高机动航空平台UHF卫星通信系统设计与实现*

陈 真

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

高机动航空平台常规通信手段主要包括短波和超短波等，其中超短波只能在视距范围内进行通信，通信距离有限，且受地理环境因素影响。短波可以实现超视距远距离通信，但是由于信道不稳定，易受环境气候和电磁干扰。利用位于同步地球轨道卫星、卫星地面站和机载站组成的卫星通信系统，具有通信距离远、覆盖面积大、不易受地理环境因素影响、通信信道稳定可靠等优点，可以有效解决以上通信方式的不足[1]。

受限于机载平台天线安装尺寸和高机动需求，在满足语音通信和指挥、控制数据传输带宽的前提下，选取UHF(Ultra-High Frequency)工作频段的卫星通信，可设计结构简单、尺寸较小、无需伺服控制系统，且具备较大俯仰角的全向天线[2]。UHF频段卫星通信与超短波通信的部分工作频段重叠，为提高频谱利用率，减少相互干扰，UHF频段卫星通信作为超短波通信的超视距延伸，两种通信方式可在视距和超视距场景中选择切换。在视距范围内，选择超短波通信方式，当载机将进入超视距范围时，切换到UHF卫星通信方式，有效解决平台超视距作战通信保障需求。

1 系统组成及工作原理

1.1 系统组成

UHF频段卫星通信系统已广泛应用于车载、舰载和大型航空平台中，地面站和卫星技术成熟，但一直未能应用于高机动航空平台[3]。本文提出由天线、射频前端、和收发信机三部分组成的UHF频段卫星通信系统，实现航空平台与地面指挥控制中心之间的卫星通信动态入网和数据业务的组网通信，如图1所示。

图1 UHF频段机载卫星通信系统组成

高机动平台飞行速度快，对气动性能要求很高，并且飞机平台尺寸相对较小，因此要求安装于平台上的天线必须具有小的体积重量和较小迎风面，从而对飞机气动影响尽可能小。综合考虑天线工作频段、方向图覆盖、极化方式、结构和安装方式等方面的要求，采用水平极化对称振子天线方案。

UHF频段的同步轨道卫星属于高轨道卫星，空间链路衰减较大，受限于卫星转发器功率和卫通天线增益，接收的信号强度低于常规接收机接收电平。射频前端由双工器和低噪声放大器组成，集成到天线中，减小馈线损耗，提高机载站的G/T值。

1.2 工作原理

超短波功能和UHF卫星通信功能进行一体化设计，通过动态加载的方式实现超短波功能和UHF卫通功能的分时工作。UHF卫星功能主要由入网/退网管理和业务通信两部分组成。

（1）入网/退网流程

系统上电后，将一体化端机切换到UHF卫通工作参数加载波道，接收卫通地面站下发的工作参数，完成解析和加载后，自动切换到UHF卫通业务工作波道，接收地面站发送的入网点名消息，应答消息完成入网。任务结束后由地面站控制退出网络，切换到超短波功能。

（2）业务通信流程

1）数据工作流程

一体化端机接收地面站发送的业务数据，解析后送航电系统；同时将航电系统信息处理后发送至地面站。

2）话音工作流程

一体化端机接收地面站发送的卫通业务话音，处理后送音频处理系统；飞行员通过按下卫通话音发送按键启动卫通业务话音发送。

3）UHF卫通数据和话音切换

卫通数据和话音分时工作，接收端通过数据帧头自动识别数据或话音；发送端卫通话音抢占优先，当卫通发话音使能有效时停止发送数据信息，非使能时发送数据信息。

2 关键技术及解决方案

2.1 UHF机载卫星通信天线设计

（1）卫星通信天线方案设计

高增益、宽波束、小型化是机载天线设计在重点和难题。采用半波对称振子的设计方案，天线馈电网络和天线辐射振子一体化集成设计。印制对称振子天线结构原理示意如图2所示。天线工作时，射频信号通过射频接头，馈入印制馈线和印制接地线构成的平衡馈电结构中，并通过该平衡馈电结构实现对天线辐射振子两个臂馈电，该平衡馈电结构使馈入天线印制辐射振子两个臂的射频信号幅度相等、相位相差180°，满足天线辐射所必需的激励要求。当天线通过金属安装底板垂直安装于飞机机身背部时，天线辐射的主要极化为水平极化，最大辐射方向指向天顶方向（z轴）。

