基于混合相控阵天线的移动卫星电视接收系统.pdf

基于混合相控阵天线的移动卫星电视接收系统北京华夏宇通通信技术有限责任公司卢维焱随着卫星通信和卫星电视接收技术的迅速发展，二十世纪最后十年国内人们就提出“动中通”的实际使用要求动中通”即运动中实现民用卫星通信和卫星电视接收的简称( 海事j 卫星通信和低轨道卫星通信技术除外) 在这十年中间，国内几家公司在基于偏馈及标准抛物面天线的“动中通”卫星通信或卫疆电视接收技术中都作了成功地努力同时也在探索相控阵天线和平板天线技术用于“动中通”的可能性，共同努力的目标就是降低天线高度和系统造价这两大难题我们北京华夏宇通通信技术有限责任公司始终不渝地在研究、开发和追踪国内外“动中通”卫星电视和卫星通信技术的发展，并在攻克降低天线高度和系统造价方面已获得突破性成功一、车载移动卫星电视接收系统的现状1 ．火车载运的移动卫星电视接收系统目前国内研制的火车载运的移动卫星电视接收系统其天线大多都是切割偏馈抛物面天线最小的系统设备高度( 天线罩) 约3 6 c m ，加上减震和安装，总高度会超过允许的F 限高度这样高的天线罩高度受到客运火车相关部门的排斥即使拿到火车上作作试验也不是永久的应用有的系统在火车上作试验还要在火车顶上挖洞或开槽，改动火车结构。

这些系统推广应用往往受到用户的婉言拒绝由于天线高度问题制约了火车载运的移动卫星电视接收系统的应用和发展2 ．汽车载运的移动卫星电视接收系统象火车载运的移动卫星电视接收系统一样，由于天线高度太高，体积太大，普通高级轿车不可能| 司意安装移动卫星电视接收系统，基于偏馈抛物面天线的移动卫星电视接收系统在轿车领域不可能有市场3 ．平板天线的缺陷各式各样的平板天线作为静态接收天线，有它独特的优点，一般板面高度约4 c m ，增益可以高达7 5 ％以上一旦用于移动卫星通信或电视接收，必须外加伺服跟踪系统和天线罩，最后其总的系统高度也将超过火车隧道高度的限制4 ．传统相控阵天线用于“动中通”的困难不言而喻，相控阵天线技术是解决移动卫星通信和移动卫星电视接收系统技术的最有效的途径乍听起来“相控阵天线技术”属于雷达范畴的，对于一般民用是神秘而遥远不可及的实际上也确是如此相控阵，就是由许多辐射单元排成阵列形式构成的定向天线，各单元之间的辐射能量和相位关系是可以控制的典型的相控阵是利用电子计算机控制移相器改变天线孔径上的相位分布来实现波束在空间扫描，即电·】5 9 ·子扫描，简称电扫相位控制可采用相位法、实时法、频率法和电子馈电开关法。

在一雌L I I ，I 若1 1 辐射单元即为线阵，在两维上排列若干辐射单元称为平面阵辐射单元也可以排列存曲线} 一或曲面} ：，这种天线称为共形阵天线共形阵天线可以克服线阵和平面阵扫插角小的缺点，能以一部天线实现全空域电{ | 1 1 通常的共形阵天线有环形阵、圆面阵、圆锥面阵、圆柱面阵、半球面阵等显然，相控阵天线有许多优点：( 1 ) 超低天线高度；、( 2 ) 高技术含量：( 3 ) 适合于车载；( 4 ) 适合于移动跟踪卫星电视接收；不可否认，相控阵天线也有许多缺点：( 1 ) 设计和加工工艺复杂，加二r ：精度会影响增益和波瓣，需要数控机床加工：( 2 ) 造价昂贵，无法推广民用；( 3 ) 设计时需要控制相控阵天线辐射方向性和旁瓣并要求避免出现栅瓣；( 4 ) 相控阵天线的带宽和波束宽度随辐射角偏离法向大小而变，需要综合匹配；( 5 ) 馈电网络和波束形成网络复杂要解决偶合和损耗大的问题；( 6 ) 要使用特殊的极化匹配跟踪方式：因而就目前的水平而言，民用基于传统的完全相控阵天线的卫星通信和卫星电视接收系统是不切合实际的取而代之的是混合相控阵天线技术5 ．混合相控阵天线技术相控阵大体可分为两大类，即全电扫相控阵和有限电扫相控阵。

