专利名称：移动卫星通信多子阵平板天线阵及其优化方法
技术领域：
本发明涉及一种移动卫星通信用多子阵天线阵，尤其是涉及一种移动卫星通信多 子阵平板天线阵及其优化方法。
背景技术：
动中通卫星通信系统是指移动载体(例如汽车、火车、飞机、轮船等)在快速运行 过程中实现与目标卫星(静止或定点卫星，即同步轨道卫星)实时通信的系统。实际工作 中，因为目标卫星距地面的距离很远(约4万公里)，要实现卫星与地面载体间高码速率的 多媒体通信，就必须采用高增益天线。由于这种天线的波束宽度很窄，要保证载体在快速 移动过程中能够正常且不间断地与卫星通信，则必须使其天线波束始终准确地对准卫星。 移动卫星通信按其所采用的天线类型大体可分为两类反射面天线动中通和平板天线动中 通。目前，国内研制的动中通系统大多都是反射面天线动中通，其体积较大，天线高度较高， 不能完全满足车载环境下的使用，现如今天线的高度问题已经极大地限制了动中通卫星通 信系统的推广。相比之下，平板天线动中通由于其结构上的优势，可以在很低的天线高度情 况下保持较高的天线增益。多子阵技术是平板天线动中通降低天线高度的一种主要方法。由于多子阵平板天 线阵本身的离散口径，天线的性能受到了很大的影响，副瓣电平较高，同时由于分板后的孔 径渡越时间较长，使得天线的瞬时信号带宽较小。综上，平板天线动中通具有高度上的明显 优势，能够满足各种移动载体对其小型化和易安装的使用要求，与单个平板天线相比，多子 阵平板天线阵主要带来两个问题一个是天线方向图特性变差与副瓣电平抬升，另一个是 天线的瞬时信号带宽变小。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构设计 合理、高度低、重量轻、造价较低且使用效果好、安装布设方便、可方便安装于各种移动载体 上的移动卫星通信多子阵平板天线阵。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种移动卫星通信多子阵平板 天线阵，其特征在于包括多个平板天线子阵、供多个所述平板天线子阵安装的天线转台和 分别连接在各平板天线子阵的辐射单元与信号收发端口之间的多个馈线系统，多个所述平 板天线子阵平行安装在天线转台上且多个所述平板天线子阵对准目标卫星的目标仰角均 相同；所述馈线系统包括与所述信号收发端口相接的移相器以及接在平板天线子阵的辐射 单元与移相器之间的多套延迟线，所述平板天线子阵的数量为Q个且相邻两个平板天线子 阵之间的间距为払其中i = 1、2、3... 0_1，且屯表示Q个平板天线子阵中第i个平板天线 子阵与第i+Ι个平板天线子阵之间的间距；所述延迟线的套数与对平板天线子阵的扫描范 围进行均勻分区后的扫描分区个数相同。上述移动卫星通信多子阵平板天线阵，其特征是所述天线转台包括支架和通过转轴安装在支架上的转盘，多个所述平板天线子阵均安装在转盘上。上述移动卫星通信多子阵平板天线阵，其特征是所述馈线系统还包括低噪声放 大器和接在移相器与所述信号接收端口之间的功率合并器，所述低噪声放大器接在平板天 线子阵的辐射单元与延迟线之间。上述移动卫星通信多子阵平板天线阵，其特征是所述平板天线子阵中包含工作 在不同频段上的多个天线单元。上述移动卫星通信多子阵平板天线阵，其特征是所述移相器与对其相移量进行 控制调整的激励器相接，所述激励器与由主控制器进行控制的波束控制器相接，且所述波 束控制器和所述激励器组成以电扫描方式对平板天线子阵的俯仰方向进行控制的俯仰控 制单元。上述移动卫星通信多子阵平板天线阵，其特征是安装在平板天线子阵上的方位 轴通过传动机构与由伺服控制器进行控制的方位电机相接，所述伺服控制器与主控制器相 接且由主控制器进行控制，所述方位电机与所述伺服控制器相接，且所述伺服控制器为以 机械扫描方式对平板天线子阵的方位方向进行控制的方位控制单元。同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、实现方便且优化效果好、能有效降低平 板天线的副瓣电平并提高平板天线的瞬时信号带宽的移动卫星通信多子阵平板天线阵优 化方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤一、参数设置通过与运算处理器相接的参数设置单元对所述运算控制器的 初始控制参数dmin、D和P进行控制，其中dmin为相邻两个平板天线子阵之间间距Cli的最小 值，D为多个平板天线子阵中相邻两个平板天线子阵之间的间距Cli之和，ρ为平板天线子阵 的扫描范围进行均勻分区后的扫描分区个数且所述延迟线的套数为P，平板天线子阵的扫 描范围为[αΑ，αΒ]；同时，还需对由多个平板天线子阵所组成的平板天线阵的中心频率& 进行设置；步骤二、采用运算处理器进行天线子阵间距优化，其优化过程如下201、建立间距优化数学模型所建立的间距优化数学模型为
