(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010891055.1
(22)申请日 2020.08.30
(71)申请人 西南电子技术研究所(中国电子科
技集团公司第十研究所)
地址 610036 四川省成都市金牛区茶店子
东街48号
(72)发明人 姚亚利 温剑 梁宇宏 李秀梅
张云 何凌云
(74)专利代理机构 成飞(集团)公司专利中心
51121
代理人 郭纯武
(51)Int.Cl.
H01Q 3/04(2006.01)
H01Q 21/00(2006.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本发明公开的一种L波段机载前舱低仰角覆
盖卫通相控阵天线，旨在提供一种方法简单、尺
寸小、低仰角覆盖的卫通相控阵天线。本发明通
极化微带天线，每个微带天线单元a以工作频率
对应的波长，按相邻微带贴片天线单元距离为05
波长沿直线均匀排列为倾斜天线阵，两个直线天
线阵关于屋脊顶部对称，每个直线阵通过T/R组
件中移相器相位的改变进行一维波束扫描覆盖
方位180°范围，再通过开关对两列天线进行切
换，实现方位波束的360°覆盖。本发明结构简单、
容易实现、成本低廉，
适用于机载前舱卫星通信。权利要求书1页 说明书3页 附图4页CN 112103649 A 2020.12.18
C N 112103649
A
1.一种L波段机载前舱低仰角覆盖卫通相控阵天线，包括：呈屋顶型的天线阵面(A)，屋脊两面分别为波束覆盖上半空域的直线天线阵，其特征在于：天线单元采用宽带圆极化微带天线，每个微带天线单元(a)以工作频率对应的波长λ0，
按相邻微带贴片天线单元距离为0.5λ0沿直线均匀排列为倾斜天线阵，
两个直线天线阵关于屋脊顶部对称，每个直线阵通过T/R组件中移相器相位的改变进行一维波束扫描覆盖方位180°范围，再通过开关对两列天线进行切换，实现方位波束的360°覆盖。
2.如权利要求1所述的L波段机载前舱低仰角覆盖卫通相控阵天线，其特征在于：两个直线天线阵阵面与水平面夹角为20°～30°。
3.每个直线天线阵中至少包括6个天线单元(a)，6个天线单元(a)沿直线均匀排列，相邻单元距离为0.5λ0，λ0为工作频率对应的波长。
4.如权利要求1所述的L波段机载前舱低仰角覆盖卫通相控阵天线，其特征在于：天线单元(a)包括：辐射
微带板(1)、盒体(2)、馈电网络母板(3)、支撑柱(4)、馈电针(5)组成，其中，辐射微带板(1)通过4个对称的T型开槽展宽带宽。
5.如权利要求1所述的L波段机载前舱低仰角覆盖卫通相控阵天线，其特征在于：辐射微带板(1)和馈电网络母板(3)之间通过中心的支撑柱(4)来支撑，支撑柱(4)通过螺钉(7)固定在辐射微带板(1)和馈电网络母板(3)上。
6.如权利要求1所述的L波段机载前舱低仰角覆盖卫通相控阵天线，其特征在于：馈电网络母板(3)靠近矩形宽边的SMP接头(6)通过两个螺钉(7)穿过SMP接头法兰上的安装孔固定在馈电网络母板(3)上。
7.如权利要求1所述的L波段机载前舱低仰角覆盖卫通相控阵天线，其特征在于：在偏离支撑柱(4)法向的两端设有两根平行对称的馈电针(5)，两根馈电针(5)一端焊接在辐射微带板1的上表面，另一端固定在馈电网络母板3的下表面，并且馈电针(5)自辐射微带板
(1)上表面开始，自上而下，依次穿过辐射微带板(1)、盒体(2)内的空气腔和馈电网络母板
(3)。
8.馈电网络母板(3)上的电桥产生两路幅度相等、相位相差90°的射频信号，两路信号通过2根平行对称的馈电针(5)给辐射微带板(1)馈电，最后通过辐射微带板将能量辐射出去。
9.如权利要求1所述的L波段机载前舱低仰角覆盖卫通相控阵天线，其特征在于：馈电网络母板(3)通过一个带法兰的SMP接头(6)馈入射频信号，两根馈电针(5)给辐射微带板
(1)馈电，馈电网络母板(3)上的电桥产生两路幅度相等、相位相差90°的射频信号，两路信号通过两根平行对称的馈电针(5)馈入辐射微带板a1，辐射微带板a1将能量辐射出去。
10.如权利要求1所述的L波段机载前舱低仰角覆盖卫通相控阵天线，其特征在于：天线阵面的波束覆盖包含10～14个波位来覆盖上半空域，两个直线天线阵各产生5～7个波位；当T/R组件中的开关切换至其中一个直线阵时，通过T/R组件中移相器相位的改变，直线阵进行一维波束扫描产生5～7个波位，覆盖方位180°范围；当T/R组件中的开关切换至另一个直线阵时，通过T/R组件中移相器相位的改变，另一个直线阵也进行一维波束扫描产生剩余5～7个波位，覆盖方位剩余180°范围，通过开关和移相器的配合，天线最终实现波束的方位360°覆盖。