全电扫相控阵又可称同定式相控阵，即在方位L } n # m ≠I A 都采用电扫，天线阵是固定不动的有限电扫相控阵即混合相控阵，是～种混合设i I +的天线，即把两种以上天线技术结合起来，以获得所需要的效果把相扫技术与反射面天线技术相结合，就是采用混合扫描方式，其电扫角度小，只需少量的辐射单元，因此可以大大降低设备造价和复杂程度混合扫描方式，根据扫描情况可分为相扫，频扫，相／相扫，相／频扫、机／相扫、机／频扫、有限扫、多波束等多种体制其中机／相扫是在方位上采用机扫、仰角上采用相扫是卫星通信和卫星电视接收技术4 ，比较适用的混合扫描方式其造价比传统的完全相控阵天线的卫星通信和卫星电视接收系统要低许多尽管如此，其造价也是远高于偏馈抛物面天线卫星电视接收系统近年来，国内外在权衡混合相控阵天线技术“混合，’的程度上突破传统概念的束缚，在降低天线高度和降低系统造价两方面获得成功6 ．国外降低天线高度和造价的技术途径国外在解决降低天线高度和降低系统造价方面已经取得成功国外降低天线高度和造价的技术途径就是突破传统混合相控阵天线技术的束缚，采用基于混合相控阵天线的固定多波束覆盖的技术均衡解决降低天线高度和降低系统造价这两方面的难题，实现了天线高度超薄、重量超轻、造价低廉。

经典混合相控阵天线解决方案如下图i 所示·1 6 0 ·田l ：经典I t 酗嘲诀：方塞二、业界为解决车载移动卫星电视接收系统所作的努力l _ 国内研发的“自动跟踪同步通信卫星电视接收系统”据“科学网”2 0 0 4 年2 月2 7 日) 报导，xX xx 大学等单位的研究人员在“自动跟踪同步通信卫星平板相控天线阵”研究基础上，成功研制出一套自动跟踪同步通信卫星电视接收系统解决了“动中跟踪”技术难题，使人们在旅途中同样可以收看信号清晰的电视节目该项目集卫星通信技术、自动跟踪技术、相控阵天线技术、卫星导航定位技术等高新技术于一体并采用了相控阵天线技术、计算机控制下的动中跟踪技术并将它们综合应用该系统安装在试验汽车上，多次在西安和成都附近的高速公路上进行测试和检验，结果表明系统特别适合我国国情，能较好地接收由亚洲二号通信卫星转发的水平极化K u 波段多套电视节目，其中包括中央电视台第4 套节目和北京卫视等据了解，问其为何不上市推广使用时，才知道该系统造价在1 0 0 多万元以上这个价位是高级轿车、大巴轿车、甚至火车都是无法承受的2 ．天门公司的] M I ／T l美国天门公司研制的全机械控制的i 咖l ／T 1 型移动卫星电视接收系统天线，安装在小轿车上的外形见图2 。

该系统为园极化天线，功耗1 8 0 瓦特，俯仰跟踪范围1 5 ～7 5 度，方位跟踪范围O 一3 6 0 度无限，跟踪速度大于6 0 度／秒，跟踪类型为机械式，卫星搜索和识别自动完成，总重量1 6 公斤，天线罩直径7 7 8毫米，高度2 0 0 毫米该系统已经小批量生产天门公司认为M M M ／T 1 型移动卫星电视接收系统天线不够理想，平板天线无相位控制，因而需进一步研发基于半电控的混合相控阵天线砌I l l ／T 2 ·1 6 l ·圉23 天门公司的删／T 2霰攀棚1 0 ．7 一- 2T摄化开关转换左墟和右旋 城线强化功琏，■1 8—惰籀宙度】5 一T 5■蕾麓囊，葳，棼) e O万艇謦舳，裳0 - - 韩0 魄限} 才蠡疆曩·鹏) 舳曩喀奠基机唯 姐蟹l 和鳓I 君劝自动碧重量‘色耩室内蕈焉朝璺示单元》 蚤斤1 6鼗冁舸一“ i ' 7 8蜀譬2 0 0删／T 2 是m 蛳／T l 的继续和发展，洲M ／T 2 是基于混合相控阵天线技术基础上的半电控的移动卫簪电视接收系统安装在小轿车上的外形见图3 该系统为园极化天线，功耗1 1 0 瓦特，俯仰跟踪范围5 5 度( 3 5 —9 0 ) 度，方位跟踪范围0 —3 6 0 度无限，跟踪速度大于6 0 度／秒，跟踪类型方位为机械式，俯仰为电子式。

