天线阵列在卫星通信中的应用研究

阵列天线在我国卫星导航系统中的应用现状与前景

【摘要】针对卫星导航系统对天线的新需求，结合阵列天线的特点，本文介绍了阵列天线在导航系统中的应用现状，展望了阵列天线在我国卫星导航系统中的应用前景，并对几种阵列天线关键技术进行了探讨。最后，在导航系统空间段、控制段和应用段，分别给出了几种可行的阵列天线解决方案。

【关键词】卫星导航；阵列天线；多波束天线；相控阵天线；自适应天线

1.引言

卫星导航系统是基于无线电测距的系统，天线是实现无线电信号接收和发送的关键部分，天线的方向性、极化特性、工作带宽特性和相位稳定度等指标直接决定了卫星导航系统的服务质量。

按各部分功能划分，卫星导航系统可大致分为空间段、控制段和应用段，空间段和控制段大多采用传统的面天线结构，应用段采用平板天线或螺旋天线。传统的面天线方向图不易控制，工作带宽较窄；平板天线和螺旋天线增益系数低，方向图不能自适应调整，不能满足抗干扰型用户机需要[1，2]。

单个天线方向图不易控制，增益不高，极化特性以及带宽特性也往往不能满足卫星导航系统发展需要；阵列天线考虑将多个单天线按一定规律排列组成天线系统，通过调整各天线单元的馈电方式和排列规律，来实现特定的方向图、极化特性以及带宽特性需要，这将具有十分重要的应用前景和意义[3-8]。

2.卫星导航系统中的新型天线需求

我国现有的卫星导航系统空间段由数颗GEO卫星组成，定位方式为主动定位，系统为区域导航系统[1，2]；拟发展的下一代卫星导航系统空间段由GEO和MEO组成，定位方式为被动定位，系统拟发展为全球导航系统[1，2]。相对于现有系统，未来卫星导航系统对天线提出了更高的要求。

2.1 方向图可控

未来卫星导航系统中，卫星广播的星历由地面控制系统注入。系统空间段包括数颗GEO、MEO卫星，在控制段，系统希望能同时实现对多颗卫星跟踪并进行数据注入的天线，减少地面控制系统大口径天线数量，降低故障风险，减少运营成本。用1副天线同时完成对多颗卫星的跟踪和数据注入，这就要求天线方向图随卫星轨道变化而变化，天线方向图可控。

技术前沿　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｆｏｒｗａｒｄ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　

动中通天线　在传统通信卫星系统中的应用　■中卫普信宽带通信有限公司　吴波洋　摘要　针对动中通天线的天线旁瓣、跟踪制导、交叉极化、失锁重捕等问题，就天线测试、　邻星协调和系统设计等作了相关探讨。　关键字：动中通天线天线指向性能测试邻星干扰与协调　０前言　卫星通信倚仗其布网迅速、通信成本与距离无　关等特点．在应急通信等领域发挥着重要作用。天　线厂商设计了多种能够自动跟踪、锁定静止通信卫　星的定向天线。这类天线因能使车辆和船舶在行驶　过程中利用传统通信卫星进行移动通信，又被称为　动中通天线。　１动中通天线概述　般地．动中通天线可分为抛物反射面和平板　微波电路两种类型。抛物反射面类型的动中通天线　采用传统的偏馈或正馈面反射天线，外型呈球状，　尺寸较大；其天线增益较高，旁瓣特性较好：可跟　踪制导系统控制天线的方位和俯仰指向；其售价多　在百万元人民币左右．据称也有数万元的。　平板微波电路类型的动中通天线采用平板微波　电路或相控阵电路阵列．外型呈圆盘状．其高度较　低：其天线增益和旁瓣特性较差；跟踪制导系统大　多只控制方位角的机械转动，在俯仰角上只作｛或　不作）电扫描调整：售价多为数十万元人民币。　动中通天线的跟踪伺服系统差异较大，有的只　被动跟踪卫星上的信标或载波．有的还可以利用惯　性制导方式主动抵消天线载体的姿态变化．其指向　跟踪性能随系统结构而异。　动中通天线的载体可为飞机、火车、汽车和船　舶等。大型载体通常运行平稳．对指向跟踪的性能　要求较低。小型载体的机动性较好，对指向跟踪响　应速度有较高要求。　动中通天线多用于应急通信。应急通信车辆大　多需要传送视频信号并收发双向数据．客机和火车　目前存在ｌＰ接入潜在需求。动中通天线也可应用于边　远地区的火车和客车以及沿海船舶等载体的电视单　收业务。　动中通天线的口径小、波束宽，其旁瓣性能不　容易满足邻近卫星干扰协调要求．极化隔离程度不　足以避免与同频率反极化信道互扰。　除了需要应付载体运行方向的变化．动中通天　中国无线电２ｏｏ７年第ｌ２

