美國先進(jìn)軍用通信天線的研制情況

  美國先進(jìn)軍用通信天線的研制情況  
軍隊(duì)對戰(zhàn)場實(shí)時(shí)通信和傳遞重要信息能力的要求推動(dòng)了先進(jìn)天線技術(shù)的研究。美軍各級(jí)指揮機(jī)構(gòu)正在研究改進(jìn)天線的技術(shù)，將天線作為從單兵到車輛到衛(wèi)星的信息傳輸鏈路的關(guān)鍵部件。同時(shí)，軍方也注視著商業(yè)部門在天線技術(shù)方面的研究進(jìn)展，努力將它們的研究成果應(yīng)用到軍用通信系統(tǒng)之中。 
 
1 軍方對天線技術(shù)的研究 
美國陸軍通信和電子儀器司令部（CECOM）的空間和陸地通信局最近確定了幾個(gè)重點(diǎn)研究方向，天線技術(shù)就是其中之一。 
 
該司令部所屬的研究發(fā)展和工程中心（RDEC）正在研究對聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)至關(guān)重要的天線技術(shù)。這一系統(tǒng)將包括眾多不同類型的平臺(tái)，例如，高機(jī)動(dòng)性多用途輪式車輛（HMMWV）、船舶、飛機(jī)、無人飛行器（UAV）等等，具有從2兆赫到2千兆赫的寬頻譜。天線結(jié)構(gòu)必須滿足各種平臺(tái)的要求，因此采用單一天線結(jié)構(gòu)是不可能的，研究一種在此頻段工作的小型化天線便成為聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。由于研究發(fā)展與工程中心的撥款有限，因此，它正謀求與工業(yè)界和其他軍事部門合作，以便共同解決研究中的技術(shù)難題。 
 
另一個(gè)研制的通信系統(tǒng)是陸地勇士倡議，這是一個(gè)為單兵提供多種通信裝備的計(jì)劃，具有獨(dú)特的要求。由于單兵著裝有限，不可能攜帶大的電源，所以這種單兵裝備必須耗電少；裝備的體積要小并滿足醫(yī)學(xué)和安全標(biāo)準(zhǔn)；天線的功率必須足夠強(qiáng)，能與衛(wèi)星通信。 
 
除了研究通信系統(tǒng)外，該研究發(fā)展與工程中心還在研究一些先進(jìn)的通信技術(shù)。鐵電技術(shù)就是一種正在研究的應(yīng)用于相控陣天線的新技術(shù)。其原理是對通過一種特別設(shè)計(jì)的加有電場的陶瓷材料的無線電頻率信號(hào)加一個(gè)相移，對陣列的每一個(gè)輸入點(diǎn)都如此處理。 
 
該研究發(fā)展與工程中心還正為美國海軍試驗(yàn)光電噴射p型材料本征n型材料（PIN）開關(guān)技術(shù)，它將用于可重構(gòu)的天線。這項(xiàng)技術(shù)用光能改變PIN開關(guān)的狀態(tài)，其優(yōu)點(diǎn)是電流大，在開的狀態(tài)，電流通過，在關(guān)的狀態(tài)，信號(hào)完全斷絕，由低價(jià)格的光電二極管完成開與關(guān)之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。 
 
研究發(fā)展與工程中心也正在檢驗(yàn)相干共線天線技術(shù)。它采用聚焦發(fā)射能量而不是增加發(fā)射功率的方法，將通信系統(tǒng)的作用范圍增大50％，將天線的尺寸減小了90％。研究發(fā)展與工程中心還正在研究能有目的地抗干擾的天線和嵌入到軍用平臺(tái)中的能與其他通信設(shè)備公用一個(gè)天線的GPS系統(tǒng)。研究發(fā)展與工程中心研究的天線導(dǎo)線結(jié)構(gòu)重構(gòu)技術(shù)能顯著提高天線的效能，但是技術(shù)難度非常大，目前不可能實(shí)現(xiàn)。 
 
國防機(jī)載偵察辦公室（DARO）感興趣的是無人飛行器上的天線。無人飛行器有益于情報(bào)搜集，但是為了充分利用已有的信息，任一種普遍采用的無人飛行器上的天線必須能夠進(jìn)行空間通信。盡管目前的天線技術(shù)可以保障聯(lián)系，但是體積太大，不便于在一些無人飛行器上應(yīng)用。因此，DARO目前正致力研究小型天線，這種天線并不比UAV本身貴，數(shù)據(jù)傳遞率不僅能達(dá)到兆比特、幾十兆比特，而且能達(dá)到千兆比特。因?yàn)闊o人飛行器是機(jī)動(dòng)的，并且有可能和低軌道衛(wèi)星相互配合，所以天線必須能保持兩個(gè)獨(dú)立的波束。當(dāng)然，能與飛機(jī)上的天線相互作用的天基天線也是一個(gè)重要方面。 
 
2 有助于軍用天線的民用技術(shù) 
民航公司和電信公司為了向客戶提供擴(kuò)展服務(wù)，也在研究商業(yè)平臺(tái)上應(yīng)用的天線技術(shù)，它們與軍用平臺(tái)應(yīng)用的技術(shù)是相似的。 
 
