一种新型的太阳能无人机分布式相控阵天线_陈军全

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陈军全：一种新型的太阳能无人机分布式相控阵天线
Vol.35 No.7 Jul. 2016
题。因此，针对新的应用平台特点，太阳能无人机 对相控阵天线的整体架构提出了新的需求。 本文提出了一种太阳能无人机分布式相控阵天 线设计方法，采用有源相控阵天线方式，实现高的 天线增益，为太阳能无人机提供高数据率远距离传 输；基于分布式阵列方法，把大口径天线阵列分为 多个面积较小的子阵单元，并共形安装在无人机不 同位置，从而解决安装受限的问题；在分布式天线 子阵单元中安装应变测量元件，利用实时姿态参数 对子阵单元波束指向进行校正，解决子阵单元波束 指向受结构变形影响的问题。最后设计了一种 Ka 频 率分布式相控阵，通过仿真，验证了本文提出方法 的正确性。
天线实时的精确波束指向[4]。 采用有源相控阵天线可以实现高 EIRP 和 G/T 值 的天馈系统[5-6]，满足飞行器高数据率远距离传输。 然而，阵元数目较多（数千个阵元） ，采用常规的相 控阵天线体制大口径阵列设计，阵列的馈电网络设 计难度大，整个阵列的质量和体积无法满足机翼安 装条件。采用分布式天线[7-8]，可以将大口径天线阵 列性能通过多个小口径天线阵列实现，适合太阳能 无人机的机翼安装条件。但是，常规的分布式天线 对每个阵元都进行自适应处理，由于相控阵体天线 的阵元数多，算法很难实现灵活、快捷的特点。对 于无人机平台，人们对分布式阵列开展了相应的研 究，构建了相应的 MIMO(Multiple Input Multiple Output)信道模型，通过采用多天线和空时编码技术 有效对抗多径衰落、机身对天线的遮挡效应、提高 通信容量，实现可靠的通信[4-9]。然而，在这些研究 中很少涉及相控阵天馈系统与应用平台适应性的问
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因此，添加姿态测量单元，子阵单元指向校正 过程简单描述为：首先，根据机上航电系统提供的 姿态参数（ ， ， ）和卫星参数（ ， ） ，获得 卫星在地球坐标系下的坐标；然后，利用子阵单元 姿态测量单元获得天线阵面的姿态参数( ， ， )， 通过坐标变化，最终实现卫星相对于子阵单元阵面 的精确的波束指向( ， )。 1.2 子阵单元信号延时校正 由于子阵单元相互距离可能远远大于波长，导 致其输出信号延时（ l ）可能远远超过一个符号周期 （Tsym） ，如图 2（a）所示。在该情况下，不同子阵 单元的输出信号（符号 a）无交集，无论后级如何进 行相位校正操作，都无法实现子输出信号的同相叠 加，从而导致整个系统无法工作。为了简化子阵单 元设计，延时校正在集中式处理终端中实现，通过 添加数字延时单元，对每个子阵单元的输出中频信 号进行整数倍的采样周期（ Ts ）延时校正，从而 l Ts 。在图 2（b）中，校正后阴影部分为相同符号 重叠部分，那么整个系统可以实现同相叠加。整个 延时校正示意图如图 2 所示（为了表示方便，符号 的载波在图中忽略了） 。
会发生变化。如果直接采用机上航电系统提供的指 向角，子阵单元波束指向将存在严重误差。 为了实现子阵单元精确波束指向，定义三个坐 标系统：地球坐标系（xyz，其中 xy 平面与水平面平 行， z 轴垂直指向天空） 、 机身坐标系 （x′y′z′， 其中 x′y′ 平面为飞机机身平面，z′轴垂直指向天空） 、子阵单 元阵面坐标系（x″y″z″，其中 x″y″平面为阵面平面， z″垂直该平面指向天空） 。 首先， 根据卫星相对于机身的角度： 俯仰角 （ ） 、 ， 航空电子系统的姿态参数： 航向角 （ ） 、 方位角 （ ） 俯仰角（ ） 、横滚角（ ） ，获得卫星在地球坐标 系下坐标，转换公式为：
太阳能无人飞机具有巡航时间长、飞行高度高、 覆盖区域广等优势，可执行侦察监视、预警、探测 等任务，已逐渐引起人们的重视[1-2]。然而，根据临 近空间长航时太阳能无人机的要求，以及大尺度机 翼/机体结构安装和飞行器载荷轻的限制，太阳能无 人机天馈系统设计仍然面临一些挑战。第一，太阳 能无人机飞行高度高、覆盖范围大、通信链路长， 为了确保通信质量，通信链路需满足高数据率远距 离传输[3]，即天线具有高 EIRP（Equivalent Isotropic Radiated Power） 、G/T（Gain/Temperature）值；第二， 为了追求高的气动效率和高空长航时作业，太阳能 无人机一般采用覆盖大量太阳能板的大展弦机翼， 导致平台很难满足大口径天线阵列安装条件。第三， 由于太阳能无人机飞行依靠太阳能，所以机载设备 尽量要减少对飞机能量的消耗。基于轻型结构理念， 太阳能无人机降低了飞机的结构强度，在飞行过程 中容易发生结构变形，为了保证正常通信，需考虑
0Biblioteka Baidu sin 。 cos
其次，根据阵面坐标系下的波束指向角度：俯 ，方位角（ ） 仰角（ ） ，子阵阵面的姿态测量参 （ ） 、 上下弯曲角 （ ） 、 横滚角 （ ） ， 数： 前后扭曲角 获得卫星在阵面坐标系下的坐标，转换公式为：
x x r sin cos y G y r sin sin z z r cos
Novel distributed phase array antenna of solar powered UAV
CHEN Junquan
(Southwest Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)