且优化条件为 j @ , ,其中 i = 1、2、
3... Q-I并按空间顺序对Q个平板天线子阵进行一一编号，Q为平板天线子阵的数量；其中 a e [aA, aB]且α表示[a A，a B]内任一角度，PSLL ( a )为各平板天线子阵的目标仰角 为α时所述平板天线阵的峰值旁瓣电平；由于多个所述平板天线子阵的俯仰维上所包含天线单元的数量相同，每个平板天 线子阵的俯仰维上的所有天线单元均为均勻布设且多个所述平板天线子阵的俯仰维上的 相邻两个天线单元的间距均相同，则多个所述平板天线子阵的天线方向图函数均相同且均 为[(θ，+、，…，(V1，a)；相应地，所述平板天线阵的天线方向图函数F( θ，屯，屯，…， C^1，α) =Ε(Θ) .f^e,^,^,…，(V1，α)；式中，Ε(θ)为平板天线子阵在俯仰维上的
方向图函数，且
其中，七为平板天线子阵的俯仰
维上的相邻两个天线单元之间的间距，N为平板天线子阵的俯仰维上所包含天线单元的数量，k = 2 η/λ = 2π(3/ ·为来波信号的自由空间波数，c为光速，f为所述平板天线阵的通 信频率，exp为指数函数，e( θ )为所述天线单元的方向图函数，η = 1、2、3. ..N；当多个所述平板天线子阵的俯仰角度可调时，安装在平板天线子阵上的俯仰轴 通过传动机构与由伺服控制器进行控制的俯仰电机相接，且所述俯仰电机与所述伺服控 制器相接，所述伺服控制器与主控制器相接且由主控制器进行控制；所述俯仰轴为转轴；
此时，函数 仪 d,, d,·.’ dQ—,，= Σ cq ■ qxWj (^q ( ) + k cos(a + θ-π 12)·^ dt_x)],
式中Cli表示第i个平板天线子阵与第i+1个平板天线子阵的间距且Cltl = 0，相 应地dH表示第i-Ι个平板天线子阵与第i个平板天线子阵的间距， 为第q个 平板天线子阵的幅度加权，θ为扫描角且0彡θ ( π，φ (α )为第q个平
板天线子阵的馈电网络提供的移相量，且二-Lcosi^tdw，q = 1、2、
1=1
3...Q，k = 2π/λ = 2 π c/f, α为平板天线子阵的目标仰角；而当多个所述平 板天线子阵的俯仰角度均固定不变且各平板天线子阵的俯仰角度均为β时，函数
f；(钛 d,, d2’.··，Ci^1, ) = I； cq · expfXO^ (a) + k cos(^ + θ-π/2)·^ dt_x)]； 所述平板天线阵的天线方向图中的峰值旁瓣电平可表示为函数
为修正常数，FFmax为主瓣峰值且FF· = !!^!^^，+，*，...，‘，α) |}；
202、峰值旁瓣电平求解采用运算处理器且根据步骤201中所建立的间距优化数
d, > d
学模型为 PSLL(a) = f (ClljCl2,…，C^1，a )，求出在]
"mm
^j n且各平板天线子阵的目标仰 .i=l
角为α条件下，所述平板天线阵的峰值旁瓣电平和峰值旁瓣电平对应的相邻两个平板天 线子阵之间的间距Cli ；203、优化目标确定所确定的优化目标函数为minS = J Aax B](PSLL ),且所述优化目标函数表示以求出的[αΑ，αΒ]内最
大的峰值旁瓣电平达到最小值为优化目标，此时的峰值旁瓣电平及对应的最优子阵间距根 据步骤202中所述的峰值旁瓣电平及子阵间距求解方法进行求解；204、数据输出输出步骤203中在满足优化目标条件下，所求解出的最优天线子 阵间距；205、按照步骤204中所输出的最优天线子阵间距对多个所述平板天线子阵进行 布设；步骤三、采用运算处理器进行延迟线长度优化，其优化过程如下301、分区将所述平板天线阵的扫描范围即区间[α Α，α Β]均勻划分为P个扫描分 区，并相应推算出各扫描分区内平板天线子阵的目标仰角的上限值和下限值，所划分成的P 个扫描分区分别与P套延迟线一一对应；
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302、延迟线最优长度求解对ρ套延迟线的最优长度分别进行求解，且对ρ套延迟 线的最优长度的求解方法均相同，当目标位置位于任一扫描分区时，则平板天线子阵中的 馈线系统自动切换至与当前扫描分区相对应的一套延迟线；对与当前扫描分区相对应的延 迟线的最优长度进行求解时，其求解过程如下3021、移相器的相移量为零时所述平板天线阵的天线波束指向角度α ^求解所述
运算处理器根据公式JJA_丨知)_Q计算得出α ^，式中α 3和CIb分别为
