一种车载卫星通信天线阵列

技术领域

本申请实施例涉及天线技术领域，尤其涉及一种车载卫星通信天线阵列。

背景技术

在卫星通信地面终端产品中，车载动中通天线多以收发共平面的阵列天线形式为主，天线的信号分别经正交模耦合器(Ortho-Mode Transducer，OMT)分成极化相互正交的两路信号，每一路正交的信号再分别经过功率合成网络独自合成，最终再合成两路极化正交的射频信号。这种共平面的收发共用阵列天线，对天线的交叉极化隔离度及收发隔离的要求都很高，工程实现难度很大。此外，传统共平面的收发共用阵列天线波束俯仰覆盖范围小，尤其是在移动过程中，波束扫描具有限制性，并且还存在剖面高的缺点，不利于与载体共形。

发明内容

本申请提供了一种车载卫星通信天线阵列，天线阵列的收发隔离度高、剖面低、易与载体共形，并且可以满足天线波束仰角20度至90度的覆盖要求。

本申请实施例提供了车载卫星通信天线阵列，其特征在于，包括多个接收子阵、多个发射子阵以及天线板；

所述接收子阵与所述发射子阵位置对称地排列在所述天线板上；

各子阵的斜面长度、水平面间距与倾斜程度满足预定关系。

进一步的，各子阵的斜面长度相等。

进一步的，各子阵的水平面间距相等。

进一步的，所述预定关系包括：

进一步的，所述预定关系包括：

进一步的，各子阵在方位面方向支持以所述天线板的中心顺时针或逆时针旋转360°。

进一步的，所述接收子阵在俯仰面方向与第一功分网络和第一移相网络连接。

进一步的，所述第一功分网络包括多级合成器，每级合成器的输出端与低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)连接；所述第一移相网络包括低噪声放大器和移相器。

进一步的，所述发射子阵在俯仰面方向与第二功分网络和第二移相网络连接。

进一步的，所述第二功分网络包括多级功分器，每级功分器的输出端与功率放大器(Power Amplifier，PA)连接；

所述第二移相网络包括功率放大器和移相器。

本申请实施例提供了一种车载卫星通信天线阵列，包括多个接收子阵、多个发射子阵以及天线板；所述接收子阵与所述发射子阵位置对称地排列在所述天线板上；各子阵的斜面长度、水平面间距与倾斜程度满足预定关系。上述的车载卫通天线阵列，发射子阵与接收子阵的位置对称排列，使得发射子阵与接收子阵分离，能够降低信号收发的相互影响，提高天线阵列的收发隔离度；在各子阵的斜面长度、水平面间距与倾斜程度中的任意两种参数确定的情况下，都可以根据预定关系合理设置另一种参数，降低了天线阵列排列的复杂度；此外，由于各子阵倾斜设置并且满足统一的预定关系，降低了天线阵列在垂直方向上的高度，使得天线阵列具有剖面低、易与载体共形的特点，在此基础上通过合理设计预定关系，可使天线阵列满足天线波束仰角20度至90度的覆盖要求。

附图说明

图1为本申请实施例一提供的一种车载卫星通信天线阵列的结构示意图；

图2为本申请实施例一提供的一种斜面长度与水平面间距的预定关系的示意图；

图3为本申请实施例一提供的一种俯仰覆盖范围的示意图；

图4为本申请实施例二提供的一种天线方向图的示意图；

图5为本申请实施例二提供的一种第一功分网络和第一移相网络的结构示意图；

图6为本申请实施例二提供的一种第二功分网络和第二移相网络的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。此外，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。

需要注意，本申请实施例中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块、单元或其他对象进行区分，并非用于限定这些装置、模块、单元或其他对象所执行的功能的顺序或者相互依存关系。

实施例一

图1为本申请实施例一提供的一种车载卫星通信天线阵列的结构示意图。如图1所示，该车载卫星通信天线阵列包括多个接收子阵100、多个发射子阵200以及天线板300；接收子阵100与发射子阵200位置对称地排列在天线板300上；各子阵的斜面长度、水平面间距与倾斜程度满足预定关系。其中，天线板300可以为矩形、圆形、圆环等形状的金属反射板，满足接收子阵100与发射子阵200可分离对称的排列即可。接收子阵100的排列区域与发射子阵200的排列区域是分离的，从而降低信号收发的相互影响，提高天线阵列的收发隔离度。

