V频段卫星通信天线捕获跟踪系统研究①

尚湘安，萧 鑫，刘 灵，关 鹏，卢绍鹏，习清伶

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

随着全球信息化浪潮持续升级，以通信卫星系统为依托，构建高速、灵活、泛在、安全的信息基础设施，成为各国竞逐更大的军事、经济和社会利益的重要切入点。大容量、网络化是卫星通信发展的重要趋势，Q/V频段卫星载荷是其中的必备技术[1]。HTS系统容量提升，O3B、Oneweb、Starlink等移动星座，将Q/V等更高频段用于馈电链路，增加单个站点可用带宽，减少部署数量，释放Ka资源至用户链路。Milstar/AEHF卫星采用V频段星间链路，天线波束指向好，可用频带宽，大气吸收高，保密性好[2]。

由于Q/V频段信号波长短，卫星通信天线捕跟系统具有以下难点和关键技术：

▶天线捕获跟踪系统方案设计和测试验证；

▶天线结构设计、加工和机电性能测试技术；

▶高频有源电路低噪声、高增益、稳定性、热和可靠性设计。

为此，开展了V频段卫星通信天线捕跟系统系统研究：采用单通道单脉冲体制的捕获跟踪方案，研制了V频段可动点波束天线、单通道调制器等关键单机，搭建了V频段通信系统，通过了室外远场捕获跟踪试验。

1 V频段天线捕跟系统方案情况

V频段天线波束宽度很窄，要求天线指向更精确，只靠程控跟踪无法满足系统要求，需要对目标进行自动跟踪。按跟踪原理，自动跟踪可分为三种体制：步进跟踪、圆锥扫描跟踪和单脉冲跟踪。步进跟踪又称极值跟踪，该体制跟踪精度、速度都比较低，不适用于快速运动目标间的自动跟踪，多用于地面站对静止轨道卫星跟踪。圆锥扫描跟踪是天线波束偏离天线轴一固定角度，由扫描机构控制波束绕天线轴旋转，其波束最大辐射方向在空间画一个以天线轴为中心的圆锥面。一般用于精度要求不高的跟踪系统中。

单脉冲技术是目前国内外比较流行的一种角跟踪体制，特别是在卫星通信和角跟踪系统中，获得了良好的捕获跟踪精度。单脉冲技术分为“比幅”和“比相”两种基本类型。在雷达系统中，常用比相单脉冲进行目标角度测量，比相单脉冲对接收通道的相位一致性要求较高。比幅单脉冲对接收通道的相位一致性要求较低，是当前星载接收机普遍采用的一种方式。

根据单脉冲角跟踪耦合器输出的和信号与两路差信号的处理方法的不同，单脉冲又分为单通道单脉冲角跟踪、双通道单脉冲角跟踪、三通道单脉冲角跟踪三类单脉冲角跟踪体制。

单通道单脉冲跟踪体制是在传统的双通道体制的基础上实现的，主要将和路信号和方位、俯仰两路差信号合成为一路信号，由于仅使用单通道进行传输，极大的降低了设备的体积、功耗和系统的复杂度，最重要的是克服了由于多通道带来的通道间相位和增益不一致的问题，不需要调整通道间的相位和增益，同时也避免了通道间的相互串扰，增加了跟踪系统的稳定性和可靠性，但是跟踪精度相对于二、三通道体制稍微有所下降，所以跟踪体制的选择要综合考量。

从国内外的应用情况、设备的体积、功耗、应用背景、角跟踪精度、实时性等诸多方面的综合考虑，采用单脉冲单通道体制能够实现相应指标要求。同时结合以往相关方面的工程应用经验，可以使用相关已有的模块化部分，大大缩短了开发周期，降低成本。因此选择单通道单脉冲角跟踪体制完成对信标信号的精确指向跟踪。

天线捕跟系统主要包括V频段可动点波束天线、单通道调制器、下变频器以及捕跟接收机和天线控制器等单机设备构成，组成框图如图1所示[3,4]：

图1 V频段天线捕获跟踪系统组成框图

可动点波束天线接收对方通信信号，形成和、差信号送单通道调制器。单通道调制器与捕跟接收机，将天线在跟踪过程中偏离天线电轴的角位置误差转换成能够控制天线运动的角误差信号，送至天线控制器，控制天线运动。捕跟系统的工作过程如下：

天线在程序指向控制初步指向目标所在的区域后，通过在一定范围内进行螺线扫描搜索确定目标的准确位置，为捕跟接收机建立跟踪链路提供必要的捕跟信号信噪比条件。当接收信号功率超过跟踪门限值时，捕跟系统进入自动跟踪模式，系统天线准确跟踪对方通信天线位置，保持通信链路稳定。捕跟接收机用于实现方位指向跟踪、俯仰指向跟踪的处理。

通过对V频段天线捕跟系统角跟踪精度进行分析[5]，在接收信号信噪比大于-5dB以上时，常规捕跟接收机角方位、俯仰误差提取精度优于0.15°即可满足系统需求。以下主要介绍V频段可动点波束天线和单通道调制器研究情况。

2 V频段可动点波束天线

V频段可动点波束天线采用正馈卡塞格伦天线形式。该类型天线性能优良，技术成熟，具有大量型号飞行经历。天线由主反射器、副反射器、馈源组件、副面支杆、高频箱、波导组件及指向机构等组成，其外形如图2所示：