國防機(jī)載偵察辦公室（DARD）也在關(guān)注著商用天線技術(shù)，以便找出那些已在進(jìn)行中的可用于滿足軍用標(biāo)準(zhǔn)的天線研究與發(fā)展項(xiàng)目。 
 
DARD考察的哈里斯（Harris）公司在天線技術(shù)研究方面有著悠久歷史，該公司的政府通信系統(tǒng)分部（GCSD）主要從事地基天線技術(shù)研制，政府空間通信系統(tǒng)分部（GASD）主要研究包括飛機(jī)和衛(wèi)星在內(nèi)的運(yùn)載平臺(tái)上的天線技術(shù)。公司在空間領(lǐng)域內(nèi)的專門研究可以追溯到50年代的Telstat和Minuteman計(jì)劃。目前，公司主要從事跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（TDRS）上用的可展開天線。TDRS用的可展開網(wǎng)狀天線直徑4.8米，折疊起來時(shí)體積很小，進(jìn)入軌道后，展開到全尺寸。鍍金的導(dǎo)線網(wǎng)充當(dāng)反射面，網(wǎng)格形狀精確，可以支持地區(qū)無線移動(dòng)通信系統(tǒng)。這種天線大區(qū)域內(nèi)電話、傳真和無線尋呼提供了技術(shù)保障。 
 
哈里斯公司最近在佛羅里達(dá)州棕櫚灣建成了天線結(jié)構(gòu)試驗(yàn)設(shè)施，設(shè)有一個(gè)對空間可展開網(wǎng)狀天線進(jìn)行無線電頻率試驗(yàn)的大型消聲室，它將用來測量天線對多種頻率干涉的靈敏度。 
 
哈里斯公司還發(fā)展和演示了用于機(jī)載的和航天器運(yùn)載的移動(dòng)通信的相控陣天線系統(tǒng)。該系統(tǒng)的最大掃描角為70度，數(shù)據(jù)傳送率為每秒1000兆赫。極高頻（EHF）硬件支持20～44千兆赫與Milstar相容的數(shù)據(jù)鏈路和60 千兆赫步幅交叉鏈路、全部的發(fā)射接收機(jī)、調(diào)制解調(diào)器和一個(gè)體積小于229立方厘米、重量小于300克的陣列天線。航天器上的K波段發(fā)射陣列是一個(gè)20千兆赫的發(fā)射陣列，具有高的數(shù)據(jù)速率，有效的天線單元和無線電頻率組件。多波束直接下行鏈路天線在X波段工作，采用70度的錐形掃描。這種相控陣系統(tǒng)也用于航空電子設(shè)備，包括安全的數(shù)據(jù)傳送和機(jī)載遙測系統(tǒng)。 
 
哈里斯公司當(dāng)前正為Ellipso系統(tǒng)開發(fā)通信有效負(fù)載，其中包括天線。Ellipso系統(tǒng)計(jì)劃在2000年投入使用，將包括工作在地球橢圓形軌道上的 17 顆低軌道人造衛(wèi)星。Ellipso系統(tǒng)將擴(kuò)展和完善現(xiàn)有的電話和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，為目前沒有電信基礎(chǔ)設(shè)施的國家提供通信能力。 
 
在地基系統(tǒng)中，哈里斯公司提供了能供前沿部署部隊(duì)使用的輕型多波段衛(wèi)星終端。最初的應(yīng)用是作為美國空軍的可部署的通信系統(tǒng)的一部分提供與美國本土和其他海外指揮中心之間的通信。終端可與所有美國和北約的X 波段及商用C波段和Ku 波段衛(wèi)星進(jìn)行通信，也能以同步雙波段方式同時(shí)與兩個(gè)衛(wèi)星一起工作，多通道數(shù)據(jù)速率可達(dá)每秒8.216兆位。該終端能部署在C-130、C-141、C-5和C-17運(yùn)輸機(jī)上，拖車式系統(tǒng)有軍用運(yùn)輸卡車、HMMWV和商用運(yùn)輸車輛牽引。 
 
哈里斯公司的集成多任務(wù)終端提供了將多個(gè)單獨(dú)的通信終端集合成單一集成系統(tǒng)的工具。這一終端的工作頻率范圍在1.7～11千兆赫之間。操作人員能從一個(gè)控制站選擇最多5個(gè)獨(dú)立且同步的通信鏈路，能對在工作頻帶范圍內(nèi)建立的每一個(gè)通信鏈路設(shè)置不同的頻率、數(shù)據(jù)速率和調(diào)制類型，同時(shí)執(zhí)行5個(gè)分立天線終端系統(tǒng)的任務(wù)。設(shè)計(jì)了可進(jìn)行移動(dòng)通信的地基的和船載的相控陣天線。在工作過程中，終端探測動(dòng)態(tài)滾動(dòng)、俯仰和偏航并對波束的每一個(gè)瞄準(zhǔn)角進(jìn)行補(bǔ)償，以便保持通信鏈路的閉合。能用膝上個(gè)人計(jì)算機(jī)控制全部功能。 
 
哈里斯公司的高級(jí)項(xiàng)目經(jīng)理認(rèn)為，天線技術(shù)的未來發(fā)展方向是Ka波段和V波段的高頻相控陣天線，軍事和商業(yè)用戶的日益增加的需求將大大推動(dòng)這些技術(shù)發(fā)展。

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