步骤301中所推算出的与当前所优化延迟线相对应的扫描分区内平板天线子阵的目标仰
角的上限值和下限值，Αα = Λ·丄λ/、·~^，其中Δ f为所述平板天线阵的当前通信频率
与中心频率&之间的频率偏差值，f0为所述平板天线阵的中心频率； 3022、最优长度求解所述运算处理器根据公式,t；计算得出与第i个
平板天线子阵相接且与当前扫描分区相对应的延迟线的长度，式中，ε r为延迟线的相对介 电常数，Iq = 0即最后一个平板天线子阵不采用延迟线，其中i = 1、2、3. . . Q-I ；3023、重复步骤3021和3022，相应分别计算得出分别与各平板天线子阵(1)相接 的P套延迟线的长度；303、结果输出输出步骤3022中计算得出的各平板天线子阵相接的P套延迟线的 长度；304、按照步骤303中所输出的各平板天线子阵相接的P套延迟线的长度对各延迟 线进行布设。上述移动卫星通信多子阵平板天线阵优化方法，其特征是步骤201中建立间 距优化数学模型时，所建立的间距优化数学模型为Cli = dmin+yi，且建立间距优化数学模 型之前，首先利用随机向量生成方法生成一组实数Xi且\彡0，其中i = 1、2、3...Q-1，
fx, ·ηηΦθ
Q为平板天线子阵的数量；式中只M&q)—< η= 其中η为比例系数且
O-I
Yx,
M相应地根据所建立的间距优化数学模型为Cli = dmin+yi即可推算得出子
m,
阵间距。上述移动卫星通信多子阵平板天线阵优化方法，其特征是所述随机向量生成方 法为利用函数rand()生成一组随机实数。本发明与现有技术相比具有以下优点1、所采用的多子阵平板天线阵结构简单、体积小高度低、重量轻、造价较低且使用 效果好，天线的馈线系统至少包括移相器和延迟线。其中移相器用于调整各个子阵的移相 值，实现多子阵天线的信号合成；延迟线用于提高天线的瞬时信号带宽。2、安装布设方便，可方便安装于各种移动载体上。
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3、优化方法设计合理，实现方便，主要针对多子阵平板天线阵的天线方向图特性 变差与副瓣电平抬升和天线的瞬时信号带宽变小两大问题进行优化，通过采用优化算法对 多子阵平板天线阵的子阵间距进行优化设计，以降低天线的副瓣电平，提高天线性能；同时 通过在天线的馈线网络中加入多套延迟线，对天线的波束扫描范围进行分区，并相应采用 切换波束技术提高天线的瞬时信号带宽。优化后的多子阵平板天线阵中的子阵间距不是 一般的均勻间距，而是采用优化算法对多子阵平板天线阵的子阵间距进行优化设计。在进 行间距优化时，通过对子阵间距的最小值进行设定，达到防止子阵间相互遮挡的实际问题， 且在进行间距优化时，需考虑整个扫描范围内的天线方向图，综上，为改善天线的峰值旁瓣 电平(PSLL)，采用优化算法对天线的子阵间距进行优化；为了防止子阵间的相互遮挡，必 须对子阵间距的最小值进行设定；同时天线子阵的间距之和D影响多子阵平板天线阵的尺 寸，因此进行子阵间距优化需在子阵间距之和D固定的情况下，即必需满足口径约束。同时，为提高多子阵平板天线阵的瞬时信号带宽，需采用群延时相同的延迟器件， 采用多套延迟线可明显提高天线的瞬时信号带宽。为此，将天线的扫描范围进行分区，在每 一分区内采用一套延迟线，此称为切换波束技术。在分区方法上，可采用分区范围大小相同 的原理进行；而延迟线的长度选取可按波束在扫描范围内的指向偏差平均值达到最小的原 则进行选取，也可由优化算法进行设置。4、优化效果好且实用价值高，采用本发明对平板天线的子阵间距进行优化后，天 线的峰值旁瓣电平得到了有效降低，而天线方向图的改善也比采用辐相加权的方法要好得 多；同时通过对延迟线长度进行优化，有效提高了天线的瞬时信号带宽，因而本发明能有效 提高多子阵平板天线阵的天线性能。5、适用范围广，推广应用前景广泛。综上所述，本发明结构简单、重量轻、高度低、成本低且安装布设方便，所采用的优 化方法设计合理且实现方便，能有效解决多子阵平板天线阵的天线方向图特性变差与副瓣 电平抬升和天线的瞬时信号带宽变小两大实际问题。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明移动卫星通信多子阵平板天线阵的结构示意图。图2为本发明移动卫星通信多子阵平板天线阵的工作原理图。图3为采用本发明优化方法对天线子阵间距进行优化前后天线方向图的对比示 意图。图4为采用本发明优化方法对天线子阵间距进行优化前后天线副瓣电平的对比 曲线示意图。图5为采用本发明优化方法对移动卫星通信平板天线子阵的扫描范围进行分区 时的空间区域示意图。图6为本发明移动卫星通信多子阵平板天线阵优化方法的流程框图。附图标记说明1-平板天线子阵；2-天线转台；2-1-转盘；2-2-支架；2-3-转轴；3-馈线系统；
