通信衛星天線技術的新發展

天線技術是近年來通信衛星有效載荷中發展很快的技術。許多公司在這一領 域進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展。他們多年來在理論分析 、設計 、制造和試驗方面已獲得了廣泛的知識和豐富的經驗。例如,完整的多饋源和波束成形網絡合成與分析、有源陣列、輻射部件、方向圖的預測、無源交調產物、次級電子倍增效應(在真 空中電極放電)試驗、緊湊金屬波束成形網絡、復合材料技術和自動化試驗技術等。

天線研制的主要技術難度是要求連續的系統改進、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、研制工作提出了嚴峻的挑戰。

一、無源天線技術

多成形波束衛星通信技術對于改進歐洲通信衛星2(EUTELSAT2)通信系統的系統經濟性和傳輸容量有重要作用,而且在確定報價中也是起決定性作用的部分。該衛星通過 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射。

在東、西兩副天線中,東面一副天線確保接收和發射功能:

. 接收通信信道;

. 發射最高達8條電視或多條通信信道。

每一套21個喇叭的東部多饋源,使用東面板功分器波束成形網絡,包括由遙控指令激活的電子 、機械開關,用于選擇中增益狀態(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射14條信道,每一套西面的多饋源包括2個電子、機械開關(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。

最關鍵的設計特點是:在一副天線上提供發射和接收功能,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盡量采用極好的 匹配單元以防止來自波束成形網絡的較差頻率響應,。同時,較高的發射功率電平也要求仔細 設計、組裝和試驗,以消除無源交調產物, 這無論在接收信號中還是在二次以上諧波中都是如此。

設計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的先進熱控技術,可以減小溫度梯度,實現較好的飛行中反射 器輪廓穩定性,從而實現低的熱彈性覆蓋變形。

為第一批的5顆歐洲通信衛星2衛星總共設計了10副天線和20套多饋源,其中4 顆衛星目前仍在飛行中。

對于第6顆(FM6)衛星,對天線場進行了修改,通過非常緊湊的格里高利天線, 實現接收功能。而高的極化純度則通過補償雙成形反射器的幾何關系獲得。傳統的雙柵反射器天線發射70W的2～８條信道。小型波束成形網絡采用新的免除無源交調產物技術,可節省2套 (8喇叭)多饋源的重量。

2用于土耳其衛星的成形波束天線

土耳其衛星(TURKSAT)是第一顆土耳其商業國內通信衛星。1994年初 第一顆星發射未成功,1994年8月第二顆星發射成功。衛星為整個土耳 其和歐洲其它地區提供了Ku頻段多波束通信業務。

使用先進R 小型化、可免除無源交調產物的波束成形網絡技術的簡單多饋源可用于接收和發射功能的雙工復用。該衛星型號競爭力較強的原因之一是它再次采用了歐洲通信衛星2 的拋物面雙柵反射器技術,大大降低了成本。

3用于阿拉伯衛星2 的多成形波束天線

這是正在研制并計劃于1996年發射的第二代阿拉伯衛星。衛星使用3副單獨的天線 ,提供Ku頻段和C頻段通信業務:

·一副Ku頻段發射、接收雙線性極化天線;

·一副C頻段雙圓極化發射天線;

·一副C頻段雙圓極化接收天線。

所有阿拉伯衛星2天線均采用新型成形反射器技術。采用簡單波紋喇叭饋源反射 器可對所有阿拉伯國家實現高成形覆蓋。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(零點幾個波長)。

4法國電信星2的多任務天線

阿爾卡特公司為該星設計了一種先進的天線系統,這種天線系統可依據飛行任務要求提供全球性成形波束覆蓋和可控點波束覆蓋。

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,點波束和半球高增益天線,最高可發射10條11W的信道:

·對法國本土實行半球覆蓋,按國際標準化組織(ISO)標準,等效全向輻射功率可達到33.9dBW;

·法國本土和有關島嶼采用點波束覆蓋,按ISO標準,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個小型輻射部件,由2個帶狀線功分器配合其工作 。

Ku頻段的接收、發射天線,安裝在衛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。采用頻率復用技術的11條36MHz帶寬信道,若實現同時 利 用,必須在整個發射頻段(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轉發器,需要4副天線。

2副發射和接收分開的喇叭天線,采用正交圓極化方式工作,實現全球覆蓋。

高增益的接收、發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 。反射器可根據遙控指令信號定向,采用2軸定向機構,可以實現0.01°方位變化增量。

