一种平面结构的遥感卫星接收天线系统设计

索宏泽，路志勇

(1.中国电子科技集团公司航天信息应用技术重点实验室，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

遥感卫星包括资源卫星、气象卫星、海洋卫星和灾害卫星等多种卫星。卫星遥感技术不仅局限于针对地表的遥感监测，而是对整个地球系统的动态监测。各种遥感卫星获得了大量的图像、测试数据等遥感信息，需要传回到地面接收系统。由于数据量大，地面的卫星接收系统一般采用高增益天线，以实现大量数据的高速传输。

常用的高增益天线有反射面天线、阵列天线等形式，其中阵列天线又可分为固定波束阵列天线和相控阵天线，各种形式的天线各有优劣，方案选择时需要综合考虑。

国内外，遥感卫星接收天线一般采用反射面天线，文献[1-5]给出了反射面天线在馈源设计、反射面设计和跟踪方式等方面进行的改进工作。国内外一些学者也在研究利用平面阵列天线形式用作遥感天线，文献[6-9]给出了几种平面阵列形式天线的设计，例如意大利的学者设计了用于遥感接收的L波段平面微带阵列天线。利用平面阵列天线实现天线小型化是遥感卫星接收天线的技术发展方向之一。

本文给出了一种平面结构的遥感卫星接收天线系统设计。该天线采用有源子阵合成技术，克服了常规大型阵列天线效率低的问题，实现了高效率性能。采用相控波束扫描跟踪方式，克服了常规单脉冲跟踪方式存在的校相问题，实现了快速跟踪。

1 总体设计

高增益的遥感卫星接收天线有3种天线形式可供选择：① 传统的抛物面天线，采用差模单脉冲跟踪或四喇叭单脉冲跟踪；② 有源平面阵列天线，方位、俯仰均采用小角度相控波束扫描、机械转动跟踪方式；③ 相控阵天线，采用一维或二维相控波束扫描跟踪。3种天线形式的优缺点比较如表1所示。

表1 几种天线形式优缺点比较

由表1可见，有源平面阵列天线与传统的反射面天线相比，小型化优势明显，是实现高效率、小型化舰载天线的有效办法；与相控阵天线相比，全空域覆盖性能优势明显，技术难度相对较低、可实现性好、成本低。

等效4.5 m的有源平面阵列天线整体结构示意图如图1所示，相同电气性能的4.5 m反射面天线整体结构外形图如图2所示。比较图1与图2可见，采用有源平面阵列形式，天线系统的整体高度由反射面天线的5 500 mm减小到4 500 mm，回转空间直径由6 200 mm减小到5 000 mm，即有源平面阵列天线的整体高度和回转空间直径均比反射面天线小1 m以上，达到了小型化的设计目的。

图1 等效4.5 m平面阵列天线整体结构外形

图2 4.5 m反射面天线整体结构外形

2 有源平面阵列天线系统组成

有源平面阵列天线与天线座架、伺服跟踪等一起构成有源平面阵列天线系统，用于遥感卫星接收系统中，可实时跟踪遥感卫星并实现高速率的数据接收。有源平面阵列天线系统组成框图如图3所示。

图3 有源平面阵列天线系统组成

有源平面阵列天线是系统的信号接收部分，包括天线阵列、馈电网络和低噪声放大器等部分。天线座架采用A-E-C三轴座架，可实现天线波束全空域覆盖，保证遥感卫星接收系统全空域接收卫星数据。伺服跟踪系统采用电子波束扫描方式，可实现天线波束快速跟踪，满足天线波束实时对准卫星的需要。

3 有源平面阵列天线难点分析及解决方法

有源平面阵列天线在保证天线性能的前提下，实现了天线系统的小型化设计。该天线设计主要面临2个技术难点：

① 天线效率问题。对于常规的反射面天线，天线效率一般在60%以上。影响反射面天线效率的主要因素是馈源照射漏失和口径分布。平面阵列天线没有照射漏失问题，但是对大规模阵列进行馈电，其馈电网络具有较大损耗，也会影响天线效率。

② 天线跟踪问题。对于常规的反射面天线，天线跟踪采用单脉冲跟踪方式。单脉冲跟踪方式对天线接收灵敏度具有较高的要求，并且需要繁琐的校相工作[10]，使用起来非常不方便。利用阵列天线便于分块的特点，分成4部分，通过相位控制形成4个方向的波束扫描，引导天线跟踪。