权 利 要 求 书1/1页CN 112103649 A
L波段低仰角覆盖机载前舱卫通相控阵天线
技术领域
[0001]本发明属于L波段机载卫通天线领域，涉及一种用于机载前舱卫星通信的L波段低 仰角覆盖相控阵
天线。
背景技术
[0002]20世纪以前，民航飞机在跨洋和偏远地区只能通过航空短波、超短波通信实现空地 通信、空中交通管理，随着卫星导航通信系统的引入，可实现整个航路，甚至全球范围内的 空地通信机航空交通管理服务。卫星移动通信与地面移动通信相比，最大的优势在于可以实 现地球表面无缝隙覆盖，真正随时随地传递信息。
[0003]机载卫星通信设备能够为飞机提供可靠实时移动的通信手段，是保障飞行安全和空 地通信的重要装备。机载卫星通信系统可分为驾驶舱卫星通信(即机载前舱卫星通信)和客 舱卫星通信。前舱通信属于安全业务通信，是必须安装在航空器上的无线电设备。[0004]现有技术公开了一种工作于UHF频段圆极化机载卫星通信天线，该天线采用相位相 差90°馈电的一对正交对称振子的方式实现圆极化，通过移相器来实现90°的相位差，通 过增大振子宽度和在辐射体边缘引入寄生单元等方法，来实现天线的宽频带、宽波束、高增 益。UHF频段卫星通信天线圆极化部分由两对正交馈电的对振子天线组成。这种天线的半 波振子天线的带宽较窄，需要通过增加振子直径的方法增大天线带宽。其对称振子天线采用 非平衡的同轴线馈电时还需要加入平衡器才能保证天线的方向图不会发生畸变。并且还要采 用带阻抗补偿的Ⅲ型巴伦作为振子天线的平衡器。由于交叉偶极子作为天线单元的平面阵实 现的尺寸较大，不能实现机
载前舱共形。L频段传输链路受雨雪、温度等天气等影响极小， 是卫星通信的黄金频段，海事前四代卫星系统均基于L波段。L波段阵列天线在充分利用平 台空间的情况下，利用自身波长较长的优势，可以获得优异的远距离探测性能，同时在恶劣 天气环境中的穿透力及复杂地面杂波下的可靠性也较好。
[0005]为了满足低纬度卫星的通信要求，需要天线具有低仰角高增益的特点，这就要求天 线在宽波束内实现高增益。海事卫星要求L波段机载终端天线覆盖仰角5°以上85％的空域， 因此，需要设计宽角覆盖的天线阵列。通常实现天线阵列的宽角覆盖的方法有以下几种：
第一种是设计出宽波束的天线单元。天线单元波束越宽，低仰角增益越大，阵列就能覆盖更 低的仰角。但是这种方法有以下缺点：首先，天线单元小型化的优化仿真耗时耗力；其次， 天线单元过分小型化会造成天线辐射效率低，增益降低；最后，大多宽波束天线单元的波束 覆盖范围都在120°(±60°)左右，距离海事要求的仰角5°(即±85°锥角范围)还有 较大差距。
[0006]第二种是采用机械扫描和电扫描混合的方式。在电扫描不能覆盖的区域，采用机械 转台改变天线姿态，从而达到宽角覆盖的目的。但是机械扫描需要额外的伺服驱动装置，而 机载平台空间有限，且由于低风阻等原因对剖面要求很低，所以机械扫描并不是最佳选择。
[0007]2004年，St.D.llcev发表的一篇论文里提到了加拿大Marconi公司和美国的Tecom 公 司生产的L波段机载前舱卫通天线，是用交叉偶极子作为天线单元的平面阵实现的，尺寸较 大。本发明提出一种“屋
顶型”共形阵，结合一种小型化宽带天线单元，用较小的阵面规模 实现低仰角覆盖。
发明内容
[0008]本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种方法简单、尺寸小、 低仰角覆盖的L波段机载前舱卫通相控阵天线。
[0009]本发明实现上述目的一种L波段机载前舱低仰角覆盖卫通相控阵天线，包括：呈屋 顶型的天线阵面A，屋脊两面分别为波束覆盖上半空域的直线天线阵，其特征在于：天线单 元采用宽带圆极化微带天线，每个微带天线单元a以工作频率对应的波长λ0，按相邻微带天 线单元贴片距离为0.5λ0沿直线均匀排列为倾斜天线阵，两个直线天线阵关于屋脊顶部对称， 每个直线阵通过T/R组件中移相器相位的改变进行一维波束扫描覆盖方位180°范围，再通 过开关对两列天线进行切换，实现方位波束的360°覆盖。
[0010]本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明采用呈屋顶型的天线阵面A，屋脊两面分别为为波束覆盖上半空域的直线天线阵，这种 基于“屋顶型”共形阵技术实现低仰角覆盖，“屋顶型”共形阵结合一种小型化宽带微带天 线单元，用较小的阵面规模实现低仰角覆盖，不过分依赖天线单元的小型化，也不依赖于笨 重的机械扫描，相比现有的平面阵，方法简单易行，阵面尺寸小，覆盖空域范围大。仿真及 实测结果表明，该相控阵天线在仰角5°以上88％的
