VICTS 天线的波束指向误差补偿方法

黄元庆，王一焕

（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

无线通信技术在卫星通信与导航、空间探测、雷达与电子对抗等军民领域中的应用越来越广泛。天线作为无线通信系统中的关键部件，发挥着重要的作用[1]。它负责辐射和接收电磁波，对系统的性能产生决定性的影响。特别地，在移动载体之间的无线通信中，天线需要具备波束扫描功能，以确保信号的稳定传输。

随着无线通信技术的发展，对天线性能的要求不断提高。为了满足这些要求，研究者们不断探索新的天线技术。可变倾角连续断面节阵列（Variable Inclination Continuous Transverse Stub，VICTS） 天线的提出，旨在解决传统天线波束扫描能力不足的问题。其研究历程经历了技术探索、应用拓展及性能改进等阶段。目前，VICTS 天线已经广泛应用于卫星通信、导航、雷达等领域，并且在车载、船载等领域也有着广泛的应用前景。未来，随着技术的不断发展，VICTS 天线将继续发挥其优势，为无线通信技术的发展做出更大的贡献。

VICTS 天线是一种基于平板波导的阵列天线技术。该技术通过在平板波导上连续开缝并在横向缝上加枝节实现信号辐射，具有高馈电效率和口径效率、易于实现波束控制、加工成本低等优点，是现代通信系统中的重要组成部分。由于其高性价比、超低轮廓、小巧轻便及高频谱利用率等特点，具有广阔的应用前景。

VICTS 天线的波束指向模型具有动态和非对称的特点，波束指向会随着工作频率、俯仰角、方位角以及极化角的变化而变化。这种变化并非线性的，因此VICTS 天线的波束扫描具有双非线性和非独立特性。在实际应用中，需要对波束指向模型进行补偿，以获得更好的增益和指向性。

1 VICTS 天线的工作原理

VICTS 天线的结构是一种多层结构，其辐射阵面由CTS 阵列组成，且可以绕着圆心转动。通过上层的CTS 阵面与平行平板波导（Parallel Plate Waveguide，PPW）的相对转动实现俯仰面的波束扫描，方位向扫描则是通过转动整个天线来实现的。所有转动都是通过皮带连接电机来实现的，使得VICTS天线能够快速、准确地跟踪目标信号[2]。

VICTS 天线是通过馈源层、辐射枝节层（简称枝节层）以及多层可重构极化层各自相对独立的绕轴转动实现信号传递，不同层的转动由单独的电机通过柔性传动方式驱动。美国ThinKom 公司的ThinSat 300型天线采用收发分离设计，控制部分由8 个电机、驱动单元、控制单元、定位定向模块以及惯导等组成[3]。以接收天线为例，天线采用层式同心圆盘结构。馈源层和枝节层之间的夹角可以改变VICTS 天线辐射波束的方位与俯仰角，因此需要转动馈源层和枝节层来达到指定的波束方位与俯仰角方向，同时旋转可重构极化层实现不同极化方向的自由切换。

天线伺服控制系统中，跟踪接收机检测接收到的卫星信标信号的强度，定位定向模块检测天线的地理位置，惯导检测天线载体的姿态。控制单元接收以上3 者的测量数据，生成控制指令，驱动4 个电机控制调节馈源层、枝节层及2 层极化层的角度关系，实时调整天线波束角，实现目标卫星的准确指向。此外，电机通常采用相对式编码器作为角度反馈元件，因此天线启动时，每个圆盘都需要通过磁感应器的方式进行位置寻零检测[4]。

2 VICTS 天线的波束指向模型

VICTS 天线通过旋转枝节层和馈电层实现波束扫描。当枝节层与馈电层发生相对旋转时，枝节单元的激励相位将发生改变，天线口径面产生满足俯仰面扫描的相位分布，实现俯仰面的波束扫描；同时，以相同角度旋转枝节层和馈电层，将改变辐射波束的方位角，实现方位面扫描[5]。

