一种用于地空宽带通信系统的定向地面站天线及排列方法与流程

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种用于地空宽带通信系统的定向地面站天线及排列方法。

背景技术：
随着无线通信技术的不断发展，人们不再满足于地面的随时随地通信，而希望在空中也能实现信息的交流与分享。在航班上实现数据通信的一种方法是通过卫星给飞行中的飞机提供无线信号。但这种方案通信速率受限，而且成本很高。地空宽带通信系统利用地面站为航线上的飞机提供无线信号，实现地空高速通信。相对于卫星转发方案，地空宽带通信系统的建站成本较低。地空宽带通信系统基于LTE（LongTermEvolution,长期演进）规范，采用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交频分复用），MIMO（MultipleInputMultipleOutput,多输入多输出）等先进的无线通信技术，可以较低的成本实现较高的数据通信速率。由于飞机的飞行速度很快，地空宽带通信系统的覆盖距离一般要求达到100km以上，因此地面站天线要有较大的增益。由于在一个区域内可能存在多条相互交织成网状的航线，因此地面站要能覆盖整个360度水平面方位，这要求地面站天线有较大的波束宽度。与地面移动通信不同，地空通信基站覆盖范围非常大，信号电平衰落很严重，怎样使信号电平相对平稳也是地空宽带通信系统需要解决的一个关键问题。一种解决方案是采用高增益全向天线。全向天线虽然能覆盖整个360度水平方位角，但由于地空通信与地面移动通信的区别，全向天线用在地空宽带通信系统中存在一系列问题。全向天线的增益一般不够高，而且在增益达到一定的值之后再增加天线长度增益提升并不明显。对于200km的覆盖距离，全向天线的增益还不够。全向天线存在的第二个问题是站点中部覆盖质量不高。因为全向天线方向图中部的零陷过深，造成飞机飞越地面站正上方时接收信号电平大幅衰落。地空宽带通信系统地面站天线的能量向上空辐射，但有部分能量泄露到下部，干扰地面移动通信。全向天线方向图上部和下部的能量强度基本一样，因此对塔下地面移动通信的干扰较严重。MIMO是LTE的关键技术之一，采用MIMO技术能成倍提升地空宽带通信系统的通信速率，这要求地面站天线支持MIMO。为解决以上所述技术问题，本发明旨在提供一种用于地空宽带通信系统的定向地面站天线及排列方法，在实现大的覆盖距离基础上获取优良的覆盖性能。

技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种在实际飞行线路上覆盖范围大、覆盖均匀性好、中部覆盖质量高、下部干扰小、支持MIMO应用的用于地空宽带通信系统的定向地面站天线，以及有效解决地空通信环境下用定向天线实现均匀覆盖的天线排列方法。一种用于地空宽带通信系统的定向地面站天线，其特征在于，包括天线罩、反射板、馈电网络、与馈电网络连接的馈电端口、以及与天线罩固定用于调节天线角度的调整支架；所述反射板上设有若干辐射单元；反射板上的所有辐射单元、馈电网络和反射板封装在天线罩内；其中，至少三个以上辐射单元沿垂直方向直线排列成一个辐射组，三个辐射组沿水平方向排列成一个面状辐射阵列，所有辐射单元沿相同方向布置在反射板上，所述馈电网络设置在反射板的下方，所述调整支架一端固定在天线罩背面，另一端固定在所述抱杆上，天线通过所述调整支架向上设置一个大于零度的仰角。在上述的一种用于地空宽带通信系统的定向地面站天线，所述调整支架包括固定在所述天线罩背面的两个固定架，与两个固定架相连接的上端支架和下端支架，用于固定天线在所述抱杆上的夹码，所述下端支架包括一个旋转轴和两个旋转臂，所述两个旋转臂张开一个大于零度的角度，构成一个V形调整支架，所述V形调整支架的开口向下。在上述的一种用于地空宽带通信系统的定向地面站天线，所述馈电网络包括辐射组馈电网络、馈电线缆和功分板；三个辐射组由相同的辐射组馈电网络进行馈电，三个辐射组由功分板和馈电线缆进行连接，功分板通过馈电线缆与馈电端口连接；连接中间辐射组的中间馈电线缆的长度小于连接两边辐射组的两边馈电线缆的长度，连接两边辐射组的两边馈电线缆的长度相同；中间馈电线缆比两边馈电线缆短0.2至0.6个馈电线缆的中心频率波导波长。在上述的一种用于地空宽带通信系统的定向地面站天线，所述辐射单元为垂直极化辐射单元。在上述的一种用于地空宽带通信系统的定向地面站天线，所述辐射单元为双极化辐射单元，且双极化辐射单元的辐射臂沿±45度方向布置。在上述的一种用于地空宽带通信系统的定向地面站天线，所述辐射单元为双极化辐射单元，所述双极化辐射单元的辐射臂沿垂直水平方向布置。