

·具有較高的可靠性并容易重新配置。

在這種方案中,不需要作任何改變,便可實(shí)現(xiàn)多載波和多波束工作模式。

4數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星天線

歐空局的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星(DRS)的S頻段發(fā)射天線亦由阿爾卡特公司設(shè)計(jì),用于靜地軌道衛(wèi)星與低地軌道衛(wèi)星用戶之間的通信。通過安裝在衛(wèi)星一側(cè)的S頻段有源天線,可控波束掃描可實(shí)現(xiàn)10°的視場角。

在歐空局?jǐn)?shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的試驗(yàn)衛(wèi)星阿蒂米斯(ARTEMIS)計(jì)劃中,對這種S 頻段天線的鑒定模型進(jìn)行了試驗(yàn)。

為了實(shí)現(xiàn)最低的研制風(fēng)險(xiǎn),這種天線設(shè)計(jì)成鋁層疊裝置,以實(shí)現(xiàn)在大約4%的頻帶寬度上適 應(yīng)圓極化輻射。這種技術(shù)能耐受只采用簡單溫度控制(只涂白色涂層而不用熱管)的工作溫度 范圍,并較容易在碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)。

三、衛(wèi)星天線的發(fā)展前景

這就需要發(fā)展新技術(shù),以支持成形反射器和對偶輸入多饋源,實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜任務(wù)的無源天線重新配置能力。這些多饋源將來使用的主要新技術(shù)將是緊湊波束成形網(wǎng)絡(luò)。超緊湊格里高利天線的新概念,可實(shí)現(xiàn)橢圓波束。利用可能的橢圓定向而不改變極化方向,這種天線即可覆蓋地球上任何地方。

在新一代衛(wèi)星發(fā)展中,采用當(dāng)今輻射層疊技術(shù)的有源天線是輻射部件和有源部分集成的最佳 折衷,特別在單片電子技術(shù)發(fā)展以后,天線技術(shù)發(fā)展更是如此。其優(yōu)勢不僅僅是無線電電子性 能,制造成本低、每層的低重量及容易與單片模塊集成等,均是這種層疊有源天線的優(yōu)點(diǎn) 。

目前的空間世界面臨著采用有源天線技術(shù)的較大挑戰(zhàn),至今為止,在民用通信衛(wèi)星領(lǐng)域,還沒有真正使用過有源天線。

滿足未來要求的主要技術(shù)是:

• 嚴(yán)格的操作要求

  包括重新配置、靈活性、業(yè)務(wù)交換、最小程度的可靠性降低。

• 部件和模塊要采用空間鑒定技術(shù)

  主要有射頻段的高效單片模塊、電性管理的專用集成電路(ASIC)、遙控遙測、微帶層疊、太陽熱屏蔽、低重量的展開機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

• 大膽的技術(shù)計(jì)劃

  包括設(shè)計(jì)和試驗(yàn)手段驗(yàn)證、微型熱管、超導(dǎo)材料和光學(xué)分配技術(shù)。

• 對衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的修改

  修改衛(wèi)星結(jié)構(gòu),以獲得采用有源天線集成程度最高的有效載荷;通過天線的自適應(yīng)能力實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信指向以及衛(wèi)星的新型結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)。