編者注：近幾年來(lái)，相控陣技術(shù)應(yīng)用日益成為十三五軍民技術(shù)應(yīng)用熱點(diǎn)，無(wú)論是民用5G相控陣還是未來(lái)爆發(fā)式發(fā)展的衛(wèi)通相控陣、軍用武器類(lèi)相控陣產(chǎn)品都有非常廣闊的應(yīng)用空間，在實(shí)現(xiàn)電掃功能之路上，也產(chǎn)生了多種實(shí)現(xiàn)技術(shù)，如液晶相控陣、超材料、VICTS、有源相控陣等，本文主要簡(jiǎn)單介紹了VICTS無(wú)源相控陣。讓相關(guān)從業(yè)者了解下相關(guān)基本知識(shí)。

1 簡(jiǎn)介

連續(xù)斷面節(jié)陣列CTS技術(shù)天線(xiàn)，是在平板波導(dǎo)上連續(xù)開(kāi)貫通的橫向縫并在橫向縫上加枝節(jié)實(shí)現(xiàn)輻射的天線(xiàn)，采用這種技術(shù)的天線(xiàn)具有很高的饋電效率和口徑效率，是高增益天線(xiàn)一個(gè)極為重要的方向。CTS天線(xiàn)效率可高達(dá)85%，陣列易于實(shí)現(xiàn)波束控制，加工成本低，具有廣泛的應(yīng)用前景。 但這種天線(xiàn)也存在增益隨仰角降低而下降，波束指向算法復(fù)雜，非固定方向圖和測(cè)試?yán)щy等缺點(diǎn)。本文結(jié)合美國(guó)ThinKom公司生產(chǎn)的車(chē)載動(dòng)中通天線(xiàn)介紹一下該技術(shù)在車(chē)載中的應(yīng)用，該天線(xiàn)采用可變傾角連續(xù)斷面節(jié)陣列技術(shù)（VICTS），具有高性?xún)r(jià)比、超低輪廓、小巧輕便、高頻譜利用率等特點(diǎn)，可以提供運(yùn)動(dòng)中的寬帶大數(shù)據(jù)量話(huà)音、數(shù)據(jù)和視頻通信。

天線(xiàn)的控制采用閉環(huán)協(xié)同控制算法，具有一健精準(zhǔn)對(duì)星功能。天線(xiàn)內(nèi)置功放、天線(xiàn)控制器，內(nèi)置信標(biāo)和載波跟蹤接收機(jī)，具有信標(biāo)跟蹤、載波跟蹤或同時(shí)跟蹤功能，可以不依賴(lài)調(diào)制解調(diào)器獨(dú)立工作。2 結(jié)構(gòu)

該天線(xiàn)采用新穎的二維斷面掃描裝置，收發(fā)天線(xiàn)面分離，兩個(gè)天線(xiàn)面均為層式同心圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，裝置由一組簡(jiǎn)單的可旋轉(zhuǎn)同心圓盤(pán)組成。從上到下依次為極化控制層；CTS天線(xiàn)層（上層圓盤(pán)），靜態(tài)的線(xiàn)源激勵(lì)層（下層圓盤(pán)）。激勵(lì)層是帶有連續(xù)線(xiàn)性輻射源的一維晶體格柵盤(pán)，即激勵(lì)源層。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)下層圓盤(pán)實(shí)現(xiàn)方位面的波束掃描，轉(zhuǎn)動(dòng)上層圓盤(pán)實(shí)現(xiàn)俯仰面的波束掃描，兩層都是通過(guò)機(jī)械皮輪帶動(dòng)圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，最底層的盤(pán)同時(shí)起射頻隔離作用。各層間的電波傳播為空氣介質(zhì)傳導(dǎo)方式，阻抗損耗被降低到最小的程度，因此阻抗效率大幅度提高，由于高阻抗效率和采用巧妙的阻抗掃描損耗的降低方法，采用VICTS技術(shù)的天線(xiàn)在獲得相同性能的情況下，比普通的天線(xiàn)所需的天線(xiàn)面積減少了30%到 75%，即使在很極端的掃描角度（0°～20°）下也可以較好地工作。天線(xiàn)尋星采用機(jī)械掃描和電掃描相結(jié)合的方式。