3-1-移相器； 3-2-延迟线；3-3-低噪声放大器；3-4-功率合并器。
具体实施例方式如图1、图2所示的一种移动卫星通信多子阵平板天线阵，包括多个平板天线子阵 1、供多个所述平板天线子阵1安装的天线转台和分别连接在各平板天线子阵1的辐射单元 与信号收发端口之间的多个馈线系统3，多个所述平板天线子阵1平行安装在天线转台上 且多个所述平板天线子阵1对准目标卫星的目标仰角均相同。所述馈线系统3包括与所述 信号收发端口相接的移相器3-1以及接在平板天线子阵1的辐射单元与移相器3-1之间的 多套延迟线3-2，所述平板天线子阵1的数量为Q个且相邻两个平板天线子阵1之间的间距 为屯，其中i = 1、2、3. . . 0_1，且屯表示Q个平板天线子阵1中第i个平板天线子阵1与第 i+1个平板天线子阵1之间的间距。所述延迟线3-2的套数与对平板天线子阵1的扫描范 围进行均勻分区后的扫描分区个数相同。本实施例中，所述天线转台包括支架2-2和通过转轴2-3安装在支架2_2上的转 盘2-1，多个所述平板天线子阵1均安装在转盘2-1上。同时，Q个所述平板天线子阵1由 左至右依次布设在转盘2-1上，且由左至右分别对Q个平板天线子阵1由1#、2#至Q#进行 连续编号。所述馈线系统3还包括低噪声放大器3-3和接在移相器3-1与所述信号接收端口 之间的功率合并器3-4，所述低噪声放大器3-3接在平板天线子阵1的辐射单元与延迟线 3-2之间。多个所述平板天线子阵1中所包含天线单元的数量相同，且所述平板天线子阵1 中包含工作在不同频段上的多个天线单元。所述移相器3-1与对其相移量进行控制调整的激励器相接，所述激励器与由主控 制器进行控制的波束控制器相接，且所述波束控制器和所述激励器组成以电扫描方式对平 板天线子阵1的俯仰方向进行控制的俯仰控制单元。另外，安装在平板天线子阵1上的方 位轴通过传动机构与由伺服控制器进行控制的伺服电机相接，所述伺服控制器与主控制器 相接且由主控制器进行控制，且所述伺服控制器为以机械扫描方式对平板天线子阵1的方 位方向进行控制的方位控制单元。实际使用过程中，所述平板天线子阵1的方位方向上是通过绕wl轴(即转轴2-3) 转动转盘2-1来改变所述平板天线天线波束的方位指向，而所述平板天线天线波束的俯仰 指向主要是通过将各平板天线子阵1绕w2轴的同步转动来实现的，其中α为对星仰角(即 所述目标阳角)，表示卫星信号方向与转盘2-1的上表面之间的夹角，各平板天线子阵1应 转动到天线波束指向与α角平行的位置。如图6所示的一种移动卫星通信多子阵平板天线阵优化方法，包括以下步骤步骤一、参数设置通过与运算处理器相接的参数设置单元对所述运算控制器的 初始控制参数dmin、D和ρ进行控制，其中dmin为相邻两个平板天线子阵1之间间距Cli的最 小值，D为多个平板天线子阵1中相邻两个平板天线子阵1之间的间距Cli之和，ρ为平板天 线子阵1的扫描范围进行均勻分区后的扫描分区个数且所述延迟线3-2的套数为p，平板天 线子阵1的扫描范围为[αΑ，αΒ]；同时，还需对由多个平板天线子阵1所组成的平板天线 阵的中心频率fC1进行设置；
步骤二、采用运算处理器进行天线子阵间距优化，其优化过程如下201、建立间距优化数学模型所建立的间距优化数学模型为
且优化条件为
,其中
并按空间顺序对Q个平板天线子阵1进行一一编号，Q为平板天线子阵1的数量；其中 a e [aA, aB]且α表示[a A，a B]内任一角度，PSLL( a )为各平板天线子阵1的目标仰 角为α时所述平板天线阵的峰值旁瓣电平最小值。由于多个所述平板天线子阵1的俯仰维上所包含天线单元的数量相同，每个平板 天线子阵1的俯仰维上的所有天线单元均为均勻布设且多个所述平板天线子阵1的俯仰维 上的相邻两个天线单元的间距均相同，则多个所述平板天线子阵1的天线方向图函数均相 同且均为f α ( θ，Cl1, d2，…，(V1，a )；相应地，所述平板天线阵的天线方向图函数F( θ，Cl1, d2，…，(V1，α) = Ε(θ) · fa (θ , Cl1, d2,…，(V1，a )；式中，Ε( θ )为平板天线子阵 1 在
俯仰维上的方向图函数，且E i0) = Q (0)-Xexp (j.k.n.dx.C0S扔,其中，dx为平板天线
