L頻段低仰角覆蓋機載前艙衛通天線*

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

0 引 言

機載衛星通信設備能夠為飛機提供可靠實時移動的通信手段，是保障飛行安全和空地通信的重要裝備。機載衛星通信系統可分為駕駛艙衛星通信(即機載前艙衛星通信)和客艙衛星通信[1]。前艙通信屬于安全業務通信，是必須安裝在航空器上的無線電設備。

就衛星資源方面來說，由于衛星移動通信系統的建設是一項復雜的系統工程，國內尚無自建的商用衛星移動通信系統投入運行[2]。國外商用衛星移動通信系統中應用最廣泛的就是海事衛星系統。從1979年成立至今，這個系統已經穩定地運行了40年，一直在向用戶提供優質的衛星移動通信服務。尤其是2008年，經歷了冰雪災害救援、汶川地震大規模救援、北京奧運會直播、“神舟”七號回收、索馬里護航等特殊應用的考驗，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，可實現更高通信容量，適合用于客艙娛樂等業務。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，是衛星通信的黃金頻段，海事前四代衛星系統均基于L頻段。

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

由于適航認證等方面原因[5]，目前用于前艙衛星通信的L頻段終端系統設備，全部是由國外廠商提供。目前所見公開報道的L頻段機載前艙衛通天線為加拿大Marconi公司和美國Tecom公司生產的相控陣[6]，是用交叉偶極子作為天線單元的平面陣實現的，對于有限的機載平臺來說尺寸大、剖面高，仍有待改進。

目前國內未見針對L頻段機載前艙衛星通信終端的研究。如果能將L頻段機載衛通天線國產化，不僅可以滿足國內外用戶的需求，還能獲得很高的經濟效益，且具有自主知識產權。

對標ARINC 781-6中的中增益天線(Intermediate Gain Antenna,IGA)指標，筆者研制了適用于機載前艙衛星通信的收發全雙工工作的L頻段中增益電掃相控陣天線樣機。打破以往的平面布陣或機械掃描思維[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，用較小的陣面規模實現了低仰角覆蓋。現階段的地面靜態對星實驗結果表明，該樣機可實現與海事衛星的穩定通信。。

1 系統方案及組成

1.1 前艙衛星通信設備

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

L頻段中增益相控陣天線是前艙衛星通信設備的重要組成部分，完成衛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中的一些關鍵指標的初步分析得出擬采用的方案，整機方案的研究方法如圖2所示。

圖2 整機方案研究方法

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

圖3 系統組成框圖

L頻段機載前艙衛星通信天線實現接收和發射全雙工工作，完成衛通鏈路上下行信號的輻射與收集。工作原理:根據端機發來的指令，解析分發該命令后，波控器控制各模塊的開關，建立發射和接收信號通道；根據解析出的波束指向命令，波控器控制TR組件內移相器的相位，使天線波束指向目標衛星；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”形陣面設計

依據ARINC 781-6的要求，L頻段機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。考慮全雙工工作情況，R組件噪聲系數為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。

采用單個天線單元很難實現上述要求，因此，需要設計寬角覆蓋的天線陣列。通常實現天線陣列的寬角覆蓋的方法有以下幾種：第一種是設計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化仿真耗時耗力。第二種是采用機械掃描和電掃描混合的方式[11]。在電掃描不能覆蓋的區域，采用機械轉臺改變天線姿態，從而達到寬角覆蓋的目的。但是機械掃描需要額外的伺服驅動裝置，而機載平臺空間有限，且由于氣動等原因對剖面要求很低，所以機械掃描并不是最佳選擇。另外，若純粹靠增加陣列規模來抬高低仰角的增益，陣列規模會成倍增長，代價非常大。

基于以上常規方法的局限性，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，而常規的平面布陣方式在低仰角增益衰減很大，需要增加單元數目才能實現高增益，故在有限裝機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要求。

天線傾斜放置(與水平夾角23°)后，此時仰角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，初步評估應該可以滿足增益覆蓋范圍的要求。發射通道單路功放芯片輸出功率設計為34.7 dBmW，以滿足ARINC 781-6 中EIRP≥15.1 dBW的要求。

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

圖5 陣列仿真模型圖

2.2 仿真結果

采用Ansys HFSS全波仿真軟件對陣列進行仿真。左右陣列各產生7個波束分別覆蓋左右上半空間，共計14個波束。滿足收發指標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個波束的等高線繪制在一張圖上，如圖6所示。發射波束覆蓋率為88.8%，接收波束覆蓋率為90.5%，滿足指標要求的85%。

(a)接收波束覆蓋圖

3 測試驗證

3.1 暗室測試

依據上述方案，設計加工了L頻段機載前艙衛通相控陣天線樣機。實物樣機剖面高度為70 mm，質量為8.9 kg。

由于要計算波束的空間覆蓋率，需要對天線的三維方向圖進行測試。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

實物樣機的測試波束覆蓋圖如圖8所示。發射波束覆蓋率為89.2%，接收波束覆蓋率為88.3%，滿足指標要求的85%。

(a)接收波束覆蓋圖

3.2 靜態對星

如圖9所示，樣機隨通信終端進行了地面靜態對星試驗，試驗結果表明，研制的L頻段機載前艙衛通相控陣天線實物樣機可與海事衛星實現穩定通信，通信速率為310 kb/s(圖10)，通信質量良好。

圖9 地面靜態對星測試照片

圖10 通信速率顯示界面

4 結 論

本文提出“屋頂”形天線陣列來實現超低仰角覆蓋，設計并研制了L頻段機載前艙衛通相控陣天線樣機。多探頭球面近場暗室測試結果表明，在滿足EIRP≥15.1 dBW、G/T≥-19 dB/K條件下，天線樣機仰角5°以上的收發波束覆蓋率在86%以上；現階段已經開展的地面靜態對星試驗結果表明，天線樣機可與海事衛星實現穩定通信，通信速率為310 kb/s，通信質量良好。相比于以往的平面布陣或機械掃描方案，這是一種規模小、重量輕的低仰角覆蓋方法。