如图1所示，以圆形天线板300为例，Rx1～Rx8为接收子阵100，Tx1～Tx8为发射子阵200，每个收发子阵的斜面长度记为L

进一步的，各子阵的斜面长度相等。在此基础上，各子阵可整齐排列，可降低天线阵列排列的复杂度。

进一步的，各子阵的水平面间距相等。在此基础上，各子阵均匀分布，可实现平面内的均匀扫描。

进一步的，各子阵的倾斜程度也相等。在此基础上，各子阵具有整齐的剖面高度，使天线阵列易于与载体共形。

进一步的，预定关系包括：

具体的，预定关系可以描述为，倾斜角的余弦为斜面长度与水平面间距的比值，在此基础上，天线阵列可最大限度的覆盖波束俯仰范围，获得最大增益。

进一步的，预定关系包括：

具体的，预定关系可以描述为夹角θ与斜面长度和水平面间距的关系，在此基础上，天线阵列可最大限度的覆盖波束俯仰范围，获得最大增益。

图2为本申请实施例一提供的一种斜面长度与水平面间距的预定关系的示意图。如图2所示，以子阵4为例，带箭头的实线为波束扫描线，带箭头的虚线为子阵斜面的法线，不带箭头的虚线表示两个相邻的子阵斜面之间的距离d；α为各子阵的斜面与天线板300之间的夹角，θ为各子阵斜面的法线与波束扫描线之间的夹角。由图2可知，在满足上述公式所示的预定关系的情况下，子阵4与子阵5之间的距离d，恰好等于两个端点(子阵4与天线板300的接触端端点、子阵5与天线板300的非接触端端点)之间的长度，换言之，子阵4的斜面与两个端点之间的连线垂直，据此可以确定天线阵列的排列方式。在此基础上，预定关系也可以理解为以下任意一种：

各子阵斜面，与该子阵及相邻子阵的不同端点(接触端端点和非接触端端点)之间的连线垂直；

各子阵斜面的法线，与该子阵及相邻子阵的不同端点(接触端端点和非接触端端点)之间的连线平行。

需要说明的是，天线阵列的倾斜程度过大或过小，都会影响天线阵列覆盖的波束俯仰范围，而在满足上述预定关系的情况下，能够减少各子阵发出的波束扫描线被相邻子阵斜面的遮挡，使得波束扫描线的覆盖区域都可以被均匀地扫描到，从而最大限度的覆盖波束俯仰范围。按照上述预定关系设计L

进一步的，各子阵在方位面方向支持以天线板300的中心顺时针或逆时针旋转360°。在此基础上，天线阵列可以在移动过程中实现对信号多方位扫描和追踪，对俯仰方向波束反应更灵活，且在旋转过程中可以保证俯仰覆盖波束俯仰范围的连续性。

进一步的，天线板300为圆形天线板。如图1所示，接收子阵100分布在天线板300的半圆区域内，发射子阵200分布在天线板300另一边的半圆区域内，通过将收发子阵分离设置在圆形天线板上，可降低信号收发的相互影响，提高天线阵列的收发隔离度。此外，天线板300可以为由机械伺服系统驱动的圆盘结构，各子阵可以在方位面方向以圆形天线板300的圆心为中心360°旋转，从而具有在水平面内进行360°全平面均匀扫描的能力，并且由于圆形的对称性，每个子阵占用的都是扇形区域，在天线扫描过程中能基本维持天线波束形状和天线增益的稳定性，实现灵活的非机械式的信号搜索和追踪。

图3为本申请实施例一提供的一种俯仰覆盖范围的示意图。如图3所示，本实施例的天线阵列，可俯仰扫描±45°范围内的波束，天线阵列的波束俯仰角可达到10°～105°的覆盖范围，能够满足车载动中通天线与地球同步轨道(Geostationary Earth Orbit，GEO)轨道卫星之间通信波束的覆盖指标，并且兼顾了天线波束瞬间过顶(天线波束垂直地面)的使用场景。

图4为本申请实施例二提供的一种天线接收子阵方向图的示意图。图4示出了天线在频率为19.45GHz时的子阵方向图，即主波束与水平地面夹角为50度的情况下的天线方向图，副瓣电平最大值小于-17dB，主波束±4度内副瓣电平小于-25dB，能够满足卫星入网副瓣电平小于-14dB的入网要求。

