通信卫星天线技术的新发展

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       天线技术是近年来通信卫星有效载荷中发展很快的技术。许多公司在这一领 域进行着国际性激烈竞争,其中,法国阿尔卡特空间公司有较快发展。他们多年来在理论分析 、设计 、制造和试验方面已获得了广泛的知识和丰富的经验。例如,完整的多馈源和波束成形网络合成与分析、有源阵列、辐射部件、方向图的预测、无源交调产物、次级电子倍增效应(在真 空中电极放电)试验、紧凑金属波束成形网络、复合材料技术和自动化试验技术等。

      天线研制的主要技术难度是要求连续的系统改进、天线性能的苛刻要求等,例如高效率成形 覆盖 、高水平的极化鉴别、低重量等。这些与控制极化和波束能力、重新构形和多波束能力一起 ,对未来的天线研究、研制工作提出了严峻的挑战。

一、无源天线技术

      多成形波束卫星通信技术对于改进欧洲通信卫星2(EUTELSAT2)通信系统的系统经济性和传输容量有重要作用,而且在确定报价中也是起决定性作用的部分。该卫星通过 使用大型抛物面双栅反射器的两副双极化天线确保接收与发射。

      在东、西两副天线中,东面一副天线确保接收和发射功能:

. 接收通信信道;

. 发射最高达8条电视或多条通信信道。

      每一套21个喇叭的东部多馈源,使用东面板功分器波束成形网络,包括由遥控指令激活的电子 、机械开关,用于选择中增益状态(全部覆盖欧洲)或高增益配置(可变覆盖)。

      西面一副天线最高可发射14条信道,每一套西面的多馈源包括2个电子、机械开关(用于10/11 GHz频段或用于12GHz频段),正如东面一副天线一样,亦由遥控指令激活,以选择中增益或高增 益配置。

      最关键的设计特点是:在一副天线上提供发射和接收功能,由于采用宽带操作,禁止使用频率 敏感部件,混合部件也要避免并应尽量采用极好的 匹配单元以防止来自波束成形网络的较差频率响应,。同时,较高的发射功率电平也要求仔细 设计、组装和试验,以消除无源交调产物, 这无论在接收信号中还是在二次以上谐波中都是如此。

      设计成双栅反射器是为了在覆盖中,最大增益情况下,对于低电平(-9dB)确保大于34dB的极化 隔离。采用二向色太阳屏技术的先进热控技术,可以减小温度梯度,实现较好的飞行中反射 器轮廓稳定性,从而实现低的热弹性覆盖变形。

      为第一批的5颗欧洲通信卫星2卫星总共设计了10副天线和20套多馈源,其中4 颗卫星目前仍在飞行中。

      对于第6颗(FM6)卫星,对天线场进行了修改,通过非常紧凑的格里高利天线, 实现接收功能。而高的极化纯度则通过补偿双成形反射器的几何关系获得。传统的双栅反射器天线发射70W的2~8条信道。小型波束成形网络采用新的免除无源交调产物技术,可节省2套 (8喇叭)多馈源的重量。

2用于土耳其卫星的成形波束天线

      土耳其卫星(TURKSAT)是第一颗土耳其商业国内通信卫星。1994年初 第一颗星发射未成功,1994年8月第二颗星发射成功。卫星为整个土耳 其和欧洲其它地区提供了Ku频段多波束通信业务。

      使用先进R 小型化、可免除无源交调产物的波束成形网络技术的简单多馈源可用于接收和发射功能的双工复用。该卫星型号竞争力较强的原因之一是它再次采用了欧洲通信卫星2 的抛物面双栅反射器技术,大大降低了成本。

3用于阿拉伯卫星2 的多成形波束天线

这是正在研制并计划于1996年发射的第二代阿拉伯卫星。卫星使用3副单独的天线 ,提供Ku频段和C频段通信业务:

·一副Ku频段发射、接收双线性极化天线;

·一副C频段双圆极化发射天线;

·一副C频段双圆极化接收天线。

       所有阿拉伯卫星2天线均采用新型成形反射器技术。采用简单波纹喇叭馈源反射 器可对所有阿拉伯国家实现高成形覆盖。这种天线与抛物面天线相比,天线表面型面只有很小的变形(零点几个波长)。