圖1 VICTS天線(xiàn)結(jié)構(gòu)剖面圖

工作原理VICTS技術(shù)天線(xiàn)采用一整套功能完善的傳感器和電子器件配合一套科學(xué)的算法，可使天線(xiàn)在運(yùn)動(dòng)和靜止?fàn)顟B(tài)均能精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星。天線(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)電子掃描和波束動(dòng)態(tài)聚焦，如波束的線(xiàn)性?huà)呙?、扇形掃描以及?dòng)態(tài)聚焦等。結(jié)合各層盤(pán)面的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)方位、俯仰和極化的調(diào)整。 采用VICTS技術(shù)的天線(xiàn)波束圖與常規(guī)拋物面截然不同，該方向圖是非對(duì)稱(chēng)和動(dòng)態(tài)的。該天線(xiàn)的方向圖因仰角、方位角和極化角的不同而不同，天線(xiàn)的主波束是在天線(xiàn)面上是動(dòng)態(tài)移動(dòng)的，不同的頻率、仰角、方位角和極化角時(shí)，天線(xiàn)的主波束也處在天線(xiàn)面的不同位置，見(jiàn)圖5。紅色表示主波束所在位置。因此，該天線(xiàn)的波束圖有無(wú)數(shù)個(gè)，只有固定了頻率、方位角、仰角和極化角時(shí)，天線(xiàn)波束圖才是惟一的。采用這一技術(shù)的該天線(xiàn)的主波束的功率譜密度（PSD）是可控的，同理旁瓣功率譜密度也是可控的。

圖2 VICTS天線(xiàn)波束圖舉例 拋物面天線(xiàn)波束圖與VICTS天線(xiàn)波束圖的對(duì)比。從圖6中可以看出，拋物面天線(xiàn)的副瓣是水紋狀呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)性向四周衰落的；從圖7中可以看出，VICTS天線(xiàn)的副瓣主要分布在主瓣旁呈十字狀分布。這一特性使得天線(xiàn)適用于工作在大極化角狀態(tài)，而不會(huì)帶來(lái)臨星干擾，并且大幅度提高主波束譜密度，因而該技術(shù)的使用可以大幅提高衛(wèi)星頻帶利用率。

圖3 拋物面天線(xiàn)波束圖

圖4 VICTS天線(xiàn)波束圖 天線(xiàn)工作時(shí)，首先，GPS定位出天線(xiàn)所在位置的經(jīng)緯度，根據(jù)設(shè)置的目標(biāo)衛(wèi)星軌道位置，計(jì)算出當(dāng)時(shí)接收天線(xiàn)的方位角和仰角和極化角。天線(xiàn)的波束自頂部開(kāi)始快速掃描，直到天線(xiàn)內(nèi)的信標(biāo)接收機(jī)在設(shè)定的頻率上收到一個(gè)窄帶的信號(hào)；車(chē)輛在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，結(jié)合傾角儀和陀螺儀（慣導(dǎo)）給出的俯仰、航向、橫滾、角速度、加速度等參數(shù)，不斷連續(xù)校正車(chē)體的滾動(dòng)和傾斜差值，保持天線(xiàn)內(nèi)的信標(biāo)接收機(jī)在設(shè)定的頻率上，收到的窄帶的信號(hào)電平保持在一個(gè)最佳水平上；之后天線(xiàn)控制系統(tǒng)精確微調(diào)天線(xiàn)將接收波束調(diào)整到最佳位置，并進(jìn)行峰值捕獲精準(zhǔn)對(duì)星。 接收天線(xiàn)對(duì)星完成后，發(fā)射天線(xiàn)參照接收天線(xiàn)的位置，自動(dòng)將發(fā)射波束對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星。陀螺儀（慣導(dǎo)）在運(yùn)動(dòng)中保持兩個(gè)天線(xiàn)面始終處于正確位置。接收天線(xiàn)始終持續(xù)檢測(cè)信號(hào)以保證接收天線(xiàn)面始終處于最佳對(duì)星狀態(tài)，同時(shí)不斷校正因車(chē)體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的偏差。初始對(duì)星時(shí)間不大于30秒，之后的再次對(duì)星時(shí)間小于1秒。