在衛星西面板上安裝了高增益接收/發射天線,這副天線對歐洲的某些地區可實現成形波束覆蓋。2.2米直徑的可展開反射器,采用碳纖維增強薄殼,由具有波束成形網絡的多饋源饋電。

二、有源天線技術

從大的方面講,微帶天線的發展主要受系統對天線使用要求的推動,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的要求,阿爾卡特公司在微帶天線中主要的開發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的開發及精確分析和綜合分析模型技術的開發,目的是掌握微帶天線技術的固有限制,實現有源天線設計和有源天線結構的最佳化。

1可全部重構的Ku頻段有源天線

從未來通信衛星技術發展的角度,阿爾卡特公司正在實施一項可使有效載荷全部重構的準備技術計劃,新開發的天線分系統計劃在法國試驗一顆衛星(STENTOR)上進行驗證飛行。

該新型天線設計的基本任務是提供16個同時照射的單獨波束,對整個歐洲的覆蓋,或者是圓形,或者是等值線成形覆蓋,提供上、下行鏈路使用。

該項技術計劃的目的是對這種天線的關鍵技術和工藝、對有源天線結構的全面設計等有代表 性的技術驗證給予確認。

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

發射天線的基本技術是:

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

·輸出高電平部分采用128.5W的固態功率放大器和濾波器。

·2個波束成形網絡,各采用一種極化,每個均具有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)功率合成和有關的指令與控制板。

從結構、輻射器數量和控制點數量的角度,接收天線配置和發射天線是類似的。

所有必要的空間鑒定驗證計劃都在實施，主要有:

·對于系統結構必須考慮熱控限制的大功率有源模塊。

·配線系統必須確保所有部件間完整的電磁兼容能力。

·復合材料加層結構必須埋進熱管。

2高靈活性的移動通信天線

現在衛星移動通信是主要的發展方向,為此出現了低軌道星座、中軌道星座和靜止軌道多種方案和系統。

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

阿爾卡特公司研究和設計了兩種移動通信天線,即直接輻射陣列天線和聚焦陣列饋源反射器 天線。為使無源交調產物達到最小程度,在疊層子陣列的設計中,已經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聚酰胺酯復合材料子陣列,均測量了很低的( 低于-140dBC)第7階無源交調電平,并發現在其整個溫度范圍(-100～＋１２０°C)內,這 種無源交調產物也是很穩定的。

3有效載荷遙測有源天線

未來的衛星地球觀測系統將需要高速率有效載荷數據遙測系統,從而要求發展滿足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現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切換,便可實現方位和仰角的緩慢掃描。

這種方案非常適合于圓錐形覆蓋,對于具體空間任務要求,其設計也容易調整。其特點是:

·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,便可實現多載波和多波束工作模式。

4數據中繼衛星天線

歐空局的數據中繼衛星(DRS)的S頻段發射天線亦由阿爾卡特公司設計,用于靜地軌道衛星與低地軌道衛星用戶之間的通信。通過安裝在衛星一側的S頻段有源天線,可控波束掃描可實現10°的視場角。

在歐空局數據中繼衛星的試驗衛星阿蒂米斯(ARTEMIS)計劃中,對這種S 頻段天線的鑒定模型進行了試驗。

為了實現最低的研制風險,這種天線設計成鋁層疊裝置,以實現在大約4%的頻帶寬度上適 應圓極化輻射。這種技術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合材料結構上實現。

三、衛星天線的發展前景

這就需要發展新技術,以支持成形反射器和對偶輸入多饋源,實現對復雜任務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將是緊湊波束成形網絡。超緊湊格里高利天線的新概念,可實現橢圓波束。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。

在新一代衛星發展中,采用當今輻射層疊技術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發展以后,天線技術發展更是如此。其優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點 。

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

滿足未來要求的主要技術是:

• 嚴格的操作要求

  包括重新配置、靈活性、業務交換、最小程度的可靠性降低。

• 部件和模塊要采用空間鑒定技術

  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、低重量的展開機構、結構、復合材料結構。

• 大膽的技術計劃

  包括設計和試驗手段驗證、微型熱管、超導材料和光學分配技術。

• 對衛星結構的修改

  修改衛星結構,以獲得采用有源天線集成程度最高的有效載荷;通過天線的自適應能力實現衛星通信指向以及衛星的新型結構與機構。