对于天线效率问题，采取的主要措施是采用高效率的天线子阵形成有源子阵，有源子阵再合成大型阵列。这样，既保证了天线高效率性能，又使整个天线的复杂度不会过高。对于等效4.5 m口径反射面的大型有源平面阵列天线[11]，可分成16×16个有源子阵，每个有源子阵由天线子阵和有源模块组成，组成框图如图4所示。每个天线子阵由8×8个天线单元构成，天线单元采用圆极化背腔天线单元[12]，子阵内部的合成网络采用波导形式，具有很低的损耗，保证天线子阵具有80%以上的效率。天线单元也可采用其他形式，根据系统要求确定合适的天线形式[13-15]。

图4 天线阵列组成

利用有源子阵合成技术可实现高效率的大型阵列天线[16]，其原因：一是天线子阵内部的合成网络具有很小差损，减小了合成网络损耗带来的效率下降；二是子阵间的合成网络位于低噪声放大器之后，其差损是在信号放大之后，对天线噪声的影响几乎可以忽略[17-18]。

对于天线跟踪问题，采用陀螺稳定和相控电子波束扫描体制，保证高精度跟踪。天线跟踪时，首先根据卫星轨迹和舰体位置、姿态信息，自动扫描搜索捕获卫星；当相控电子波束扫描接收机输出AGC电平满足跟踪条件时自动切换到自跟踪状态。

根据有源平面阵列形式的特点，可设计一种简单的跟踪方式，可称作相控波束扫描跟踪方式。这种跟踪方式的实现方法是：整个有源平面阵列天线分成上左、上右、下左、下右4个部分，每部分包含8×8个有源子阵，如图5所示。与单脉冲跟踪方式不同的是，每部分之间不使用和差网络形成和差波束，而是每部分用各自的合成网络合成后再分别连接移相器，最后用合路器合成。通过控制移相器的相位，可以控制天线波束向上、下、左、右4个方向的小角度扫描，即形成相控电子波束扫描。

图5 阵列划分及移相器配置原理

控制移相器移相后，电子波束扫描情况如图6所示。图6中，中间曲线为波束未偏移的方向图，左右2条曲线分别为波束左右(或上下)偏移后的方向图。可以看出，波束偏移后，正前方电平(-0.3 dB)与波束最大值电平(0 dB)相差0.3 dB，可以为电子波束扫描跟踪接收机提供误差信号，实现高精度跟踪。特别指出的是，相控波束扫描跟踪没有单脉冲跟踪方式存在的校相问题，且设备组成简单，便于在各种场合，尤其是机动站使用。

图6 小角度相控波束扫描示意

4 天线实测结果分析

设计并加工了平面阵列天线的8×8子阵，测试了该子阵的各项性能，子阵方向图实测结果如图7所示。该8×8天线子阵在1 GHz带宽内，实测的波束宽度在7.04°～7.66°之间，天线增益范围26.36～27.25 dB，天线口面效率范围83.33%～86.37%。可见，该天线子阵达到了80%以上的口面效率。另外，该天线子阵还具有良好的宽带匹配特性和圆极化轴比特性。

图7 8×8子阵方向图实测结果

有源子阵中，有源模块主要包括低噪声放大器。通过测试，低噪放模块达到的技术指标为：相位一致性：≤±3°；幅度一致性：≤±0.2 dB；增益：≥30 dB；噪声系数：≤1.15 dB。该低噪放具有良好的噪声系数，可保证整个天线系统的良好性能；同时该低噪放增益较高，后级的合成网络、电缆等损耗对系统噪声的影响几乎可以忽略。

从实测结果可以看出，该平面阵列天线可以达到80%以上的效率，满足高效率、小型化的设计要求。

5 结束语

采用有源子阵合成的方法，不仅可以实现高效率的平面阵列天线和天线系统的小型化设计，而且便于实现相控波束扫描的跟踪体制，简化天线跟踪系统设计。用平面阵列天线实现的大型高增益天线与传统反射面天线相比，具有效率高、外形尺寸小和跟踪性能好等优势。该天线不仅适合用作小型化的遥感卫星接收天线，也可用于侦收、通信等系统中。用作小型化或可拆装的便携站或车载站天线具有广泛的应用前景。

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