子阵1的俯仰维上的相邻两个天线单元之间的间距，N为平板天线子阵1的俯仰维上所包 含天线单元的数量，k = 2 π / λ = 2 π c/f为来波信号的自由空间波数，c为光速，f为所述 平板天线阵的通信频率，exp为指数函数，e( θ )为所述天线单元的方向图函数，η = 1、2、 3. . . N ；当多个所述平板天线子阵1的俯仰角度可调时，安装在平板天 线子阵1上的俯仰轴通过传动机构与由伺服控制器进行控制的俯仰电 机相接，且所述俯仰电机与所述伺服控制器相接，所述伺服控制器与主 控制器相接且由主控制器进行控制；所述俯仰轴为转轴2-3 ；此时，函数
中di表示第i个平板天线子阵1与第i+Ι个平板天线子阵1的间距且Cltl = 0，相应 地dH表示第i_l个平板天线子阵1与第i个平板天线子阵1的间距，Cq为第q个 平板天线子阵1的幅度加权，θ为扫描角且0彡θ ( π, Oq(a)为第q个平板天
线子阵1的馈电网络提供的移相量，且
i=l
k = 2π/λ = 2 π c/f, α为平板天线子阵1的目标仰角；而当多个所述平板天线 子阵1的俯仰角度均固定不变且各平板天线子阵1的俯仰角度均为β时，函数
Qq 所述平板天线阵的天线方向图中的峰值旁瓣电平可表示为函数
FFmax
，此时I
COS0 >
Cn/l
.式中 Ctl
Dcos α
为修正常数，FFmax为主瓣峰值且FF· = !!^!^^，+，*，…，(！射，α)|}。 综上，当平板天线子阵1的俯仰角不可调时，采用纯相扫方式合成俯仰波束；而当平板天线子阵1的俯仰角可调时，采用的是机械扫描与相扫的方式来合成俯仰波束，其中 机械扫描指用安装在平板天线子阵1上的俯仰电机对俯仰角度进行调整，相扫指采用移相 网络(即移相器3-1和延迟线3-2)对俯仰角度进行调整。由于单个平板天线子阵1在俯仰维上的天线方向图与直线阵的方向图是相 同的，因而当平板天线子阵1在俯仰维的天线单元间距是均勻分布，且不考虑俯仰维 上各天线单元各自的电环境差异时，其平板天线子阵1俯仰维上的方向图可表示为
,式中θ为扫描角且其表示在平板天线子阵1的
阵俯仰维上与子阵平面之间的夹角。所述平板天线阵的方向图由各平板天线子阵ι的天线 方向图合成得到，卫星信号在各平板天线子阵1之间所形成的空间相位差由馈电网络进行 补偿。当平板天线子阵1的俯仰角可调时，对各平板天线子阵1所接收的信号进 行合成，假设各平板天线子阵1的天线方向图函数是相同的，则平板天线阵的方向图 可表示为 F( θ，Cl1, d2，…，(V” α) = Ε(θ) · fa (θ，d” d2，···，(V1, a)，上式中
第q个平板天线子阵1后移相网络提供的移相值(由延迟线3-2和移相器3-1共同作用得
到)，若不考虑移相器3-1的量化效应，则可表示成
当平
板天线子阵1的俯仰角不可调时，且其俯仰角均为β时，若令β = 45° (此时β与目标 仰角α相同)，而a ( 天线波束扫描范围。另外，修正常数Ctl与平板天线子阵1中具体的幅度加权(V平板天线子阵1的俯 仰维上的天线单元间距和天线单元的数量相关，当Cq = 1 (其中i = 1、2、3. . . Q)时通常可 取 C0 = 1. 5。202、峰值旁瓣电平最小值采用运算处理器且根据步骤201中所建立的间距优化
数学模型为PSLL(6) = f(di; d2，…，(V1，a)，求出在
且各平板天线子阵1的目
标仰角为α条件下，所述平板天线阵的峰值旁瓣电平和峰值旁瓣电平对应的相邻两个平 板天线子阵1之间的间距屯。203、优化目标确定所确定的优化目标函数为
所述优化目标函数表示以求出的[αΑ，αΒ]内最大的峰值旁瓣电平达到最小值为优化目 标，此时的峰值旁瓣电平及对应的最优子阵间距根据步骤202中所述的峰值旁瓣电平及子 阵间距求解方法进行求解。204、数据输出输出步骤203中在满足优化目标条件下，所求解出的最优天线子 阵间距。205、按照步骤204中所输出的最优天线子阵间距对多个所述平板天线子阵1进行 布设。步骤三、采用运算处理器进行延迟线长度优化，其优化过程如下
301、分区将所述平板天线阵的扫描范围即区间[αΑ，α Β]均勻划分为ρ个扫描 分区，并相应推算出各扫描分区内平板天线子阵1的目标仰角的上限值和下限值，所划分 成的P个扫描分区分别与P套延迟线3-2 —一对应；302、延迟线最优长度求解对ρ套延迟线3-2的最优长度分别进行求解，且对ρ套 延迟线3-2的最优长度的求解方法均相同，当目标位置位于任一扫描分区时，则平板天线 子阵1中的馈线系统3自动切换至与当前扫描分区相对应的一套延迟线3-2 ；对与当前扫 描分区相对应的延迟线3-2的最优长度进行求解时，其求解过程如下3021、移相器3-1的相移量为零时所述平板天线阵的天线波束指向角度求解
■运惹式MICaqH+ICAada\) 。—, %，式中％和％分
