L頻段低仰角覆蓋機(jī)載前艙衛(wèi)通天線*

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引 言

機(jī)載衛(wèi)星通信設(shè)備能夠?yàn)轱w機(jī)提供可靠實(shí)時(shí)移動的通信手段，是保障飛行安全和空地通信的重要裝備。機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)可分為駕駛艙衛(wèi)星通信(即機(jī)載前艙衛(wèi)星通信)和客艙衛(wèi)星通信[1]。前艙通信屬于安全業(yè)務(wù)通信，是必須安裝在航空器上的無線電設(shè)備。

就衛(wèi)星資源方面來說，由于衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，國內(nèi)尚無自建的商用衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)投入運(yùn)行[2]。國外商用衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的就是海事衛(wèi)星系統(tǒng)。從1979年成立至今，這個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定地運(yùn)行了40年，一直在向用戶提供優(yōu)質(zhì)的衛(wèi)星移動通信服務(wù)。尤其是2008年，經(jīng)歷了冰雪災(zāi)害救援、汶川地震大規(guī)模救援、北京奧運(yùn)會直播、“神舟”七號回收、索馬里護(hù)航等特殊應(yīng)用的考驗(yàn)，受到用戶的高度肯定。

就使用頻率方面來看，Ku和Ka頻段的頻率資源很多，可實(shí)現(xiàn)更高通信容量，適合用于客艙娛樂等業(yè)務(wù)。但是降雨對Ku和Ka頻段電磁波的傳輸有著不可忽視的影響[3-4]，而L頻段傳輸鏈路受雨雪、溫度等天氣等影響極小，是衛(wèi)星通信的黃金頻段，海事前四代衛(wèi)星系統(tǒng)均基于L頻段。

目前在我國承擔(dān)高原地區(qū)飛行的飛機(jī)以及執(zhí)行跨洋飛行的寬體飛機(jī)上很早就要求安裝了基于L頻段的機(jī)載海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)，主要用于解決空中交通管制(Air Traffic Control，ATC)。這些飛機(jī)由于沒有陸基甚高頻(Very High Frequency，VHF)系統(tǒng)支撐，無論是語音、飛機(jī)通信尋址和報(bào)告系統(tǒng)(Aircraft Communication Addressing and reporting system，ACARS)均通過機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳送。

由于適航認(rèn)證等方面原因[5]，目前用于前艙衛(wèi)星通信的L頻段終端系統(tǒng)設(shè)備，全部是由國外廠商提供。目前所見公開報(bào)道的L頻段機(jī)載前艙衛(wèi)通天線為加拿大Marconi公司和美國Tecom公司生產(chǎn)的相控陣[6]，是用交叉偶極子作為天線單元的平面陣實(shí)現(xiàn)的，對于有限的機(jī)載平臺來說尺寸大、剖面高，仍有待改進(jìn)。

目前國內(nèi)未見針對L頻段機(jī)載前艙衛(wèi)星通信終端的研究。如果能將L頻段機(jī)載衛(wèi)通天線國產(chǎn)化，不僅可以滿足國內(nèi)外用戶的需求，還能獲得很高的經(jīng)濟(jì)效益，且具有自主知識產(chǎn)權(quán)。

對標(biāo)ARINC 781-6中的中增益天線(Intermediate Gain Antenna,IGA)指標(biāo)，筆者研制了適用于機(jī)載前艙衛(wèi)星通信的收發(fā)全雙工工作的L頻段中增益電掃相控陣天線樣機(jī)。打破以往的平面布陣或機(jī)械掃描思維[7]，提出一種“屋頂”形陣列，以一種小型化寬帶圓極化天線作為陣元，用較小的陣面規(guī)模實(shí)現(xiàn)了低仰角覆蓋?，F(xiàn)階段的地面靜態(tài)對星實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該樣機(jī)可實(shí)現(xiàn)與海事衛(wèi)星的穩(wěn)定通信。。