空域内右旋圆极化增益大于等于6dB。 本发明结构简单、容易实现、成本低廉，适用于机载前舱卫星通信，有利于L波段机载前舱 卫通天线领域的自主化发展。
附图说明
[0011]此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的 示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1是本发明L波段机载前舱低仰角覆盖卫通相控阵天线阵面的主视图。
[0012]图2是图1的侧视图。
[0013]图3是天线单元的三维示意图。
[0014]图4是图3的爆炸图。
[0015]图5是天线单元的俯视图。
[0016]图6是天线阵面波束覆盖图。
[0017]图中：A天线阵列，a天线单元，1辐射微带板，2盒体，3馈电网络母板，4支撑柱， 5馈电针，6SMP接头，7螺钉。
[0018]为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结 合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用 以解释本发明，并不用于限定本发明。
具体实施方式
[0019]参阅图1～图5。在以下描述的实施例中，本发明实现上述目的一种L波段机载前舱低仰角覆盖卫通相控阵天线，包括：呈屋顶型的天线阵面A，屋脊两面分别为波束覆盖上半空域的直线天线阵。天线单元采用宽带圆极化微带天线，每个微带天线单元a以工作频率对
应的波长，按相邻微带天线单元贴片距离为沿直线均匀排列为倾斜天线阵，两个直线天线阵关于屋脊顶部对称，每个直线阵通过T/R组件中移相器相位的改变进行一维波束扫描覆盖方位180°范围，再通过开关对两列天线进行切换，实现方位波束的360°覆盖。[0020]可选地，每个直线天线阵阵面与水平面夹角为20°～30°。
[0021]在可选的实施例中，每个直线天线阵中至少包括6个天线单元a，6个天线单元a沿 直线均匀排列，
相邻单元距离为0.5λ0，λ0为工作频率对应的波长。
[0022]在辐射微带板1上设置的矩形微带贴片上设有4个中心对称的T型槽用来展宽带宽。
[0023]天线单元a包括：辐射微带板1、盒体2、馈电网络母板3、支撑柱4、馈电针5组成， 其中，辐射微带板1通过4个对称的T型开槽展宽带宽。
[0024]辐射微带板1和馈电网络母板3之间通过中心的支撑柱4来支撑，支撑柱4通过螺 钉7固定在辐射微带板1和馈电网络母板3上。辐射微带板1、馈电网络母板3通过螺钉7 自下而上固定在盒体2上。
[0025]天线单元a通过一个带法兰的SMP接头6馈入射频信号，SMP接头6通过两个螺钉 7穿过法兰上的安装孔固定在馈电网络母板3上。
[0026]在偏离支撑柱4法向的两端设有两根平行对称的馈电针5，两根馈电针5一端焊接 在辐射微带板1的上表面，另一端固定在馈电网络母板3的下表面，并且馈电针5自辐射微 带板1上表面开始，自上而下，依次穿过辐射微带板1、盒体2内的空气腔和馈电网络母板3。[0027]馈电网络母板3上的电桥产生两路幅度相等、相位相差90°的射频信号，两路信号 通过2根平行对称的馈电针5给辐射微带板1馈电，最后通过辐射微带板将能量辐射出去。[0028]参阅图7，给出了天线阵面的波束覆盖图，天线阵面的波束覆盖包含10～14个波位 来覆盖上半空域，两个直线天线阵各产生5～7个波位；
当T/R组件中的开关切换至其中一个直线阵时，通过T/R组件中移相器相位的改变，该直线 阵进行一维波束扫描产生5～7个波位，覆盖方位180°范围；当T/R组件中的开关切换至 另一个直线阵时，通过T/R组件中移相器相位的改变，另一个直线阵也进行一维波束扫描产 生剩余7个波位，覆盖方位剩余180°范围，通过开关和移相器的配合，天线最终实现波束 的方位360°覆盖。
[0029]本实施例所述的天线阵面可覆盖仰角5°以上88％的空域，可满足机载前舱卫星通信 的需求。
[0030]尽管上述已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可 以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变 型，本发明的范围由所附权力要求及其等同物限定。
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