一种降低卫星动中通多子阵天线高度的方法与流程

本发明属于卫星通信系统天线设计技术领域，涉及一种降低卫星动中通多子阵天线高度的方法。

背景技术：

随着卫星通信技术的迅猛发展，动中通卫星通信系统已成为一种实现宽带移动通信的有效手段，在突发公共事件处理、应急指挥、信息实时传递等领域中发挥着非常重要的作用。

动中通需要安装于载体的顶部才能实现与赤道上空的地球同步轨道卫星进行通信，由于传统的抛物面动中通系统的天线高度较高，载体的机动性和通过性受到风阻与涵洞、桥梁高度等因素的制约。为此，抛物面动中通地球站在应用时往往对载体进行结构改装，有的系统在安装时还要在车顶上挖洞或开槽，该方法破坏了载体的完整性，使得系统的推广应用受到很大的限制。

低轮廓动中通不需要在载体顶部挖洞或开槽，对载体外观改动少，可保持载体外观的完整性；另外，安装低轮廓动中通的载体运动过程中产生的风阻小，遇到陆地上的桥梁、涵洞时可通过性好；战场中采用低轮廓动中通的作战单元战场隐蔽性强，信息传输保密性高，能极大地增强其战场生存能力。

当前低轮廓动中通大部分采用平板天线。综合国外平板天线动中通的发展，降低平板天线动中通高度的技术方法主要有电子相控阵体制、波束预倾斜技术、多子阵技术和机械相控阵等，其中电子相控阵体制的平板天线造价较高，波束预倾斜技术一般只能适用于纬度跨度较小的国家和地区，不适合我国国情，而多子阵技术是目前国外低轮廓平板天线动中通降低天线高度的主要技术途径。

与一般的相控阵天线相比，多子阵相控阵天线中的各子阵并不在同一平面上。由于多子阵相控阵天线口径的离散性，其天馈系统的设计与优化存在着不少难点。

已公开的卫星动中通多子阵天线技术的情况如下：

1、俯仰机扫的可调间距多子阵相控阵天线。以色列Starling公司的MIJET天线及美国RaySat公司的SpeedRay3000动中通天线都属于这种类型，该类天线的子阵间距及子阵俯仰角可随着仰角进行调整，其天线性能好，成本高，一般能实现高速双向通信。由于调节子阵间距的成本会随着子阵数的增多而成倍的增大，因此该类天线所用的子阵数量较少，方向图主瓣宽度较宽。

2、俯仰机扫的固定间距多子阵相控阵天线。韩国ETRI的MANT天线及美国RaySat公司的SpeedRay1000动中通天线都属于这种类型，其中SpeedRay1000是一个单收的动中通系统，其天线结构与SpeedRay3000动中通基本相同，但其售价仅为SpeedRay3000动中通的1/3左右。由于子阵间距固定，该类天线在进行俯仰维扫描时天线的有效口径会变化，与可调间距的天线相比，其天线性能较差，但天线成本也相对较低。

3、俯仰电扫的固定间距多子阵相控阵天线。瑞士JAST的Hisat天线就属于这种类型，由于在俯仰维上采用电子扫描，子阵方向图的主瓣宽度会影响天线的扫描范围，因此该类天线所用的子阵数量较多，子阵宽度较窄。

综上所述，上述三类天线的子阵都采用等宽度的均匀阵列，这种设计无法有效降低天线的峰值旁瓣，不利于提高天线的性能，因此需要一种星动中通多子阵天线高度较低、性能优良的技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种降低卫星动中通多子阵天线高度的方法，该方法能够有效的降低卫星动中通多子阵天线的高度，并且卫星动中通多子阵天线的性能优良。

为达到上述目的，本发明所述的降低卫星动中通多子阵天线高度的方法包括以下步骤：

给多子阵天线中的子阵各辐射单元连接长度不同的延时线，使子阵波束的指向与子阵平面法线方向的夹角为γ，并且γ方向的来波信号在子阵天线单元间的波程差采用延迟补偿，使各天线单元信号叠加后在γ方向达到最大；

