一种全空域覆盖卫星通信多面相控阵天线

一种全空域覆盖卫星通信多面相控阵天线

【摘要】设计了一种可以覆盖全空域的卫星通信相控阵天线，采用七面阵围成台体的形式，每一面阵上设置四单元的相控阵天线阵列，其波束分别覆盖空域中不同的部分，其中顶部的面阵形成的波束覆盖上半空间的部分区域，侧面的六个面阵产生的波束分别覆盖低仰角空域。在系统内部采用开关切换的形式，对不同面阵的工作状态进行控制。在每一面阵中，由四单元组成的相控阵可进行波束扫描，以扩大波束覆盖范围。系统内部的传感系统和有源功率控制设备实现天线对卫星的自跟踪功能。该典型设备可以用于各种移动载体上。

【关键词】多面阵；全空域；相控阵天线；卫星通信

1.引言

随着卫星移动通信技术的发展，通信终端的天线技术的小型化、高增益、轻量化、低剖面等需求日益迫切。在国防、应急救灾、边远区域通信和突发事件现场指挥等场合，在移动载体上与卫星进行实时通信，已经成为军民两用的重要需求之一。

目前，实现车载卫星通信的天线技术主要有几种：抛物面天线、平板阵列天线和相控阵天线。相控阵天线由于具有强大的功能，灵活的工作方式，计算机控制的无惯性波束扫描，目前已成为许多军用相控阵天线或卫星应用的主要天线形式，为移动过程中捕获和跟踪卫星信号提供灵活性，是目前和未来移动地面站中的主流天线[1-2]。但单一的相控阵天线在大角度扫描时存在较大的增益恶化，有时候会达到3～5dB，这在很多场合是不能容忍的。

为了弥补这一缺陷，许多学者相继采用了诸多措施，如将阵面进行倾斜设计，使得天线单元与地面成一定角度，这样阵面波束在合成时其主瓣天然的具有一定的倾角[3-5]，但这种设计在低仰角时存在较大的栅瓣难以抑制。又有学者在天线罩方面做了一些工作，研究电磁波通过天线罩后发生折射，使得折射方向转向低仰角，从而实现低仰角增益覆盖[6-7]，但天线罩本身会引入较大的插损。

本文在以上几种方法的基础上，提出一种相控阵与多面阵相结合的设计方法，以解决卫星通信天线波束空域覆盖宽的要求。设计思路是利用七个面围成一个半台体，其中顶面为一个平面，侧边为六个与大地成相同夹角的平面，每个平面上设置4个贴片天线组成一个小型的相控阵天线。每个平面上的相控阵天线负责一个空域，整个系统的七个面阵可以覆盖整个上半空间的可视区域。

2.系统概述

为实现天线系统的多空域覆盖设计，采用多面阵列形式，具有较小的底盘半径。天线波束扫描采用相控阵体制，在所需要的空域范围，可实现电子波束扫描，不需要任何机械扫描，因此省去了结构复杂、尺寸庞大的机械转动机构，保证了