网络信息工程2022.06

750 引言

北斗和5G是实现“国器自立，自主可控”的两大核心领

域，两者有机融合将成为高精度、高可靠、高安全的新一代信

息时空体系[1]，导航和通信融合的理论逻辑在于卫星系统可

以为地面基站等提供授时、定位服务的时空基准，但由于大

气层折射和设备固有误差等因素存在信号覆盖不全和精度

降低的问题，通过地基增强网络解算分析，地基增强加速定

位信息通过基站高速传输到终端，定位精度可达厘米级；而

原本只用于通信的地面基站也能提供定位功能，而且覆盖不

到基站信号的偏远地区也能用上北斗短报文通信功能。北斗

赋能5G，5G赋能北斗，两者互为补充，特别是把终端和应用

融合起来，这样在一个智能设备上就可以实现高精度的定位

和服务。

1 应用场景分析

卫星系统和地面网络融合起来，构成强大的天地一体化网络，加上人工智能和大数据等技术的融合，必将促进物联

网和智慧交通等应用的爆发与发展[2]。

随着我国汽车保有量的日益增加，司机不文明驾车等人

为原因导致交通事故频频发生，交通灯设置不合理等等都会

造成城市交通拥堵，无人驾驶技术应运而生。无人驾驶需要

超高、超快的路况信息交流。北斗三号导航系统为无人驾驶

提供非常精准的定位和应急通信以及高精度地图；5G 的发

展为无人驾驶汽车提供低延时高宽带的信息交流[3]。当有

危险发生或危险已发生时，汽车可以自动给附近汽车发送信

息，让其他车辆及时做出紧急避险反应，大大降低车辆事故

发生的几率，提供安全保障。整个交通网络接入网络，合理

控制交通信号灯，改善上下班高峰拥堵。智慧交通构建如图1

所示。

车载终端通过通信单元实现与边缘云互联，边缘云与北

斗系统差分基准站和5G基站互通信息，通过云端进行数据处

理和宏观控制，实现万物互联，互联互通。北斗＋5G应用场景下的天线技术研究

刘志华

（广州海格通信集团股份有限公司，广东广州，510000）

摘要：北斗系统是我国自主可控的卫星定位系统并于2020年6月完成全球组网。5G是新一代通信技术，构筑起万物互联的核心基础。两大“国之重器”融合赋能智慧社会建设，北斗系统的高精度定位能力和5G低时延、超宽带和海量通信能力是智慧社会的重要基础。北斗+5G应用场景将多样化，但北斗卫星信号落地电平低，容易受到邻近5G系统的干扰，特别两者频率相隔较近时，5G 信号将对北斗业务造成干扰。北斗系统采用阵列天线设计，合成多波束，合成后的波束增益高，对准有效来波信号方向，可以有效对抗5G信号的干扰。关键词：北斗；5G；阵列天线；多波束；抗干扰中图分类号：TN927+.2 文献标识码：A

卫星通信系统中的射频电路设计

卫星通信作为一个不可或缺的现代通信手段，已经成为我们生活中的重要组成部分。卫星通信的发展离不开射频电路的不断创新和完善，本文将从射频电路设计的角度，分析卫星通信系统中射频电路的基本原理和设计要点。

一、 卫星通信系统中的射频电路

卫星通信系统中射频电路是指在一定频段内进行信号的调制、解调和增强传输功率等功能的电路。射频电路主要分为射频前端和射频后端两个部分。前端主要完成收发信号的互相转换，后端主要完成射频信号的放大和滤波以及解调等。

射频前端的设计涉及到频率混频技术，其目的是将载波频率转换到一个合适的频段，以便于后续处理和传输。射频后端的设计需要考虑信号增益和噪声等问题，以保证传输质量。同时，为了保证系统的可靠性和稳定性，还需要对射频电路进行多方面的测试和调试。

二、卫星通信系统中射频电路的设计要点

1. 射频电路的选型

在射频电路设计中，选型是一个非常重要的环节。根据不同的应用场景，需要选择不同的射频器件。比如，对于需要高功率输出的应用，需要选择高功率晶体管或功率放大器等器件。

除了器件选型，还需要考虑到射频前端和射频后端的连贯性。因为整个卫星通信系统是由前后端不同的电路组成，所以需要选用合适的连接部件，确保各个电路之间无缝衔接。

2. 参考信号源的设计

为了保证射频电路的稳定性和减小误差，需要在卫星通信系统中设置参考信号源。参考信号源能够提供高稳定度的信号，并在整个系统中不断地参考和加以基准。

参考信号源选型可以采用TCXO等器件，也可以通过外接雷达时钟等方式实现。

3. 射频电路的匹配和调谐

在射频电路的设计中，需要考虑到信号匹配和调谐问题。匹配问题通常通过加上阻抗匹配网络和其他设计手段来实现，而调谐问题通常则通过高Q值的电路来实现。

射频电路的匹配和调谐问题通常是一个相互影响的问题，需要在设计中进行合理的权衡和调整。

4. 射频电路的干扰和抗扰性设计

在卫星通信中，射频电路需要在复杂环境中工作，同时还需要防御来自其他干扰源的干扰。因此，射频电路的干扰和抗扰性设计也是非常重要的。