别为步骤301中所推算出的与当前所优化延迟线3-2相对应的扫描分区内平板天线子阵1
的目标仰角的上限值和下限值，Δα= \\ .~Μ，其中Δ f为所述平板天线阵的当前
通信频率与中心频率fo之间的频率偏差值，fo为所述平板天线阵的中心频率； 3022、最优长度求解所述运算处理器根据公式/计算得出与第i
个平板天线子阵1相接且与当前扫描分区相对应的延迟线3-2的长度，式中，ε r为延迟线 3-2的相对介电常数，Iq = 0即最后一个平板天线子阵1不采用延迟线3-2，其中i = 1、2、 3. · · Q-I ；3023、重复步骤3021和3022，相应分别计算得出分别与各平板天线子阵1相接的 P套延迟线3-2的长度；303、结果输出输出步骤3022中计算得出的各平板天线子阵1相接的P套延迟线 3-2的长度。304、按照步骤303中所输出的各平板天线子阵1相接的P套延迟线3_2的长度对 各延迟线3-2进行布设。实际操作过程中，步骤201中建立间距优化数学模型时，所建立的间距优化 数学模型为Cli = dmin+yi，且建立间距优化数学模型之前，首先利用随机向量生成方法 生成一组实数Xi且Xi彡0，其中i = 1、2、3...Q-1，Q为平板天线子阵1的数量；式中
(H
ν = χ·*η—其中η为比例系数且“―相应地根据所建立本实施例中，所述随机向量生成方法为利用函数rand()生成一组随机实数，具体 是采用X = rand(l, Q-1)生成一组随机实数，且rand (1，Q-1)生成的为1与Q-I的向量且 满足1彡Xi彡0。对于一个包括8个平板天线子阵1的平板天线，以子阵间距作为变量，通过上述 改进的遗传算法对其进行优化调整，仿真条件为最小子阵间距dmin = 69. 1mm，子阵间距之 和D = 60cm，天线扫描范围的上限和下限分别为CIa = 20°，αΒ = 70°，优化前的子阵间 距均相同即Cli = 85. 7mm(i = 1,2,…，7)，优化后的子阵间距为吨到d7分别为70. 2mm、 71. lmm、83. 3mm、69. lmm、115. 0mm,70. 4mm和120. 9mm。同时，通过仿真试验对该平板天线优 化前后的天线方向图和副瓣电平进行比较，详见图3和图4，图3和图4中虚线表示优化前 的天线方向图和副瓣电平，实线表示优化后的天线方向图和副瓣电平，通过对比可以看出， 子阵间距优化对天线性能的提升效果是非常明显的。图4中横坐标为仰角，图3是一个当 对星仰角α =60°时的天线方向图，注意到天线的主瓣位于横坐标为60°处。结合图5，将所述平板天线阵的扫描范围即区间[αΑ，αΒ]均分成ρ个扫描分区，且 P个扫描分区依次为Si、S2. . . SP，其中第P个扫描分区对应采用第P套延迟线3-2。当目标 卫星位于Sp区域时，馈线系统自动切换使用第ρ套延迟线3-2以实现信号合成。其中，延迟 线3-2的长度可按天线波束在各扫描分区内的指向偏差平均值达到最小的原则进行选取。实际使用过程中在所述平板天线阵的扫描范围内，若仅采用一套延迟线3-2则可 以提高天线的瞬时信号带宽，并相应降低由信号频率变化引起的波束指向偏差对瞬时信号 带宽的限制。而采用切换波束技术，采用由P套延迟线3-2组成的延迟线组时，由信号频率 变化引起的波束指向偏差对瞬时信号带宽的限制将进一步减小。以一个包括4个平板天线子阵1的平板天线为例，如果定义所述平板天线允许的 最大波束偏差角为波束半功率点宽度的1/10，则加四套延时线3-2后，相比于单套延迟线 技术，由信号频率变化引起的波束指向偏差对瞬时信号带宽的限制大大减小，多子阵平板 天线阵允许的最大瞬时信号带宽由0. 14GHz提高到0. SGHz0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。
权利要求
一种移动卫星通信多子阵平板天线阵，其特征在于包括多个平板天线子阵(1)、供多个所述平板天线子阵(1)安装的天线转台和分别连接在各平板天线子阵(1)的辐射单元与信号收发端口之间的多个馈线系统(3)，多个所述平板天线子阵(1)平行安装在天线转台上且多个所述平板天线子阵(1)对准目标卫星的目标仰角均相同；所述馈线系统(3)包括与所述信号收发端口相接的移相器(3 1)以及接在平板天线子阵(1)的辐射单元与移相器(3 1)之间的多套延迟线(3 2)，所述平板天线子阵(1)的数量为Q个且相邻两个平板天线子阵(1)之间的间距为di，其中i＝1、2、3...Q 1，且di表示Q个平板天线子阵(1)中第i个平板天线子阵(1)与第i+1个平板天线子阵(1)之间的间距；所述延迟线(3 2)的套数与对平板天线子阵(1)的扫描范围进行均匀分区后的扫描分区个数相同。