卫星搜索和识别自动完成，总重量2 5 公斤，天线及天线罩厚度为超薄、重量超轻天线尺寸为8 6 5 x 8 l O x 6 0 ( 毫米) 是迄今为止看到介绍的最薄的天线可惜没有看到该天线在市场上销售的信息是衙有市场价值尚待考证罐簌蠢搿l 灞聪嚣’慧§糕l ：l 蘸《《鬟i ≈霭娜”、i 囊辜姻1 22 - 1 27柽霓再篝转换左捕和右燕璃艉·■1 1 0髑嘲嚣曩，囊3 ' 5 —啦栩囊蓬曩- 埴／母狮蓐斑一蕊黯·座0 ～’∞晡黻)嚣骥曛鬟·瓜，掺凇⋯| 剪为平面机虢 一“I 蒲仰平面虎子王一■鲞暂讽剐蛊砖自磅息重量《包甄矗内单元朝置暴肇元J 登斤2 5黧蚪覃罡定寸·_鼬S ∞B i 翻峙04 ．K V l t 公司的基于混合相控阵天线技术的移动卫星电视接收系统·1 6 2 ·美国K v H 工业公司突破了传统相控阵天线技术的束缚，研发成功并于今年上市了圆极化的民j = { j 混合式相控阵天线技术的自动跟踪同步通信卫星电视接收系统，该系统仰角跟踪范围只有2 7 度( 3 0 一5 7 ) ，仅仅适合美国本上使用( 角跟踪范围和极化方式都不适合中国使用) 系统的室外部份重量仅有2 0 ．4 公斤，高度只有1 3 ．4 厘米，直径也只有8 0 0 毫米。

可以在美国本土收看D i r e c T V3 0 0 套卫星电视节目和5 0 套爵乐节目可以说是小巧玲珑，价格适中，非常适合民用市场前途非常广阔天线的外形图和技术指标如图4 和图5 所示指向赢兢图4嘲g - 1 8 嘲·驯删≈寸“ ％“ 5 1 1 3 5 钿】 无I 嗽跫公斤5 ．新干线火车上的基于相控阵天线的移动卫星电视接收系统相控形式：全机械跟踪极化控制：右旋园极化，无控制主要电气性能指标：机械性能指标：天线增益：3 5 d B i ／1 1 ，9 5 G H z三层天线罩：两层F R P ，一层聚氨酯L N A 增益：2 2 d B可承载8 0 0 K g ／m 2 风压L N A 噪声系数：1 ．2 d B天线整体尺寸：巾1 4 3 0 ×6 3 0 m m天线罩传输损耗：0 ．5 d B跟踪范围，俯仰：2 5 2 8 波束倾斜：3 0 方位：±1 2 0 跟踪速度，误差：36 ／s ，±O ．2 ·1 6 3 ·从以上不同公司的车载移动卫星电视接收系统的性能指标可以看出，只有基于混合市H 控阵天线的移动卫星电视接收系统才可以做到低高度、低价位、轻重量、低功耗，适合民用这里的关键是要掌握混合程度、材料工艺和设计技术。

三、飞碟牌一基于混合相控阵天线技术的车载移动卫星电视接收系统在分析了国内外上述各系统的特点的基础上，我们公司在较短的时间周期内，研制了名为飞碟牌基T -混合相控阵天线技术的车载移动卫星电视接收系统1 ．飞碟系统的应用领域1 s 碟系统的市场目标是特别适合于高速火车的客运服务，长途大巴汽车的客运服务，高级私家车的休闲生活服务飞碟系统的市场价格目标是可以与当前的切割偏馈抛物面天线的移动卫星电视接收系统相媲美不仅超低高度、超轻、超薄，而且技术含量高，性能价格比远远超过偏馈抛物面天线的移动卫星电视接收系统2 ．系统设备组成及工作原理系统设备组成框图如图6 所示整个系统由波导裂缝天线、L N A 、多波束馈电及波束形成网络、L N B 、功分器、数字卫星电视解码器、误差信号检测器、方位陀螺、天线座、以及G P S 和极化控制器组成当系统加电后，天线控制器进行初始化处理，极化匹配调整，然后启动天线进行限位检测并作3 6 0 检测东、西、南、北四方向周围的噪声电平，并确定跟踪门限当天线收到预定的卫星电视信号，经L N A 、L N B 把1 2 G H z 信号变成I G H z 信号，经功分器送到误差信号检测器，进行滤波、放大、检波，提取误差信号并送到天线控制器，天线控制器记忆该误差信号电平，并与门限电平相比较，当误差信号电平超过门限电平，天线就在该位置作比幅扫描运动，截获目标。

当天线对准目标就进入比幅跟踪同时解码器解调出卫星电视信号送入电视机电视机随即显现清晰电视节目当天线信号传输方向遇遮挡时，天线。