在上述的一种用于地空宽带通信系统的定向地面站天线，辐射组在水平方向平行等间距排列，且所有所述辐射组的两端相互对齐，且相邻辐射组之间的间距为0.4至0.7个中心频率波长。在上述的一种用于地空宽带通信系统的定向地面站天线，辐射组在水平方向平行等间距排列，在垂直方向错开排列，且相邻辐射组之间沿垂直方向的间距为0.5倍辐射组内相邻辐射单元之间的间距，沿水平方向的间距为0.25至0.7个中心频率波长。在上述的一种用于地空宽带通信系统的定向地面站天线，该用于地空宽带通信系统的定向地面站天线通过所述调整支架向上设置的仰角范围为3至30度。一种用于地空宽带通信系统的定向地面站天线的排列方法，其特征在于，具体方法如下：设置三个扇区，且每个扇区设置用于地空宽带通信系统的定向地面站天线，三个扇区共圆心，且在共圆心的圆环上等间距排列，每个扇区相对于其它两个扇区分别旋转120度和-120度，天线的辐射面朝向所述圆环外部，所述圆环的半径为1至6米。在上述的一种用于地空宽带通信系统的定向地面站天线的排列方法，每个扇区设置一副用于地空宽带通信系统的定向地面站天线。在上述的一种用于地空宽带通信系统的定向地面站天线的排列方法，每个扇区设置两幅用于地空宽带通信系统的定向地面站天线，每幅天线与相邻扇区的临近天线相互平行。本发明的定向地面站天线利用高增益定向天线实现远距离覆盖，在8km的飞行高度下，可达到200km的覆盖距离;通过特殊阵列排布及赋形，在整个航线内可实现较好的覆盖平坦度，减小对塔下地面移动通信的干扰；通过天线仰角调整，可调整天线覆盖距离及中部覆盖效果；通过宽波束方向图赋形及特殊天线排列，使定向天线覆盖整个空域范围，且有效支持空间分集或MIMO应用。附图说明图1为本发明实施的立体结构示意图。图2为基于垂直极化辐射单元的定向地面站天线的结构示意图。图3为基于±45度双极化辐射单元的定向地面站天线的结构示意图。图4为基于垂直水平双极化辐射单元的定向地面站天线的结构示意图。图5为辐射组错位排列方式的结构示意图。图6为馈电网络的示意图。图7为本发明的定向地面站天线对航线进行覆盖的示意图。图8为本发明的定向地面站天线的垂直面实测方向图。图9为本发明的定向地面站天线的水平面实测方向图。图10为本发明的定向地面站天线的排列方式实施例1的立体结构示意图。图11为本发明的定向地面站天线的排列方式实施例2的立体结构示意图。图12为本发明的定向地面站天线的排列方式实施例2的俯视结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明进行详细说明，以便本领域技术人员能够进一步理解本发明的上述目的、效果及结构。参见图1及图2，本发明提供的一种用于地空宽带通信系统的定向地面站天线，包括辐射单元1、反射板2、馈电网络3、天线罩4、馈电端口5、用于调整天线仰角的调整支架6，和固定天线的抱杆7，辐射单元1、反射板2及馈电网络3封装在天线罩4的内部。参见图2，天线的辐射功能由辐射单元1组阵实现。为了对垂直面方向图实现精确控制，在垂直方向由三个以上辐射单元1沿垂直方向直线排列成一个辐射组9，所有辐射单元1放置方向相同。由于在一个区域内，可能会存在多条方向不同相互交织成网状的航线，为了使所有航线受到无区别的覆盖，地面站天线必须在水平面上有宽的覆盖角。本发明所述的定向地面站天线由三个辐射组9沿水平方向排列成一个面状辐射阵列10。面状辐射阵列10布置在反射板2上，馈电网络3设置在反射板2的下方，面状辐射阵列10、反射板2及馈电网络3封装在天线罩4的内部。调整支架6一端固定在天线罩4的背面，另一端固定在抱杆7上，所述定向地面站天线通过调整支架6向上设置一个大于零度的仰角。图2为所述定向地面站天线的一种实施例，辐射单元1采用垂直极化辐射单元。因客机所用机载天线一般为垂直极化天线，因此垂直极化地面站天线可与机载天线极化相匹配。图3为所述定向地面站天线的另一实施例,辐射单元1采用双极化辐射单元，构成双极化定向地面站天线。由于单幅单极化地面站天线不支持分集或MIMO，采用双极化辐射单元后，单幅所述定向地面站天线即可支持极化分集或2X2MIMO。图3示出了所述双极化定向地面站天线的实施例1，辐射单元1的辐射臂沿±45度方向布置。±45度极化地面站天线相对于机载垂直极化天线有3dB极化失配损耗，但两个极化的一致性较好,且直接可支持极化分集或2X2MIMO。图4示出了所述双极化定向地面站天线的实施例2，辐射单元1的辐射臂沿垂直水平方向布置。垂直极化端相对于机载垂直极化天线没有极化失配损耗，但水平极化端相对机载垂直极化天线极化失配损耗为无穷大。因此这种方案需要客机上增加一个水平极化天线才能支持2X2MIMO。参见图2、图3和图4，三个辐射组9在水平方向上平行等间距排列成面状辐射阵列10，且所有所述辐射组的两端相互对齐。