2.按照权利要求1所述的移动卫星通信多子阵平板天线阵，其特征在于所述天线转 台包括支架(2-2)和通过转轴(2-3)安装在支架(2-2)上的转盘(2-1)，多个所述平板天线 子阵(1)均安装在转盘(2-1)上。
3.按照权利要求1或2所述的移动卫星通信多子阵平板天线阵，其特征在于所述馈 线系统(3)还包括低噪声放大器(3-3)和接在移相器(3-1)与所述信号接收端口之间的 功率合并器(3-4)，所述低噪声放大器(3-3)接在平板天线子阵(1)的辐射单元与延迟线 (3-2)之间。
4.按照权利要求1或2所述的移动卫星通信多子阵平板天线阵，其特征在于所述平 板天线子阵(1)中包含工作在不同频段上的多个天线单元。
5.按照权利要求1或2所述的移动卫星通信多子阵平板天线阵，其特征在于所述移 相器(3-1)与对其相移量进行控制调整的激励器相接，所述激励器与由主控制器进行控制 的波束控制器相接，且所述波束控制器和所述激励器组成以电扫描方式对平板天线子阵 (1)的俯仰方向进行控制的俯仰控制单元。
6.按照权利要求1或2所述的移动卫星通信多子阵平板天线阵，其特征在于安装在 平板天线子阵(1)上的方位轴通过传动机构与由伺服控制器进行控制的方位电机相接，所 述伺服控制器与主控制器相接且由主控制器进行控制，所述方位电机与所述伺服控制器相 接，且所述伺服控制器为以机械扫描方式对平板天线子阵(1)的方位方向进行控制的方位 控制单元。
7.—种对如权利要求1所述的移动卫星通信多子阵平板天线阵进行优化的方法，其特 征在于该方法包括以下步骤步骤一、参数设置通过与运算处理器相接的参数设置单元对所述运算控制器的初始 控制参数dmin、D和ρ进行控制，其中dmin为相邻两个平板天线子阵(1)之间间距Cli的最小 值，D为多个平板天线子阵(1)中相邻两个平板天线子阵(1)之间的间距Cli之和，ρ为平板 天线子阵(1)的扫描范围进行均勻分区后的扫描分区个数且所述延迟线(3-2)的套数为p， 平板天线子阵(1)的扫描范围为[αΑ，αΒ]；同时，还需对由多个平板天线子阵(1)所组成 的平板天线阵的中心频率fo进行设置；步骤二、采用运算处理器进行天线子阵间距优化，其优化过程如下201、建立间距优化数学模型所建立的间距优化数学模型为 并按空间顺序对Q个平板天线子阵(1)进行一一编号，Q为平板天线子阵(1)的数量；其中 a G [aA，aB]且α表示[aA，aB]内任一角度，PSLL ( a )为各平板天线子阵(1)的目标 仰角为α时所述平板天线阵的峰值旁瓣电平；由于多个所述平板天线子阵(1)的俯仰维上所包含天线单元的数量相同，每个平板天 线子阵(1)的俯仰维上的所有天线单元均为均勻布设且多个所述平板天线子阵(1)的俯 仰维上的相邻两个天线单元的间距均相同，则多个所述平板天线子阵(1)的天线方向图函 数均相同且均为&(9，Cl1, d2，…，(V1，α)；相应地，所述平板天线阵的天线方向图函数 F( θ，Cl1, d2，…，(V1，α ) = Ε( θ ) · fa ( θ，屯，d2，…，(V1，a )；式中，Ε( θ )为平板天线子阵⑴在俯仰维上的方向图函数，且E (O) = C (^)-Xexp。々·!!·(^.(⑵仍，其中，七为Ii=I平板天线子阵(1)的俯仰维上的相邻两个天线单元之间的间距，N为平板天线子阵(1)的 俯仰维上所包含天线单元的数量，k = 2 π / λ = 2 π c/f为来波信号的自由空间波数，c为 光速，f为所述平板天线阵的通信频率，exp为指数函数，e( θ )为所述天线单元的方向图函 数，η = 1、2、3···Ν;当多个所述平板天线子阵(1)的俯仰角度可调时，安装在平板天线 子阵(1)上的俯仰轴通过传动机构与由伺服控制器进行控制的俯仰电 机相接，且所述俯仰电机与所述伺服控制器相接，所述伺服控制器与主控 制器相接且由主控制器进行控制；所述俯仰轴为转轴(2-3)；此时，函数 表示第i个平板天线子阵(1)与第i+1个平板天线子阵(1)的间距且Cltl = 0，相应地 (Ι"表示第i-Ι个平板天线子阵(1)与第i个平板天线子阵(1)的间距，Cq为第q个 平板天线子阵(1)的幅度加权，θ为扫描角且0彡θ ^ π, Oq(a)为第q个平板天线子阵(1)的馈电网络提供的移相量，且义似)=-!