本申请实施例一提供的一种车载卫星通信天线阵列，通过将收发子阵分离倾斜排布，并按照预定关系设置各子阵的斜面长度、水平面间距与倾斜程度，使得天线阵列具有收发隔离度高、剖面低、易于与载体共形、俯仰波束覆盖宽的优势，能够满足天线波束仰角20度至90度的覆盖要求；此外，天线阵列在方位面方向可以天线板的中心，顺时针或逆时针360度无限制旋转，俯仰方向波束反应更灵活，可控性强。

实施例二

本实施例是在上述实施例的基础上进行优化，对天线阵列的功分网络和移相网络进行具体描述。需要说明的是，未在本实施例中详尽描述的技术细节可参见上述任意实施例。

本实施例中，接收子阵在俯仰面方向与第一功分网络和第一移相网络连接。

进一步的，发射子阵在俯仰面方向与第二功分网络和第二移相网络连接。

本实施例中，在俯仰面方向，各子阵的收发信号分别经过功分网络和移相网络的处理，实现了馈电、功率分配和信号合成，需要注意的是，本实施例中的天线阵列的俯仰覆盖，并非依赖于机械结构实现的，而是在电扫描过程中利用移相网络改变介质的位置从而改变传输信号的相位特性，控制垂直方向的波束指向变化，实现对天线波束下倾角度的灵活调节，相比于机械控制具有更稳定的结构和精准的可控性，扫描速度更快，可在移动状态下实现实时对准卫星，保证天线阵列的信号收发性能。

进一步的，第一功分网络包括多级合成器，每级合成器的输出端与低噪声放大器连接；第一移相网络包括低噪声放大器和移相器。

图5为本申请实施例二提供的一种第一功分网络和第一移相网络的结构示意图。如图5所示，在第一移相网络401中，各接收子阵接收到的信号经过低噪声放大器41和移相器43的处理；在第一功分网络402中，接收信号经过合成器43、低噪声放大器44的处理，其中，合成器43、低噪声放大器44可以有多级，最终实现各接收信号的合成。合成器43可以是二合一合成器，也可以是N(N＞2)路合一路的合成器。其中，各低噪声放大器的作用是在有效抑制噪声的前提下放大接收信号，能够提高接收信号的质量。

进一步的，第二功分网络包括多级功分器，每级功分器的输出端与功率放大器连接；第二移相网络包括功率放大器和移相器。

图6为本申请实施例二提供的一种第二功分网络和第二移相网络的结构示意图。如图6所示，在第二功分网络501中，待发射的信号经过功率放大器51和功分器52的处理，分成多路，其中，功率放大器51和功分器52可以有多级，功分器52可以是一分二功分器，也可以是一路分N(N＞2)路的功分器；在第二移相网络502中，待发射的信号经过移相器53、功率放大器54的处理，最终通过各发射子阵发射。其中，各功率放大器的作用是为发射信号提供足够的射频功率，提高发射信号的质量。

可选的，低噪声放大器的噪声系数大于设定值(例如为2dB)，从而利用较少的天线阵列即可满足波束扫描需求，并且可降低后级增益要求；功率放大器的效率优于设定值(例如为30％)，从而获得足够高的等效全向辐射功率，降低前级增益补偿放大的要求，进而降低天线阵列的成本。

需要说的是，图5和图6仅为接收子阵或发射子阵的功分网络和移相网络的一种示例，其作用是对收发信号进行功率分配和合成，最终实现天线阵列的信号收发，保证收发信号质量和可靠性，本申请对其电路具体实现形式不作限定。

本申请实施例二提供的一种车载卫星通信天线阵列，利用移相器进行电子波束扫描控制，使天线阵列满足波束俯仰扫描覆盖需求，实现灵活的非机械式的信号搜索和追踪，波束反应灵活、速度快、可控性强；通过采用功分网络和移相网络，实现收发信号的功率分配及合成，保证信号收发质量。此外，通过改变馈电幅度和相位，还可对天线阵列的方向图进行一定程度的赋形和调零，降低动中通天线对其它车载系统的射频干扰，同时也提高天线阵列自身的抗干扰能力。