图2 水平极化印制偶极子天线原理示意图

（2）天线电性能仿真分析

根据印制偶极子天线结构及原理，运用电磁仿真分析软件建立了天线仿真分析模型，并对其主要电性能指标进行了仿真分析和优化设计。天线在仿真软件中的模型如图3所示。

图3 水平极化印制偶极天线仿真分析模型

通过仿真分析发现，天线各部分参数对其端口电压驻波比、增益等影响各不相同。其中天线辐射振子长度L影响天线的谐振工作频率；振子距金属接地板的高度h影响天线的增益和方向图性能，开路短截线的长度s直接影响天线的端口输入阻抗，通过调整其长度，可以实现较好的阻抗匹配。天线其余结构参数对天线性能的影响相对较小。

综合考虑天线工作频段、方向图覆盖、天线高度等方面的要求，通过仿真优化设计得出天线在E面(Phi=90度平面)和H面(Phi=0度平面)的增益方向图，如图4、图5所示。仿真时，将天线置于直径1米的金属接地板上。

从上述天线增益方向图仿真结果可以看出，天线在高低频段中心频率处的最大增益约为7.5 dBi。天线E面在以天顶为0°，±70°范围内的增益均大于-1 dBi，H面在以天顶为0°，约±80°范围内的增益均大于-1 dBi，可较好地满足设计要求。

图4 E面天线增益方向图

图5 H面天线增益方向图

2.2 高灵敏接收处理技术

（1）接收前端设计

天线安装在机身背部，与转发卫星之间存在一定的夹角，天线接收卫星转发的信号强度随航空平台机动姿态变化，为了让平台获取更大的机动范围，尽可能发挥机动作战性能，需在控制前端噪声系数的前提下，尽可能提高接收灵敏度。

噪声系数(F)和等效噪声温度(Te)的关系有：

为绝对温度，N级级联网络总的等效噪声温度如图6所示，其中Te、F、G、B分别代表各级网络的输入等效噪声温度、噪声系数、功率增益及等效噪声带宽[4]。

图6 N级级联等效噪声温度

由式（1）推广可得：

航空平台UHF频段卫星接收系统如图7所示。设天线噪声温度为TA，馈线损耗为Lf

图7 接收系统的等效输入噪声

可知Te主要由Lf和G1决定，在系统设计时，应尽量减小Lf值，提高G1值。由于UHF频段卫星通信天线为全向无源天线，传统实现方案中，在天线和收发信机之间设计射频前端组件，集成双工器和低噪放，实现接收信号的放大和收发隔离。为降低Lf值，本文创新性的提出将射频前端集成到天线中，通过收发信机馈线直流馈电向低噪放电路供电的设计方案。在不影响天线电性能和结构特性的前提下，消除了第一级馈线对系统接收噪声的影响，可将接收链路系统余量提高1 dB以上，增加卫通天线与卫星之间的俯仰角范围，从而使平台在相同位置条件下获得更大的机动范围。

（2）接收指标计算

主要从接收噪声系数和接收增益要求设计前端电路，卫通天线接收的信号进入双工器，经过限幅器后进入第一级低噪声放大器，经过射频滤波器滤除带外杂波后，再经过一级限幅器送至第二级低噪声放大器放大后输出，射频前端接收部分原理图如图8所示。

图8 射频前端接收部分原理图

根据卫通转发器功率和信号传输链路损耗，可知到达机载天线端口的信号电平幅度范围，结合接收机输入电平要求，得出射频前端接收增益G1≥38 dB，噪声系数Nf小于3 dB。根据设计电路各器件参数，利用ADS仿真软件计算出射频前端接收通道指标：增益G1：39.2 dB,噪声系数Nf：2.6 dB，满足设计要求。仿真结果如表1所示。

表1 接收指标仿真结果表

2.3 收发信机一体化设计

（1）收发信机组成

UHF频段卫通功能的工作频段和包含在超短波功能工作频段内，其传输的业务为数据和话音，信道带宽和传输速率均小于超短波功能要求，信号处理波形的调制解调算法实现复杂度与超短波功能相当，发射功率略大于超短波功能。基于以上特点，可在同一硬件平台上实现两个功能，进行超短波和UHF卫通功能一体化设计。收发信机由数据处理、中频处理和射频处理三部分组成，组成框图如图9所示。