1 系統(tǒng)方案及組成

1.1 前艙衛(wèi)星通信設(shè)備

前艙衛(wèi)星通信設(shè)備是一款集語音、數(shù)據(jù)通信功能為一體的通信設(shè)備，主要包括海事衛(wèi)星數(shù)據(jù)單元(含海事衛(wèi)星數(shù)據(jù)單元配置模塊)、高功率放大器/低噪聲放大器/收發(fā)雙工器和L頻段相控陣天線三個(gè)部分。前艙衛(wèi)星通信設(shè)備組成如圖1所示。

L頻段中增益相控陣天線是前艙衛(wèi)星通信設(shè)備的重要組成部分，完成衛(wèi)通鏈路上下行信號的輻射與收集。

1.2 天線方案及組成

針對ARINC 781-6中的一些關(guān)鍵指標(biāo)的初步分析得出擬采用的方案，整機(jī)方案的研究方法如圖2所示。

圖2 整機(jī)方案研究方法

L頻段機(jī)載前艙衛(wèi)星通信天線由天線陣面、雙工器、T/R組件、波束形成網(wǎng)絡(luò)、波控器、電源、天線罩等組成，其組成框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)組成框圖

L頻段機(jī)載前艙衛(wèi)星通信天線實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)射全雙工工作，完成衛(wèi)通鏈路上下行信號的輻射與收集。工作原理:根據(jù)端機(jī)發(fā)來的指令，解析分發(fā)該命令后，波控器控制各模塊的開關(guān)，建立發(fā)射和接收信號通道；根據(jù)解析出的波束指向命令，波控器控制TR組件內(nèi)移相器的相位，使天線波束指向目標(biāo)衛(wèi)星；激勵信號由功分器分給各路TR組件；TR組件將激勵信號輸出，天線單元輻射/接收右旋圓極化電磁波。

2 “屋頂”形陣面設(shè)計(jì)

依據(jù)ARINC 781-6的要求，L頻段機(jī)載終端天線需覆蓋仰角5°以上85%的空域。ARINC 781-6要求的G/T≥-19 dB/K?？紤]全雙工工作情況，R組件噪聲系數(shù)為2.5 dB，天線增益需大于7 dB才能滿足G/T值的要求，即L頻段機(jī)載終端天線增益大于7 dB需覆蓋仰角5°以上85%的空域。

采用單個(gè)天線單元很難實(shí)現(xiàn)上述要求，因此，需要設(shè)計(jì)寬角覆蓋的天線陣列。通常實(shí)現(xiàn)天線陣列的寬角覆蓋的方法有以下幾種：第一種是設(shè)計(jì)出寬波束的天線單元[8-10]。天線單元波束越寬，低仰角增益越大，陣列就能覆蓋更低的仰角，但是天線單元小型化的優(yōu)化仿真耗時(shí)耗力。第二種是采用機(jī)械掃描和電掃描混合的方式[11]。在電掃描不能覆蓋的區(qū)域，采用機(jī)械轉(zhuǎn)臺改變天線姿態(tài)，從而達(dá)到寬角覆蓋的目的。但是機(jī)械掃描需要額外的伺服驅(qū)動裝置，而機(jī)載平臺空間有限，且由于氣動等原因?qū)ζ拭嬉蠛艿?，所以機(jī)械掃描并不是最佳選擇。另外，若純粹靠增加陣列規(guī)模來抬高低仰角的增益，陣列規(guī)模會成倍增長，代價(jià)非常大。

基于以上常規(guī)方法的局限性，提出新型天線布局方案。

2.1 陣面布局

對仰角5°以上85%的空域進(jìn)行球面積分，推算出占該空域85%的范圍為仰角13°左右。由于需要覆蓋的仰角極低，而常規(guī)的平面布陣方式在低仰角增益衰減很大，需要增加單元數(shù)目才能實(shí)現(xiàn)高增益，故在有限裝機(jī)尺寸下很難滿足極低仰角覆蓋，所以考慮左右對稱傾斜放置兩個(gè)線陣，呈“屋頂型”的排布方式，分別覆蓋左右半空域，以滿足極低仰角覆蓋范圍的指標(biāo)要求。

