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动中通天线发展新趋势

   随着技术水平的不断提升、产业格局的不断调整、市场需求的不断深入,动中通天线面临着轮廓与增益、体积与重量、性能与价格等矛盾。为了更深层次发掘动中通天线的应用市场,实现更大规模的产业化应用推广,最终实现移动卫星通信行业的革命性发展,动中通天线必须向着多频段、低轮廓、小重量、低成本、高可靠性、高环境适应性等方向发展。

 

  国外从上世纪90年代以来开始推广动中通天线,目前已有十分成熟的产品及应用,如美国的Trackstar、以色列的RaySat、以色列的Starling、韩国KNS、美国SeaTel等都是该领域的知名企业。2000年以来,我国在动中通天线研制及应用方面得到了快速的发展,中电54所、中电39所、中电714所、航天704所、航天13所、航天新世纪、星展测控、星网卫通等均研发出了各型不同种类、不同轮廓、不同口径的系列化动中通天线,并且在国内各相关行业实现了规模化应用推广。

 

  卫星通信系统具有传输距离远、覆盖范围广、受干扰小、容量大、质量高、通信方式灵活多样等优点,移动卫星通信天线(以下简称“动中通”)的出现使宽带卫星通信实现了由静基座向动基座的转变,从而加快了卫星通信系统的应用与发展。近些年来,动中通卫星通信系统已在军队、公安、武警、消防、交通、通信等具有应急任务或应急性质的部门得到了大力发展;同时,在地质勘探、石油、电力、物流、远程医疗、远程教育等特殊行业也有了长足发展。2008年以来,动中通天线在我国汶川地震、玉树地震、雅安地震、西藏溃坝等重大灾难及北京奥运会、上海世博会等重大活动中发挥了不可替代的作用,其重要性及必要性不断被各相关行业认可。作为一种新型的通信手段,动中通已逐渐成为特种行业视频传输、专线指挥、通信调度的优先选择。


 

  当前,我国动中通天线主要采用Ku频段,但单一采用Ku频段的卫星通信系统存在着一些不可避免的弱点,而双/多频段卫星通信系统则具有一定的优势互补特性,具体体现在:首先,Ku波段存在雨衰大、卫星资源覆盖范围窄等弱点,而C波段卫星正可以弥补这一弱点,但C波段卫星同样存在着信号强度弱、需要大口径卫星天线等弱点;再者,频段通信卫星具有比Ku波段更宽的带宽和更大的容量,是卫星通信发展的一个重要方向和趋势。近几年来,赤道上空的Ka频段卫星也越来越多,地面卫星移动通信业务也将逐步向Ka频段发展,但Ka频段卫星存在更大的雨衰。因此,Ku/Ka双频段甚至C/Ku/Ka三频段共用是今后动中通天线的发展方向。双频段、三频段动中通天线可兼容各频段天线的优势,并可克服单一频段天线存在的弱点,确保天线性能在任何地点、任何时间、任何天气环境下的稳定、可靠,大大提高了动中通天线的环境适应性,动中通天线的应用领域可得到进一步拓展。

 

  为适应车载需求,尤其是适应高速机动型越野型小车安装动中通的要求,性能优良的低轮廓天线成为动中通天线的一个重要发展方向。

 

  低轮廓动中通天线按照不同天线类型分类,可分为低剖面反射面天线、平板阵列天线、相控阵天线等。经过赋形设计的抛物面可以实现低剖面性能,但很难满足小型越野车安装超低轮廓天线要求;相控阵天线具有小型化、低剖面、可共形等特点,但是目前相控阵天线在通信领域的应用尚不成熟。

 

  平板阵列天线融合了射频领域的多种前沿技术,主要包括双极化收发共用阵列天线技术、低损耗馈电网络与射频一体化模块化技术、自动极化调整技术等,此类天线以其独特的效率高、占用空间小等优势在卫星通信中扮演着重要角色。目前,平板阵列天线中应用最成功的是Raysat公司的E7000型动中通天线,该天线采用波导喇叭馈电单元,纯波导馈电网络,天线馈电损耗小,天线阵列采用塑料电镀工艺,系统总重量优于50kg,总高度为300mm,等效口径为0.6m,相比传统抛物面天线,这是一次重大革命。

 

  国内各相关单位也在积极开展平板式动中通天线的开发,比如中电38所、54所、714所均研制开发了约0.6m等效口径的平板式动中通天线。除此之外,各高校、民营企业也都在加紧平板阵列天线面的开发,如清华大学、浙江大学、北京航空航天大学、西安电子科技大学、星展测控、星网卫通、协同通信等。

 

  为了适应动中通天线不断深入的应用需求以及大规模、产业化发展的趋势,未来动中通天线将着力实现以下三个方面的改变:

 

  1GPS/北斗卫星导航定位系统、惯性导航系统、功放单元要尽量与天线主体实现集成化设计,从而大大减少系统部件的数量,降低安装、调试的难度,提高系统的可靠性;

 

  2、在保障天线强度和可靠性的基础上,系统要采用模块化设计理念,尽可能使用更多的铸件,使用碳纤维、高强度塑料、蜂窝铝等新型材料,尽可能地降低系统的重量;

 

  3、搭建通信系统所需要的调制解调器、视频编解码器、交换机、保密机等需要实现一体化、集成化、单一化设计,尽可能减少用户接口以及操作按钮,实现“一线连接、一键操控”的目标。

 

  近年来,动中通天线得到了广泛应用与快速发展,但系统可靠性与制造成本仍然是制约天线实现大规模产业化发展的主要瓶颈。首先,伺服跟踪控制系统的可靠性及跟踪精度始终是动中通天线面临的最严重的挑战和最主要的技术瓶颈;其次,天线控制系统往往采用单脉冲或高精度惯导的跟踪模式,系统成本极其昂贵,推广受到明显制约。如何寻求一种高可靠性、高跟踪精度、低制造成本的伺服稳定跟踪控制方案是当前动中通系统研究的热点,也是动中通天线提高市场竞争力的重要途径。