圖5 VICTS盤(pán)面和波束調(diào)整示意圖4 特點(diǎn)（1）超低高度。天線(xiàn)高度僅11厘米。 （2）全內(nèi)置。天線(xiàn)的功放、LNB、陀螺和天線(xiàn)控制單元等，完全集成在天線(xiàn)體內(nèi)部。 （3）收發(fā)天線(xiàn)面分開(kāi)。采用VICTS技術(shù)的ThinSat300有收和發(fā)兩個(gè)天線(xiàn)面，由于使用獨(dú)特的設(shè)計(jì)，省去了TR組件、移相器、波束控制器件等。使天線(xiàn)高度和成本大大降低。易于實(shí)現(xiàn)輪廓低，易于與車(chē)輛共形、天線(xiàn)體積比傳統(tǒng)的電子掃描相控陣小，對(duì)于給定的GT值，該天線(xiàn)只有傳統(tǒng)的拋物面天線(xiàn)的口徑尺寸25%到40%。VICTS技術(shù)適用于X波段、Ka波段以及W、Q等多個(gè)波段。 （4）高頻譜利用率。由于VICTS技術(shù)獨(dú)特的旁瓣特性，使用VICTS技術(shù)的天線(xiàn)可以采用高譜密度的調(diào)制方式和高編碼率，如5/6、7/8甚至更高。例如：常規(guī)車(chē)載低輪廓天線(xiàn)采用1/2 BPSK，傳輸?shù)男畔⑺俾蕿?.048Mb/s時(shí)，占用衛(wèi)星頻寬約為5.2MHz；而采用本天線(xiàn)，可以使用7/8 QPSK的編碼調(diào)方式，占用衛(wèi)星頻寬僅為1.67MHz。可見(jiàn)傳輸同樣的信息速率，大大節(jié)省衛(wèi)星帶寬。 （5）極低鄰星干擾。VICTS技術(shù)因其獨(dú)特的天線(xiàn)波束特性，天線(xiàn)的旁瓣低，可以達(dá)到-20dB以下。圖9中虛線(xiàn)表示衛(wèi)星軌道，可見(jiàn)該天線(xiàn)只有主波束在目標(biāo)衛(wèi)星的軌道弧線(xiàn)上，目標(biāo)衛(wèi)星的軌道弧上幾乎沒(méi)有旁瓣，因此不會(huì)帶來(lái)鄰星干擾。

圖6 VICTS天線(xiàn)波束圖與衛(wèi)星軌道示意圖 （6）簡(jiǎn)單直觀的操作界面

（7）系統(tǒng)造價(jià)低，性?xún)r(jià)比高。采用VICTS技術(shù)天線(xiàn)集成的衛(wèi)星車(chē)系統(tǒng)，能有效提高車(chē)輛通過(guò)性能，同時(shí)系統(tǒng)總造價(jià)大大降低。衛(wèi)星信道占用少，節(jié)省衛(wèi)星信道租用費(fèi)；天線(xiàn)重量輕安裝簡(jiǎn)單，體積小，車(chē)輛負(fù)荷低，車(chē)改費(fèi)用大幅度降低；天線(xiàn)耗電低，節(jié)省供電設(shè)備費(fèi)用和耗電量。 （8）應(yīng)用領(lǐng)域。該天線(xiàn)在車(chē)載領(lǐng)域的應(yīng)用暫露頭角，正在逐步得到用戶(hù)的接受和認(rèn)可；船載應(yīng)用與常規(guī)天線(xiàn)應(yīng)用一樣。機(jī)載應(yīng)用將顯現(xiàn)出更大的優(yōu)越性：收發(fā)分開(kāi)的布局方式，使安裝更加靈活方便。低高度可以極大地降低氣動(dòng)風(fēng)阻，便于與飛行器進(jìn)行整體設(shè)計(jì)；重量輕可提高飛行器的有效載荷。

原文標(biāo)題：可變傾角連續(xù)斷面節(jié)陣列（VICTS） 天線(xiàn)技術(shù)初探

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