Abstract: Due to some limitations (long-distance transmission, small-caliber mounting, accurate beam steering), the communication demand of long endurance solar powered unmanned aerial vehicle (UAV) cannot be satisfied by using the traditional phase array antenna. According to these questions, a novel distributed phase array antenna for UAV was proposed. It employed phase array antennas to realize the high data rate and long-distance transmission; and then, it implemented the method based on distributed subarray to solve the installation problem; finally, it also employed the beam correction method used strain measuring devices to establish accurate beam steering. As a sample, a Ka-band distributed phase array antenna was designed. The feasibility of the proposed method is validated by the simulation. Key words: UAV; distributed antenna; phase array antenna; subarray; beam forming remedy; signal combining
收稿日期：2016-04-13 基金项目：国家高技术研究发展计划“863”资助项目（No. 2015AA1443）；国家重点基础研究发展计划“973”资助项目（No. 6131） 作者简介：陈军全（1986－），男，四川广安人，工程师，博士，从事电磁场与天线技术研究，E-mail: chenjqscu@163.com 。 网络出版时间：2016-07-01 10:50:44 网络出版地址： http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160701.1050.013.html
R R R R
（2）
式中：
cos R sin 0
sin cos 0
0 cos 0 ， R 0 1 sin
0 sin 1 0 ， 0 cos
0 1 R 0 cos 0 sin
x x ' r sin cos y R 1 y ' R 1 r sin sin z z ' r cos
1
分布式相控阵天线基本原理
（1）
基于分布式子阵理念，分布式相控阵天线架构 主要包含两个方面：子阵单元和信号合成单元，如 图 1 所示。子阵单元包括天线阵面，波束合成单元 （TR 组件和馈电网络） ，以及提供波束指向信息的 波束控制单元（子阵姿态测量单元和波束控制器） ， [10-11] 具有相控阵系统 基本功能，根据要求可实现发 射和接收波束扫描。信号合成单元的功能是采用自 适应波束形成算法，通过改变各子阵输入和输出信 号的相位，形成一个总的指向波束。每个子阵单元 与信号合成单元之间采用光纤方式连接，实现轻量 化设计，同时支持高速数据传输要求。
第 35 卷 第 7 期 2016 年 7 月
电 子 元 件 与 材 料 ELECTRONIC COMPONENTS AND MATERIALS
Vol.35 No.7 Jul. 2016
研究与试制
一种新型的太阳能无人机分布式相控阵天线
陈 军 全
（中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036）
摘要: 由于远距离传输、小口径安装、精确波束指向等诸多因素，传统的相控阵天线无法满足临近空间长航时 太阳能无人机的通信需求。针对此问题，提出了一种新型的太阳能无人机分布式相控阵天线，以实现高数据率远距 离传输；基于分布式阵列方法解决天线安装问题；采用基于应变测量元件的波束校正方法实现精确波束指向。设计 了一种 Ka 频率的分布式相控阵天线，通过仿真，验证了本文提出方法的正确性。 关键词: 无人机；分布式天线；相控阵天线；子阵；波束校正；信号合成 doi: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.07.013 中图分类号: TN823 文献标识码:A 文章编号:1001-2028（2016）07-0053-07
sin cos 0
0 cos 0 sin 0 ， G 0 1 0 ， 1 sin 0 cos
0 0 1 G 0 cos sin 。 0 sin cos
第 35 卷 第 7 期
（3）
G G G G
图 1 分布式相控天线结构框图 Fig.1 The structure of the distributed phase array antenna
（4）
式中： cos G sin 0
为了能够实现分布式相控阵天线实时波束指向 基本功能，系统需完成两个步骤：一是每个子阵单 元的波束合成[12]， 二是所有子阵单元的信号合成[13]。 1.1 子阵单元波束指向校正 对于第一个步骤，太阳能无人机机翼长达几十 米，在飞行过程中存在严重变形，安装在机翼不同 位置的子阵单元相对于卫星或者地面站的实时角度