图9 收发信机组成框图

（2）工作流程

UHF频段卫星通信作为超视距通信手段，与视距通信的超短波功能分时工作。接口与电源模块完成与航电系统控制信息和数据、话音等业务信息的交付，实现收发信机电源转换和滤波处理。终端模块是收发信机的控制管理和信息处理的核心，由数据处理和信号处理两部分组成；数据处理部分实现超短波和卫通模式下的数据处理和对信道、功放的状态控制；信号处理部分采用动态加载方式实现超短波功能和卫通功能的波形的切换；信道模块采用超外差方式实现中频到射频的变频处理，频率源为收发信机提供高稳定时钟。功放模块实现激励信号的滤波和功率放大。

2.4 电磁兼容设计

（1）兼容工作要求

机载平台集成多种通信功能，功能之间工作频率相近或者重叠时，兼容工作是系统设计的一个难题[5]。本系统电磁兼容主要面临两个方面的难题：一是卫通功能采用异频双工工作方式，发射频率f1，接收频率f2，需要设计收发隔离度较高的双工器和抗阻塞能力较强的低噪放解决收发自干扰问题；二是卫通功能与超短波功能工作频段重叠，其中一个功能工作时，天线辐射出去的信号通过空间耦合到另外一个功能的天线，为避免两个功能之间相互影响，需要对卫通工作频率（f1f2）和超短波工作频率（f3）进行合理规划。系统工作场景如图10所示。

图10 系统工作场景示意图

（2）卫通收发自干扰分析及解决

卫通发射信号通过双工器进入接收通道，接收电路设计如上文图8所示，双工器的接收频段带外抑制能力NΔf，收发频点之间的间隔Δf1=f1-f2,发射功率Po1，经过双工器之后，进入接收通道的信号功率PI=Po1-NΔf，当PI值不超过接收电路器件要求的工作范围时，发射信号不会导致接收信号阻塞，解决收发自干扰问题。

（3）超短波与卫通互干扰分析及解决

UHF卫通的发射频率f1在高端，接收频率f2在低端，因此超短波和卫通功能之间的互相干扰只需考虑超短波工作频率f3与卫通接收频率f2之间的关系，如图11所示。定义Δf2=f2-f1。

图11 超短波与卫通工作频点关系示意图

超短波和卫通的兼容工作需满足以下两个条件：

超短波电台主频f3发射通过天线耦合至卫通接收机的信号，通过卫通双工器之后应小于卫通前端的接收阻塞电平；

超短波电台在工作频点f3发射时，在卫通接收频率f2的产生的宽带噪声信号不能影响卫通信号的解调。

根据超短波发射功率Po3，卫通接收信号的解调门限值Eb/N0，双工器接收带外抑制NΔf等参数，可得出超短波工作频率f3和卫通接收频率f2频率一定间隔条件下超短波天线和卫通天线隔离度之间的相互关系。根据超短波天线和卫通天线的间隔距离、工作频率、天线增益和方向性函数，可算计得出天线之间的隔离度值，从而规划超短波和卫通兼容工作的Δf2值范围。

3 系统性能

本文设计的航空平台UHF卫星通信系统，在超短波功能的基础上，扩展了UHF频段卫星通信功能，实现了高机动航空平台的视距/超视距无缝切换。国内首次提出了机上卫通天线小型化、与接收前端一体化设计方法，突破了天线装机尺寸重量、波束空域覆盖和增益需求的多参数制约瓶颈，大幅降低了天线体积、重量。超短波和UHF卫通一体化设计方法节省了软硬件资源，简化了与航电系统的交联。给出了超短波和UHF卫通兼容工作的分析方法和频谱规划建议。工程经验表明，本研究方案性能指标优良、稳定可靠，满足系统使用需求。

从应用平台、工作频段、工作模式、业务类型、是否组网和天线性能等方面，跟国内外实现水平进行对比，对比情况如表2所示。

表2 系统性能对比

从表2对比可以看出，本系统在整体技术体制和技术指标上处于国内领先，达到世界先进水平，在天线重量指标上有所超越。

4 结 语

本文从高机动平台超视距应用场景需求出发，提出了由机载天线、射频前端、和收发信机三部分组成的UHF频段卫星通信系统，解决了高灵敏接收处理技术、收发信机一体化设计和电磁兼容设计等关键技术，实现了性能优异、人机交互好、稳定可靠，适用于高机动平台的UHF频段卫星通信系统。本文提出的方案以推广至多型平台中，工程应用效果良好，成功解决了高机动平台超视距作战的通信保障难题。