设馈源层表面波的传播常数为β，枝节层与激励层的夹角为α。馈源层表面波的枝节层（对应作用波矢为G）发生相互作用，将导波转换为辐射波。经过耦合相互作用后，辐射波在枝节层平面（即x-y平面）的传播波矢为kin，辐射波在枝节层法线方向（即z方向）的传播波矢为kz。上述矢量的叠加关系如图1 所示。

图1 VICTS 天线中的波矢叠加原理

根据电磁波在周期性结构中的作用规律，辐射波在x-y平面的传播波矢表达式为

将式（1）写成标量形式为

式中：k0为与信号频率有关的常量。辐射波束的俯仰角EL的计算公式为

再将kin在x-y平面做矢量分解，可计算得到辐射波束的方位角AZ为

将式（2）、式（3）代入式（4）和式（5）可得到VICTS 天线的波束指向角EL、AZ与枝节层-馈源层夹角α之间的关系式。其中俯仰角EL的零度方向为VICTS 天线的法线方向，方位角AZ的零度方向为VICTS 天线的馈电网络总口方向。表面波传播常数β和枝节层周期P是天线的设计输入参数，与具体的天线设计有关。

以天线辐射平面作为x-y平面，其法向作为z轴建立坐标系。记球坐标系下的主波束指向为(θ,φ)，远场辐射波矢量为(Eθ,φE)，口面场矢量为(Ex,Ey)，则有

式中：E0为口面场的矢量幅值；γ为天线的口面场极化指向角。远场辐射极化角δ的表达式为

根据极化调整要求，此时中间层极化栅的取向角（相对馈源层）为

3 VICTS 天线的波束指向误差仿真

VICTS 天线的波束指向误差是由馈源层和枝节层之间的角度关系、以及在天线生产装配过程中的结构误差共同导致的。这些因素使得天线的电轴零点与理论值产生偏差，从而导致天线指向精度变差。

式中：a、b为通过拟合得到的参数。结合波束指向模型，在VICTS 的仿真设计中得到了验证。仿真计算获得波束俯仰角、波束方位角与夹角α之间的关系，与理论公式计算结果对比如图2 所示。

图2 波束指向的仿真值与理论公式值对比

对比波束指向角的仿真值与理论值可以看出，在夹角α、波束方位角与俯仰角的关系中，随着夹角α的增大，其波束俯仰角与仿真值相对一致，波束方位角与仿真值误差增大。在采用理论公式进行跟踪角度计算时，与天线实际波束角度产生偏差，造成无法对准卫星信号的情况，因此需要进行波束指向模型误差补偿。

4 VICTS 天线的波束指向误差补偿

为验证理论公式与天线实际波束角度产生的偏差情况，进行对星验证，以某Ku 频段卫星（东经110.5°，信标频率12 745 GHz，水平极化）为例，经过实际对星验证，得到对星角度数据[6]。记录卫星信标场强最大值处的角度值，以及相对应的方位修正偏差作为理论公式与天线实际波束角度产生的偏差值。

分析数据可知，理论模型中计算方位的偏差值与夹角α相关，随着夹角α增大而增大，方位的偏差值随俯仰角的减小而增大。根据俯仰角与方位偏差值（方位修正值）的实测值，采用多项式拟合的方式得到二者的关系为

式中：p2=0.000 329 9；p2=-0.114 2；p3=6.11。

将此拟合获得的函数作为补偿函数带入理论模型，得到修真后的方位误差如图3 所示。

图3 补偿修正后的方位误差曲线

对波束指向模型误差进行补偿修正后，计算获得的波束指向角与实际指向角误差在0.1°之内，远小于天线半功率波束宽度，能够满足天线的跟踪需求。

5 结 论

在本文中，深入探讨了VICTS 天线的波束指向误差问题，并提出了一种有效的误差补偿方法。该方法结合了系统标校和回溯波分析，旨在提高天线的波束指向精度，从而提高通信系统的性能。实验结果表明，该方法能够显著减小波束指向误差，为实际应用提供了可靠的保障。