天線傾斜放置(與水平夾角23°)后，此時(shí)仰角13°與天線單元自身法向夾角為54°，如圖4所示。

圖4 天線傾斜放置示意圖

天線單元采用低剖面、低成本、適合批量化生產(chǎn)的微帶天線形式，天線單元法向增益約為6.2 dB，在偏離天線法向54°相對天線法向增益約下降6.1 dB，則6元陣仰角13°增益估算約為7.8 dB，扣除天線罩和連接器帶來的損耗，初步評估應(yīng)該可以滿足增益覆蓋范圍的要求。發(fā)射通道單路功放芯片輸出功率設(shè)計(jì)為34.7 dBmW，以滿足ARINC 781-6 中EIRP≥15.1 dBW的要求。

兩個(gè)1×6陣列切換使用，兩個(gè)陣列傾斜相對放置，陣列仿真模型如圖5所示，其中(b)為帶天線罩和模擬機(jī)身地板的完整仿真模型。

圖5 陣列仿真模型圖

2.2 仿真結(jié)果

采用Ansys HFSS全波仿真軟件對陣列進(jìn)行仿真。左右陣列各產(chǎn)生7個(gè)波束分別覆蓋左右上半空間，共計(jì)14個(gè)波束。滿足收發(fā)指標(biāo)的天線增益門限值為7 dB，所以以增益7 dB為等高線繪制天線陣面波束覆蓋圖，將14個(gè)波束的等高線繪制在一張圖上，如圖6所示。發(fā)射波束覆蓋率為88.8%，接收波束覆蓋率為90.5%，滿足指標(biāo)要求的85%。

(a)接收波束覆蓋圖

3 測試驗(yàn)證

3.1 暗室測試

依據(jù)上述方案，設(shè)計(jì)加工了L頻段機(jī)載前艙衛(wèi)通相控陣天線樣機(jī)。實(shí)物樣機(jī)剖面高度為70 mm，質(zhì)量為8.9 kg。

由于要計(jì)算波束的空間覆蓋率，需要對天線的三維方向圖進(jìn)行測試。多探頭球面近場暗室可快速便捷地測試天線的三維方向圖，暗室測試照片如圖7所示。

圖7 球面近場暗室測試照片

實(shí)物樣機(jī)的測試波束覆蓋圖如圖8所示。發(fā)射波束覆蓋率為89.2%，接收波束覆蓋率為88.3%，滿足指標(biāo)要求的85%。

(a)接收波束覆蓋圖

3.2 靜態(tài)對星

如圖9所示，樣機(jī)隨通信終端進(jìn)行了地面靜態(tài)對星試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的L頻段機(jī)載前艙衛(wèi)通相控陣天線實(shí)物樣機(jī)可與海事衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定通信，通信速率為310 kb/s(圖10)，通信質(zhì)量良好。

圖9 地面靜態(tài)對星測試照片

圖10 通信速率顯示界面

4 結(jié) 論

本文提出“屋頂”形天線陣列來實(shí)現(xiàn)超低仰角覆蓋，設(shè)計(jì)并研制了L頻段機(jī)載前艙衛(wèi)通相控陣天線樣機(jī)。多探頭球面近場暗室測試結(jié)果表明，在滿足EIRP≥15.1 dBW、G/T≥-19 dB/K條件下，天線樣機(jī)仰角5°以上的收發(fā)波束覆蓋率在86%以上；現(xiàn)階段已經(jīng)開展的地面靜態(tài)對星試驗(yàn)結(jié)果表明，天線樣機(jī)可與海事衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定通信，通信速率為310 kb/s，通信質(zhì)量良好。相比于以往的平面布陣或機(jī)械掃描方案，這是一種規(guī)模小、重量輕的低仰角覆蓋方法。