图2 V频段点波束天线图

馈源组件位于主反射器中心，收发端口伸出反射器背部。高频箱紧贴主反射器背部，箱内低噪放与馈源组件接收端口连接，这样可以有效降低天线馈电部分的损耗，从而提高天线的G/T值。按照系统指标要求，研制了1.8m口径的V频段点波束天线实物，对以下关键技术进行了研究：

(1)传统毫米波跟踪馈源，设计比较复杂，体积较大，加工难度大、成本高。研制了易于加工的小型化的毫米波馈源。

(2)为了提高天线效率，减小旁瓣，天线反射面进行赋形设计。

(3)毫米波星间链路天线工作波长很短，对装配与校准精度要求很高。研究了新的天线装配与校准技术，以适应高频率、大口径、复杂构型天线的需要。

(4)毫米波机械可动点波束天线的电性能测试在紧缩场内进行，在测试之前对场地的性能和测试方法进行了深入的研究，将测试误差尽量减小。

(5)用传统的经纬仪测试方法测量反射器形面精度，除了测试系统自身的误差外，测试靶点的数量也会对测试精度有一定影响。靶点数目越多越准确，但工作量也会显著增大，测试效率降低，对新型的高效测试方法进行研究。

制作的V频段可动点波束天线在57GHz～63GHz频率范围内，增益大于56dBi，波束宽度大于0.19°，差波束零深优于-27dB，具体指标实现情况如图3所示。

图3 V频段可动点波束天线和差波束增益曲线

3 V频段单通道调制器

单通道调制器首先将天线输出的和信号和差信号进行低噪声放大，然后对差信号进行四相调制，最后将差调制信号与和信号进行耦合成一路误差信号送捕跟接收机进行角误差解调提取。V频段单通道调制器主要由V波段低噪声放大器、V波段四相移相器、V波段合路器、V波段耦合器以及电源电路组成，其总体组成框图如下图所示[6]：

图4 V频段单通道调制器组成框图

由于工作频率高，受设计能力、器件性能和电路加工精度的影响，V频段电路设计实现具有以下技术难度：

1.V频段低噪声放大器芯片噪声系数通常大于3.5dB，制成低噪声放大器的噪声系数约6dB左右，不能完全满足系统使用要求，是制约系统接收灵敏度的一个关键指标。

2.V频段放大器增益较低，提供高增益需要多级放大器实现，同时芯片对外围电路敏感，多级电路级联容易导致电路不稳定。

3.V频段信号波长短，确保和差支路相位一致性和稳定性，对传器件装配、输线长度和电路连接形式等要求高。

针对以上难点，我们对V波段各个功能器件的设计采用单模块单一功能的研制思路，以便于各器件的测试、筛选；采用波导到平面电路的设计方案，通过建模和工艺控制来保证设计冗余和安装精度，减少传输损耗，以实现良好的性能。为了避免单模块单一功能的研制思路给系统级联应用带来在各模块间需增加波导过渡和连接，从而增加级联损耗、传输延迟，同时因为装配复杂度的增加，不可避免的影响可靠性和稳定性，故在项目之初，即对通道级联和集成方案进行提前设计，对各单模块的位置、与其他模块的连接装配方式优化配置，进而尽量减少过渡和转换连接，并对单模块的各电性能和端口参数进行优化设计，使其与其他相级联的模块实现参数匹配，以保证通道电性能，同时体积和重量也得以控制和减少。V频段单通道调制器外形如图5所示。

图5 V频段单通道调制器照片

V波段单通道调制器所有电路位于一个独立的盒体内，毫米波输入/输出接口采用WR15波导形式，主要技术实现情况如下：

(1)工作频率范围：55GHz～65GHz

(2)噪声系数：≤4.17dB

(3)通道增益：40～44dB

(4)单通道合成前和、差信号隔离：≥44dB

(5)四相调制器：相位不平衡度≤±5°

幅度不平衡度≤±0.5dB

4 V频段天线捕跟系统试验情况

为了充分测试V频段天线捕跟系统性能，获得实际使用数据，进行了外场捕获跟踪试验，试验场地情况如下：

图6 天线外场试验区概貌

试验时，信标天线放置于龙门架内，天线、捕跟设备及其远场测试设备架放置于半开放吸波室中。试验过程天线使用重力卸载装置。外场试验内容包括[7]：天线的对准校正及链路验证、和差通道相位一致性校正、自跟踪试验及跟踪精度测试、程控指向精度测试、天线空域扫描范围测试和捕获跟踪全过程模拟演示等。

通过外场试验，对V频段天线捕跟系统进行了全面的功能性能测试，主要测试结果如下：

▶测试频率范围：57GHz～63GHz

▶天线增益：>56dBi

▶天线波束宽度：>0.19°

▶接收G/T值：>26.3dB/Hz

▶天线空域搜索范围：>0.4°×0.4°

▶天线指向精度：≤0.2°(程控)，≤0.05°(自跟)

▶天线最大扫描角速度：>0.2°/S

5 结束语

课题制作的V波段1.8m可动点波束天线、单通道调制器等高频段关键单机工作稳定，性能优异，完全达到了预期效果。通过设备研制，初步掌握了V频段天线和有源电路设计方法，解决了毫米波电路设计、生产、调试以及测试难题。但是由于毫米波频段信号波长短，电路的设计、加工工艺难度较大，元器件体积小发热密度大，后续需设计方法、工艺和材料的进一步优化改进，提高电路的环境适应性。

通过外场试验，验证了捕跟系统设计方案的合理性，并获得了捕跟系统的性能指标情况，为后续高频段、大带宽项目应用积累了工程经验。