4法国电信星2的多任务天线

      阿尔卡特公司为该星设计了一种先进的天线系统,这种天线系统可依据飞行任务要求提供全球性成形波束覆盖和可控点波束覆盖。

      采用锥形喇叭,以双正交圆极化的工作方式,可保证全球6GHz的接收覆盖。

     采用下述两种类型的覆盖,点波束和半球高增益天线,最高可发射10条11W的信道:

·对法国本土实行半球覆盖,按国际标准化组织(ISO)标准,等效全向辐射功率可达到33.9dBW;

·法国本土和有关岛屿采用点波束覆盖,按ISO标准,等效全向辐射功率可超过40dBW。

       这种天线的主要部分包括:

·2.2米直径的可展开反射器,采用碳纤维增强薄壳,从而可提供最佳的重量和指向精度。

·多馈源在单极化或双极化下工作,使用10个小型辐射部件,由2个带状线功分器配合其工作 。

       Ku频段的接收、发射天线,安装在卫星面向地球的面板上,确保中心在法国椭圆覆盖的线性共极化。两套主馈源向双栅反射器馈电。采用频率复用技术的11条36MHz带宽信道,若实现同时 利 用,必须在整个发射频段(12.5~12.75GHz)和接收频段(14~14.25GHz)采用极化鉴别方法。

       用于保密的政府通信和军用通信,采用8/7GHz转发器,需要4副天线。

      2副发射和接收分开的喇叭天线,采用正交圆极化方式工作,实现全球覆盖。

      高增益的接收、发射天线使用了可控反射器,它可允许在地球可视表面的任何地方安排覆盖 。反射器可根据遥控指令信号定向,采用2轴定向机构,可以实现0.01°方位变化增量。

      在卫星西面板上安装了高增益接收/发射天线,这副天线对欧洲的某些地区可实现成形波束覆盖。2.2米直径的可展开反射器,采用碳纤维增强薄壳,由具有波束成形网络的多馈源馈电。

二、有源天线技术

      尽管天线工程已有60多年的历史,但可以肯定地说,目前天线技术最新发展之一,是微带天线技术,而这一新技术最早在空间领域应用。

      从大的方面讲,微带天线的发展主要受系统对天线使用要求的推动,这些使用要求主要有:低的型面变形、低重量、低成本、容易组装成阵列、容易采用微波集成电路和容易极化分集等。

      初期的微带天线配置的主要缺点是:带宽窄、存在杂散馈电辐射、极化纯度较差、功率低、容差能力小等。

      为了满足不断增长和性能更高的空间系统的要求,阿尔卡特公司在微带天线中主要的开发工作是试图克服上述问题。这些工作涉及到新的专用微带天线配置技术的开发及精确分析和综合分析模型技术的开发,目的是掌握微带天线技术的固有限制,实现有源天线设计和有源天线结构的最佳化。

1可全部重构的Ku频段有源天线

      从未来通信卫星技术发展的角度,阿尔卡特公司正在实施一项可使有效载荷全部重构的准备技术计划,新开发的天线分系统计划在法国试验一颗卫星(STENTOR)上进行验证飞行。

      该新型天线设计的基本任务是提供16个同时照射的单独波束,对整个欧洲的覆盖,或者是圆形,或者是等值线成形覆盖,提供上、下行链路使用。

      该项技术计划的目的是对这种天线的关键技术和工艺、对有源天线结构的全面设计等有代表 性的技术验证给予确认。

      该天线采用两个分开指向的辐射阵列(DRA),一个用于下行链路(发射天线,10.95~12.7 5GHz);一个用于上行链路(接收天线,14~14.5GHz)。这两个阵列均安装在卫星面向地球的面板上。

      发射天线的基本技术是:

·包含64个双极化层叠组件辐射器的辐射板,对于穿越每个波束的全部覆盖区,具有大于34dB 的极化鉴别能力。

·输出高电平部分采用128.5W的固态功率放大器和滤波器。

·2个波束成形网络,各采用一种极化,每个均具有8条输入和64条输出信道功能,配之以功分器、有源模块(移相器和衰减器)功率合成和有关的指令与控制板。

      从结构、辐射器数量和控制点数量的角度,接收天线配置和发射天线是类似的。

      所有必要的空间鉴定验证计划都在实施,主要有:

·对于系统结构必须考虑热控限制的大功率有源模块。

·配线系统必须确保所有部件间完整的电磁兼容能力。

·复合材料加层结构必须埋进热管。

2高灵活性的移动通信天线

      现在卫星移动通信是主要的发展方向,为此出现了低轨道星座、中轨道星座和静止轨道多种方案和系统。

      L频段的有源天线有许多优点,它可以提供所有覆盖地球所需要的波束。发射阵列天线高的等 效全向辐射功率往往在全球波束和高增益点波束(最高到24个)之间分配。波束之间要求高空 间隔离,以允许频率复用和与使用相同频段的其它卫星间的隔离。但最重要的是每个波束之 间 等效全向辐射功率的交换能力,以处理业务的不确定性和在整个卫星寿命期间性能的变化。

      阿尔卡特公司研究和设计了两种移动通信天线,即直接辐射阵列天线和聚焦阵列馈源反射器 天线。为使无源交调产物达到最小程度,在叠层子阵列的设计中,已经考虑了无源衰减因素。 对全部为铝材的激光焊接子阵列和碳增强聚酰胺酯复合材料子阵列,均测量了很低的( 低于-140dBC)第7阶无源交调电平,并发现在其整个温度范围(-100~+120°C)内,这 种无源交调产物也是很稳定的。

3有效载荷遥测有源天线

      未来的卫星地球观测系统将需要高速率有效载荷数据遥测系统,从而要求发展满足60°半锥角覆盖的高增益天线。

      阿尔卡特公司已提出这种有源天线的新方案。这种新方案能确保对地球覆盖实现恒定的等通量等效全向辐射功率。成形锥形直接辐射阵列,只通过相位控制和放大器的开关切换,便可实现方位和仰角的缓慢扫描。

      这种方案非常适合于圆锥形覆盖,对于具体空间任务要求,其设计也容易调整。其特点是:

·具有角度分辨率的灵活性;

·可控制方向性,因而可控制等效全向辐射功率和增益/噪声温度的性能;

·具有较高的可靠性并容易重新配置。

      在这种方案中,不需要作任何改变,便可实现多载波和多波束工作模式。

4数据中继卫星天线

       欧空局的数据中继卫星(DRS)的S频段发射天线亦由阿尔卡特公司设计,用于静地轨道卫星与低地轨道卫星用户之间的通信。通过安装在卫星一侧的S频段有源天线,可控波束扫描可实现10°的视场角。

       在欧空局数据中继卫星的试验卫星阿蒂米斯(ARTEMIS)计划中,对这种S 频段天线的鉴定模型进行了试验。

       为了实现最低的研制风险,这种天线设计成铝层叠装置,以实现在大约4%的频带宽度上适 应圆极化辐射。这种技术能耐受只采用简单温度控制(只涂白色涂层而不用热管)的工作温度 范围,并较容易在碳纤维复合材料结构上实现。

三、卫星天线的发展前景

       成形反射器曾使无源天线的设计产生过重大简化,但至今这种天线对于简单的国家覆盖操作仍有许多限制。

       这就需要发展新技术,以支持成形反射器和对偶输入多馈源,实现对复杂任务的无源天线重新配置能力。这些多馈源将来使用的主要新技术将是紧凑波束成形网络。超紧凑格里高利天线的新概念,可实现椭圆波束。利用可能的椭圆定向而不改变极化方向,这种天线即可覆盖地球上任何地方。

        在新一代卫星发展中,采用当今辐射层叠技术的有源天线是辐射部件和有源部分集成的最佳 折衷,特别在单片电子技术发展以后,天线技术发展更是如此。其优势不仅仅是无线电电子性 能,制造成本低、每层的低重量及容易与单片模块集成等,均是这种层叠有源天线的优点 。

        目前的空间世界面临着采用有源天线技术的较大挑战,至今为止,在民用通信卫星领域,还没有真正使用过有源天线。

        满足未来要求的主要技术是:

  • 严格的操作要求

    包括重新配置、灵活性、业务交换、最小程度的可靠性降低。

  • 部件和模块要采用空间鉴定技术

    主要有射频段的高效单片模块、电性管理的专用集成电路(ASIC)、遥控遥测、微带层叠、太阳热屏蔽、低重量的展开机构、结构、复合材料结构。

  • 大胆的技术计划

    包括设计和试验手段验证、微型热管、超导材料和光学分配技术。

  • 对卫星结构的修改

    修改卫星结构,以获得采用有源天线集成程度最高的有效载荷;通过天线的自适应能力实现卫星通信指向以及卫星的新型结构与机构。

         从未来趋势看,有源天线将首先在移动和军事通信卫星上使用,然后在固定业务卫星中使用(C 、Ku频段),由此将可能带来空间技术的全面进步。