^^··；^^,^= 1、2、3...Q， k = 2Ji/A = 2 π c/f, α为平板天线子阵(1)的目标仰角；而当多个所述平板天线 子阵(1)的俯仰角度均固定不变且各平板天线子阵(1)的俯仰角度均为β时，函数 所述平板天线阵的天线方向图中的峰值旁瓣电平可表示为函数 为修正常数，FFmax为主瓣峰值且FFmax = max {I F( θ，^d2, ···，‘，α) |} ；202、峰值旁瓣 电平求解采用运算处理器且根据步骤201中所建立的间距优化数学模型为PSLL(a )=3￥ “ n且各平板天线子阵(1)的目标仰角为α条件下， Z^d, =D所述平板天线阵的峰值旁瓣电平和峰值旁瓣电平对应的相邻两个平板天线子阵(1)之间 的间距d,；(203、优化目标确定所确定的优化目标函数为minS = SaX B](PSLL )，且所述优化目标函数表示以求出的[αΑ，αΒ]内最大的峰值旁瓣电平达到最小值为优化目标，此时的峰值旁瓣电平及对应的最优子阵间距根据步 骤202中所述的峰值旁瓣电平及子阵间距求解方法进行求解；(204、数据输出输出步骤203中在满足优化目标条件下，所求解出的最优天线子阵间距；(205、按照步骤204中所输出的最优天线子阵间距对多个所述平板天线子阵(1)进行布设；步骤三、采用运算处理器进行延迟线长度优化，其优化过程如下(301、分区将所述平板天线阵的扫描范围即区间[αΑ，αΒ]均勻划分为ρ个扫描分区， 并相应推算出各扫描分区内平板天线子阵(1)的目标仰角的上限值和下限值，所划分成的 P个扫描分区分别与P套延迟线(3-2) —一对应；(302、延迟线最优长度求解对ρ套延迟线(3-2)的最优长度分别进行求解，且对ρ套延 迟线(3-2)的最优长度的求解方法均相同，当目标位置位于任一扫描分区时，则平板天线 子阵(1)中的馈线系统(3)自动切换至与当前扫描分区相对应的一套延迟线(3-2)；对与 当前扫描分区相对应的延迟线(3-2)的最优长度进行求解时，其求解过程如下(3021、移相器(3-1)的相移量为零时所述平板天线阵的天线波束指向角度α C1求解所 计算得出α ^，式中α 3和Cib分别述运算处理器根据公式 为步骤301中所推算出的与当前所优化延迟线(3-2)相对应的扫描分区内平板天线子阵 ⑴的目标仰角的上限值和下限值，八仅=？…f、.~M，其中Af为所述平板天线阵的 当前通信频率与中心频率fo之间的频率偏差值，fo为所述平板天线阵的中心频率； (3022、最优长度求解所述运算处理器根据公式(计算得出与第i个平板天线子阵(1)相接且与当前扫描分区相对应的延迟线(3-2)的长度，式中，、为延迟线 (3-2)的相对介电常数，Iq = 0即最后一个平板天线子阵(1)不采用延迟线(3-2)，其中i =1、2、3. . . Q-I ；(3023、重复步骤3021和3022，相应分别计算得出分别与各平板天线子阵(1)相接的P 套延迟线(3-2)的长度；(303、结果输出输出步骤3022中计算得出的各平板天线子阵(1)相接的P套延迟线 (3-2)的长度；.304、按照步骤303中所输出的各平板天线子阵(1)相接的P套延迟线(3-2)的长度对 各延迟线(3-2)进行布设。
8.按照权利要求7所述的移动卫星通信多子阵平板天线阵优化方法，其特征在于步骤201中建立间距优化数学模型时，所建立的间距优化数学模型为Cli = dmin+yi，且建立间距优化数学模型之前，首先利用随机向量生成方法生成一组实数Xi且\ > 0，其中i = 1、2、 3...0-1，0为平板天线子阵(1)的数量；式中 0其中η为比例系数且 相应地根据所建立的间距优化数学模型为Cli = dmin+yi即可推算得出子阵间距。
9.按照权利要求8所述的移动卫星通信多子阵平板天线阵优化方法，其特征在于所 述随机向量生成方法为利用函数rand()生成一组随机实数。
全文摘要
本发明公开了一种移动卫星通信多子阵平板天线阵及其优化方法，其天线阵包括多个平板天线子阵、天线转台和分别连接在各平板天线子阵的辐射单元与信号收发端口之间的多个馈线系统，多个平板天线子阵平行安装在天线转台上且其目标仰角均相同；馈线系统包括移相器和多套延迟线；其优化方法包括以下步骤一、参数设置；二、采用运算处理器且利用改进的遗传算法进行天线子阵间距优化；三、采用运算处理器进行延迟线长度优化。本发明结构简单、重量轻、高度低、成本低且安装布设方便，所采用的优化方法设计合理且实现方便，能有效解决了多子阵平板天线阵的天线方向图特性变差与副瓣电平抬升和天线的瞬时信号带宽变小两大实际问题。
文档编号H01Q3/02GK101916904SQ20101024575
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月4日 优先权日2010年8月4日
发明者伍宗伟, 余伟平, 姚敏立, 林志强, 秦丽平, 贾维敏, 赵建勋 申请人:中国人民解放军第二炮兵工程学院