调节多子阵天线中各子阵单元的宽度，其中，多子阵天线中各子阵单元的宽度逐渐增大。

γ方向的来波信号在子阵的第一天线单元与第n天线单元之间的相位差φ_n为：φ_n＝(n-1)kd_xsinγ，n＝1…N,则子阵天线的方向图为：

其中，θ为来波信号与z轴的夹角，为来波信号与x轴的夹角；dx为x轴方向上辐射单元的间距，dy为轴y方向上辐射单元的间距，k为来波信号的自由空间波数，N及M分别为天线板板宽方向上的阵元数及天线板板长方向的阵元数，a_n(n＝1...N)、a_m(m＝1...M)分别为天线板板宽方向上阵元的分离加权系数及天线板板长方向上阵元的分离加权系数，为阵元方向图，exp为指数函数。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的降低卫星动中通多子阵天线高度的方法采用子阵预倾斜方法，通过给多子阵天线中的子阵各辐射单元连接长度不同的延时线，使子阵波束的指向与子阵平面法线方向的夹角为γ，使天线板与水平面的夹角β降低，从而降低天线的高度，同时本发明采用不等宽子阵技术提高多子阵天线的性能，具体的，通过调节多子阵天线中各子阵单元的宽度，其中，多子阵天线中各子阵单元的宽度逐渐增大，需要说明的是，在多子阵天线中，多子阵天线的峰值旁瓣电平是由各子阵单元的间距决定的，本发明采用不等宽子阵技术可以有效克服子阵单元等间距分布引起的天线方向图周期性，有利于降低卫星动中通多子阵天线的峰值旁瓣电平，进而提高多子阵天线的性能。

附图说明

图1为本发明中子阵预倾斜方法的原理图；

图2为本发明中实现子阵预倾斜方法的馈线网络结构；

图3为本发明中不等宽子阵技术的原理示意图；

图4为本发明第一个实施例中子阵预倾斜不同角度时天线的主瓣宽度变化示意图；

图5为本发明第一个实施例中子阵预倾斜不同角度时天线的峰值旁瓣电平变化示意图；

图6为本发明第二个实施例中采用不等宽子阵技术时多子阵天线的主瓣宽度变化示意图；

图7为本发明第二个实施例中采用不等宽子阵技术时多子阵天线的峰值旁瓣电平变化示意图；

图8为本发明第二个实施例中采用等宽子阵的多子阵天线方向图；

图9为本发明第二个实施例中不等宽子阵技术时的多子阵天线方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1、图2及图3，本发明所述的降低卫星动中通多子阵天线高度的方法包括以下步骤：

给多子阵天线中的子阵各辐射单元连接长度不同的延时线，使子阵波束的指向与子阵平面法线方向的夹角为γ，并且γ方向的来波信号在子阵天线单元间的波程差采用延迟补偿，使各天线单元信号叠加后在γ方向达到最大；

调节多子阵天线中各子阵单元的宽度，其中，多子阵天线中各子阵单元的宽度逐渐增大。

γ方向的来波信号在子阵的第一天线单元与第n天线单元之间的相位差φ_n为：φ_n＝(n-1)kd_xsinγ，n＝1…N,则子阵天线的方向图为：

其中，θ为来波信号与z轴的夹角，为来波信号与x轴的夹角；dx为x轴方向上辐射单元的间距，dy为轴y方向上辐射单元的间距，k为来波信号的自由空间波数，N及M分别为天线板板宽方向上的阵元数及天线板板长方向的阵元数，a_n(n＝1...N)、a_m(m＝1...M)分别为天线板板宽方向上阵元的分离加权系数及天线板板长方向上阵元的分离加权系数，为阵元方向图，exp为指数函数。

实施例一

多子阵天线的子阵阵元数量Q＝10，子阵内的阵元数量N＝2，子阵间距D＝4.8cm，天线的工作频率f₀＝12.5GHz，天线的俯仰扫描范围[20°,70°]，子阵单元的预倾斜角度γ＝0°、10°、20°及40°。

当α＝40°时，若波束预倾斜角度γ＝10°，则天线板的高度可以降低16％，不同预倾斜角度下的多子阵相控阵天线主瓣宽度和峰值旁瓣电平变化如图4及图5所示，子阵预倾斜技术对多子阵天线的主瓣宽度影响不大，但可以显著降低仰角时的天线峰值旁瓣电平，有利于天线性能的提升。高仰角时，受子阵间遮挡的影响，峰值旁瓣电平改善不显著，预倾斜角度较大时还会抬升峰值旁瓣，因此波束预倾斜的角度不宜过大。

实施例二

多子阵天线的子阵阵元数量Q＝10，阵元间距dx＝1.44cm，天线工作频率f₀＝12.5GHz，天线俯仰扫描范围[20°,70°]：

a)各子阵单元等宽时，N_q＝2，q＝1,2,…9,10，其中，q为子阵单元的序号；

b)各子阵单元的宽度递增指数为1时，N_q＝4，q＝1,2；N_q＝3，q＝4,3；N_q＝2，q＝5,6,7。

采用不等宽子阵技术的多子阵天线的阵元总数量与等宽结构的天线相同，即天线口径一致，理论上本发明设计的天线与等宽结构的天线具有相同的天线增益，因此其主瓣宽度基本相同，如图6所示的主瓣宽度；从图7中可知，采用不等宽子阵技术可以显著降低多子阵天线的峰值旁瓣电平，尤其是高仰角时的峰值旁瓣。

对比图8及图9，采用不等宽子阵技术的天线结构克服了子阵单元方向图中的周期性，显著降低了天线的峰值旁瓣电平。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。