一種降低衛星動中通多子陣天線高度的方法與流程
本發明屬于衛星通信系統天線設計技術領域，涉及一種降低衛星動中通多子陣天線高度的方法。
背景技術：
隨著衛星通信技術的迅猛發展，動中通衛星通信系統已成為一種實現寬帶移動通信的有效手段，在突發公共事件處理、應急指揮、信息實時傳遞等領域中發揮著非常重要的作用。
動中通需要安裝于載體的頂部才能實現與赤道上空的地球同步軌道衛星進行通信，由于傳統的拋物面動中通系統的天線高度較高，載體的機動性和通過性受到風阻與涵洞、橋梁高度等因素的制約。為此，拋物面動中通地球站在應用時往往對載體進行結構改裝，有的系統在安裝時還要在車頂上挖洞或開槽，該方法破壞了載體的完整性，使得系統的推廣應用受到很大的限制。
低輪廓動中通不需要在載體頂部挖洞或開槽，對載體外觀改動少，可保持載體外觀的完整性；另外，安裝低輪廓動中通的載體運動過程中產生的風阻小，遇到陸地上的橋梁、涵洞時可通過性好；戰場中采用低輪廓動中通的作戰單元戰場隱蔽性強，信息傳輸保密性高，能極大地增強其戰場生存能力。
當前低輪廓動中通大部分采用平板天線。綜合國外平板天線動中通的發展，降低平板天線動中通高度的技術方法主要有電子相控陣體制、波束預傾斜技術、多子陣技術和機械相控陣等，其中電子相控陣體制的平板天線造價較高，波束預傾斜技術一般只能適用于緯度跨度較小的國家和地區，不適合我國國情，而多子陣技術是目前國外低輪廓平板天線動中通降低天線高度的主要技術途徑。
與一般的相控陣天線相比，多子陣相控陣天線中的各子陣并不在同一平面上。由于多子陣相控陣天線口徑的離散性，其天饋系統的設計與優化存在著不少難點。
已公開的衛星動中通多子陣天線技術的情況如下：
1、俯仰機掃的可調間距多子陣相控陣天線。以色列Starling公司的MIJET天線及美國RaySat公司的SpeedRay3000動中通天線都屬于這種類型，該類天線的子陣間距及子陣俯仰角可隨著仰角進行調整，其天線性能好，成本高，一般能實現高速雙向通信。由于調節子陣間距的成本會隨著子陣數的增多而成倍的增大，因此該類天線所用的子陣數量較少，方向圖主瓣寬度較寬。
2、俯仰機掃的固定間距多子陣相控陣天線。韓國ETRI的MANT天線及美國RaySat公司的SpeedRay1000動中通天線都屬于這種類型，其中SpeedRay1000是一個單收的動中通系統，其天線結構與SpeedRay3000動中通基本相同，但其售價僅為SpeedRay3000動中通的1/3左右。由于子陣間距固定，該類天線在進行俯仰維掃描時天線的有效口徑會變化，與可調間距的天線相比，其天線性能較差，但天線成本也相對較低。
3、俯仰電掃的固定間距多子陣相控陣天線。瑞士JAST的Hisat天線就屬于這種類型，由于在俯仰維上采用電子掃描，子陣方向圖的主瓣寬度會影響天線的掃描范圍，因此該類天線所用的子陣數量較多，子陣寬度較窄。
綜上所述，上述三類天線的子陣都采用等寬度的均勻陣列，這種設計無法有效降低天線的峰值旁瓣，不利于提高天線的性能，因此需要一種星動中通多子陣天線高度較低、性能優良的技術。
技術實現要素：
本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供了一種降低衛星動中通多子陣天線高度的方法，該方法能夠有效的降低衛星動中通多子陣天線的高度，并且衛星動中通多子陣天線的性能優良。
為達到上述目的，本發明所述的降低衛星動中通多子陣天線高度的方法包括以下步驟：
給多子陣天線中的子陣各輻射單元連接長度不同的延時線，使子陣波束的指向與子陣平面法線方向的夾角為γ，并且γ方向的來波信號在子陣天線單元間的波程差采用延遲補償，使各天線單元信號疊加后在γ方向達到最大；
調節多子陣天線中各子陣單元的寬度，其中，多子陣天線中各子陣單元的寬度逐漸增大。
γ方向的來波信號在子陣的第一天線單元與第n天線單元之間的相位差φn為：φn＝(n-1)kdxsinγ，n＝1…N,則子陣天線的方向圖為：
其中，θ為來波信號與z軸的夾角，為來波信號與x軸的夾角；dx為x軸方向上輻射單元的間距，dy為軸y方向上輻射單元的間距，k為來波信號的自由空間波數，N及M分別為天線板板寬方向上的陣元數及天線板板長方向的陣元數，an(n＝1...N)、am(m＝1...M)分別為天線板板寬方向上陣元的分離加權系數及天線板板長方向上陣元的分離加權系數，為陣元方向圖，exp為指數函數。
本發明具有以下有益效果：