相邻辐射组9之间的间距为0.4至0.7个中心频率波长。参见图5,辐射组9在水平方向的另一排列方式为错位排列。中间辐射组91相对两边的辐射组92沿垂直方向错开排列，相邻辐射组之间沿垂直方向的间距为0.5倍辐射组内相邻辐射单元之间的间距，沿水平方向的间距为0.25至0.7个中心频率波长。这种排列方式可以减小本发明的定向地面站天线的横向尺寸。参见图6,馈电网络3由辐射组馈电网络31、馈电线缆32和功分板33组成，三个辐射组9由相同的辐射组馈电网络31进行馈电，三个辐射组9由功分板33和馈电线缆32进行连接，功分板33通过馈电线缆32与馈电端口5连接。连接中间辐射组91的中间馈电线缆321的长度小于连接两边辐射组92的两边馈电线缆322的长度，连接两边辐射组92的中间馈电线缆322的长度相同。中间馈电线缆321比两边馈电线缆322短0.2至0.6个馈电线缆的中心频率波导波长。参见图1，所述的用于地空宽带通信系统的定向地面站天线由调整支架6进行安装固定以及调整天线仰角。调整支架6由固定在天线罩4背面的固定架61和固定架62，与固定架61相连接的上端支架63，与固定架62相连接的下端支架64，以及用于固定天线在抱杆7上的夹码65组成。其中下端支架64包括旋转轴641以及上旋转臂642和下旋转臂643。上旋转臂642与固定架62相连，下旋转臂643与夹码65相连，两个旋转臂张开一个大于零度的角度，构成一个开口向下的V形调整支架66。通过改变V形调整支架66的开口角度，可以控制天线的仰角大小。本发明的定向地面站天线通过调整天线仰角来调整覆盖距离，优化中部覆盖效果。通过本发明的天线阵列配置及馈电网络设置，可以获得符合地空通信系统需求的方向图。参见图7，因客机的飞行高度一般为6km至12km,考虑200km的覆盖距离，则在覆盖区域边缘飞机到天线的连线与水平面的夹角a在5度以内。图8是本发明的定向地面站天线的垂直面实测方向图。当本发明的定向地面站天线垂直放置时，垂直面方向图的最大辐射方向相对天线面的法线有3至30度的倾角，为将最大辐射方向对准最大覆盖位置，需通过调整支架6向上设置一个3至30度的仰角。方向图的倾角大小综合考虑了中部覆盖、下部干扰及极化失配损耗。当方向图倾角小于3度时，中部覆盖效果较差；而方向图倾角大于30度时，为将最大辐射方向对准覆盖区域边缘，天线需上调30度以上的仰角，极化失配损耗会明显增大。参见图9，本发明的用于地空宽带通信系统的定向地面站天线在水平面有大于110度的波束宽度，且在整个波束范围内功率分配比较平稳。参见图8，本发明的用于地空宽带通信系统的定向地面站天线在垂直面上具有向下的倾角，为将最大辐射方向对准覆盖区域边缘，需要通过调整支架6将天线向上调整一个仰角。通过本发明的阵列形式及馈电方法，垂直面方向图的下降速率在覆盖距离减小一倍时减小量小于6dB，从而使整个覆盖范围内机载天线的接收电平比较平稳；垂直面方向图在上部没有深的零陷，因此在客机飞行过程中不会出现掉线等问题；通过设置合适的方向图倾角，可以使方向图避开90度处的深度零陷，从而优化中部覆盖；方向图下部的能量小于上部，且在靠近最大辐射方向的附近有一深度零陷，因此可以大幅减小定向地面站天线对下部地面移动通信的干扰。根据本发明的第二方面，提供了一种用于地空宽带通信系统的定向地面站天线的排列方法。三个扇区的所述用于地空宽带通信系统的定向地面站天线在圆环上等间距排列，每个扇区相对于其它两个扇区分别旋转120度和-120度，天线的辐射面朝向所述圆环外部，所述圆环的半径为1至6米。参见图10，本发明的定向地面站天线排列方式的实施例1是每个扇区设置一副所述用于地空宽带通信系统的定向地面站天线11。参见图11和图12，本发明的定向地面站天线排列方式的实施例2是每个扇区设置两幅所述用于地空宽带通信系统的定向地面站天线，每幅定向地面站天线11与相邻扇区的临近天线辐射面相互平行。图11示出了具体的排列方法，定向地面站天线111与相邻扇区的相邻天线112平行，每个扇区相对于其它两个扇区分别旋转120度和-120度。这种排列方式既能节约天线安装空间，又能方便地实现天线空间分集收发或MIMO。由于在航线密集区航线分布为网状分布，因此希望地面站天线能在整个覆盖区域实现均匀覆盖，而不是单扇区的均匀覆盖。本发明采用三个扇区的地面站天线来实现整个覆盖区域的均匀覆盖。三个扇区的定向地面站天线组成一个环形阵列，在水平面上实现接近全向的均匀覆盖；在垂直面上，每幅天线后向的方向图在中部合成，从而进一步提高区域中部覆盖的效果。通过这种排列方式，实现在整个站点覆盖区域的均匀覆盖。尽管上文对本发明进行了详细说明，但本发明并不局限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。