本發明所述的降低衛星動中通多子陣天線高度的方法采用子陣預傾斜方法，通過給多子陣天線中的子陣各輻射單元連接長度不同的延時線，使子陣波束的指向與子陣平面法線方向的夾角為γ，使天線板與水平面的夾角β降低，從而降低天線的高度，同時本發明采用不等寬子陣技術提高多子陣天線的性能，具體的，通過調節多子陣天線中各子陣單元的寬度，其中，多子陣天線中各子陣單元的寬度逐漸增大，需要說明的是，在多子陣天線中，多子陣天線的峰值旁瓣電平是由各子陣單元的間距決定的，本發明采用不等寬子陣技術可以有效克服子陣單元等間距分布引起的天線方向圖周期性，有利于降低衛星動中通多子陣天線的峰值旁瓣電平，進而提高多子陣天線的性能。
附圖說明
圖1為本發明中子陣預傾斜方法的原理圖；
圖2為本發明中實現子陣預傾斜方法的饋線網絡結構；
圖3為本發明中不等寬子陣技術的原理示意圖；
圖4為本發明第一個實施例中子陣預傾斜不同角度時天線的主瓣寬度變化示意圖；
圖5為本發明第一個實施例中子陣預傾斜不同角度時天線的峰值旁瓣電平變化示意圖；
圖6為本發明第二個實施例中采用不等寬子陣技術時多子陣天線的主瓣寬度變化示意圖；
圖7為本發明第二個實施例中采用不等寬子陣技術時多子陣天線的峰值旁瓣電平變化示意圖；
圖8為本發明第二個實施例中采用等寬子陣的多子陣天線方向圖；
圖9為本發明第二個實施例中不等寬子陣技術時的多子陣天線方向圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述：
參考圖1、圖2及圖3，本發明所述的降低衛星動中通多子陣天線高度的方法包括以下步驟：
給多子陣天線中的子陣各輻射單元連接長度不同的延時線，使子陣波束的指向與子陣平面法線方向的夾角為γ，并且γ方向的來波信號在子陣天線單元間的波程差采用延遲補償，使各天線單元信號疊加后在γ方向達到最大；
調節多子陣天線中各子陣單元的寬度，其中，多子陣天線中各子陣單元的寬度逐漸增大。
γ方向的來波信號在子陣的第一天線單元與第n天線單元之間的相位差φn為：φn＝(n-1)kdxsinγ，n＝1…N,則子陣天線的方向圖為：
其中，θ為來波信號與z軸的夾角，為來波信號與x軸的夾角；dx為x軸方向上輻射單元的間距，dy為軸y方向上輻射單元的間距，k為來波信號的自由空間波數，N及M分別為天線板板寬方向上的陣元數及天線板板長方向的陣元數，an(n＝1...N)、am(m＝1...M)分別為天線板板寬方向上陣元的分離加權系數及天線板板長方向上陣元的分離加權系數，為陣元方向圖，exp為指數函數。
實施例一
多子陣天線的子陣陣元數量Q＝10，子陣內的陣元數量N＝2，子陣間距D＝4.8cm，天線的工作頻率f0＝12.5GHz，天線的俯仰掃描范圍[20°,70°]，子陣單元的預傾斜角度γ＝0°、10°、20°及40°。
當α＝40°時，若波束預傾斜角度γ＝10°，則天線板的高度可以降低16％，不同預傾斜角度下的多子陣相控陣天線主瓣寬度和峰值旁瓣電平變化如圖4及圖5所示，子陣預傾斜技術對多子陣天線的主瓣寬度影響不大，但可以顯著降低仰角時的天線峰值旁瓣電平，有利于天線性能的提升。高仰角時，受子陣間遮擋的影響，峰值旁瓣電平改善不顯著，預傾斜角度較大時還會抬升峰值旁瓣，因此波束預傾斜的角度不宜過大。
實施例二
多子陣天線的子陣陣元數量Q＝10，陣元間距dx＝1.44cm，天線工作頻率f0＝12.5GHz，天線俯仰掃描范圍[20°,70°]：
a)各子陣單元等寬時，Nq＝2，q＝1,2,…9,10，其中，q為子陣單元的序號；
b)各子陣單元的寬度遞增指數為1時，Nq＝4，q＝1,2；Nq＝3，q＝4,3；Nq＝2，q＝5,6,7。
采用不等寬子陣技術的多子陣天線的陣元總數量與等寬結構的天線相同，即天線口徑一致，理論上本發明設計的天線與等寬結構的天線具有相同的天線增益，因此其主瓣寬度基本相同，如圖6所示的主瓣寬度；從圖7中可知，采用不等寬子陣技術可以顯著降低多子陣天線的峰值旁瓣電平，尤其是高仰角時的峰值旁瓣。
對比圖8及圖9，采用不等寬子陣技術的天線結構克服了子陣單元方向圖中的周期性，顯著降低了天線的峰值旁瓣電平。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明作任何限制，凡是根據本發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬于本發明技術方案的保護范圍內。
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