一种低轨卫星通信锥台共形阵列天线设计

电子设计工程

Electronic Design Engineering

第26卷Vol.26第14期No.142018年7月Jul.2018

收稿日期：2017-12-08

稿件编号：201712038

基金项目：国家自然科学基金（61601295）；科技部国家重点研发计划（2017YFB0502902）；上海市扬帆计划

（16YF1411000）；中科院创新基金（CXJJ-16S033）

作者简介：李凯（1991—），男，山东莱芜人，硕士研究生。研究方向：卫星移动通信。

现代低轨小卫星具有设备复杂度低（易小型化）、通信时间延迟小、功能与抗毁性强、安全性高、应急能力与灵活性强、实用性与可靠性高、系统建设周期短、投资和发射与运营成本相对较小等特点[1]，在科学探测、数据通信和消息传输等领域有着广泛的应用。因此，对具有高增益、轻量化、低仰角等特点的低轨卫星通信终端天线的需求日益迫切[2]。

目前，为了使星载终端天线达到全空域波束覆盖的目的，阵列天线主要采用多面阵列天线、抛物面天线以及共形（曲面）阵列天线3种[3]。文献[4-7]将传统平面阵进行倾斜，使其与水平面形成一定的倾角，这样的阵列利用自有的倾角可以实现主瓣指向更大的俯仰角度，但这种设计会导致旁瓣相对较

一种低轨卫星通信锥台共形阵列天线设计

李凯1，2，3，赵璐璐2，梁广2，吴迪2，余金培1，

2

（1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海200050；2.上海微小卫星工程中心上海201210；

3.中国科学院大学北京100049）

摘要：针对平面阵列天线俯仰角指向角度有限的不足，设计了一种可实现全空域覆盖的卫星通信锥台共形阵列天线。该阵列采用类圆形的锥台形状，顶面为一平面阵列，侧面由12条棱面围合而成，其顶部平面阵列形成的波束覆盖上半空间的大部分区域，侧面12个棱面产生的波束分别覆盖低仰角空域。利用软件分析了锥台共形阵列天线在全空域时的方向图和增益特性，同时考虑实际应用时的阴影效应，使用锥台不同位置的阵元对不同空域进行波束形成。仿真结果表明该锥台共形阵列天线在全空域内波束覆盖良好。

关键词：锥台共形阵；全空域；波束形成；卫星通信中图分类号：TN823.15

文献标识码：A

文章编号：1674-6236（2018）14-0048-05

Design of truncated cone array antenna for LEO satellite communication

LI Kai 1，2，3，ZHAO Lu⁃lu 2，LIANG Guang 2，WU Di 2，YU Jin⁃pei 1，

2

（1.Shanghai Institute of Micro ⁃system and Information Technology ，Chinese Academy of Science ，Shanghai

200050，China ；2.Shanghai Engineering Center for Micro ⁃satellite ，Shanghai 201210，China ；

3.University of Chinese Academy of Sciences ，Beijing 100049，China ）

Abstract:Aiming at the limited Angle of the planar array antenna ，a satellite communication truncated

cone array antenna with full airspace coverage is designed.The array adopts the type of conical shape ，its top surface is a planar array ，and the cone side surface is surrounded by a combination of 12edges.The beam formed by the top planar planar array covers most area of the high elevation and the 12edges cover

the low elevation area.The antenna directional pattern and gain characteristics of the truncated cone array antennain the full airspace is analyzed by software.At the same time ，the shadow effect in practical application is considered ，and the beams in different direction domains are formed by the array elements of different positions.The simulation results show that the truncated cone array antenna has good directional patterns.

Key words:truncated cone array ；full airspace ；beamforming ；satellite communications

大。文献[8，9]对天线罩做出了一些改进，利用天线罩的折射效应将全空域覆盖的波束集中到一个小的空域范围内，使得折射后的方向转向低仰角，从而实现低仰角的波束覆盖，但天线罩本身会带来较大的插损。文献[10-12]提出了基于球面共形阵列的发射天线，但由于球面阵列的阴影效应较大，在阵元数较少的情况下，形成波束时会造成增益的损失。

本文提出一种锥台共形阵列天线的设计，分析了锥台侧棱面阵元的坐标与阵列整体坐标的转换关系，并研究了锥台共形阵列天线在全空域内的方向图和增益性能，实现了全空域波束覆盖的目的。

1锥台共形阵列天线模型

1.1阵列结构分析

由于所设计的锥台共形阵列可看作由两部分组成，即顶面的平面阵列和侧棱面阵列，而平面阵列阵元与阵列整体坐标系相同，故主要研究侧面棱上各个阵元情况，将锥台共形阵列的几何模型简化成如图1所示的圆锥台形状。

图1锥台共形阵的几何模型

其中坐标原点位于底面圆的中心位置，设侧棱面上有M个圆环阵列均匀排布，每个圆环共有N个阵元，且阵元沿着锥台的母线等间隔排列，圆环间隔为d，m=1为最底面圆环编号，m延Z轴正方向递增，n=1为第m圆环上与x轴正方向夹角为0°的阵元，沿Z轴负方向看，n延逆时针方向递增。

设第m个圆环上的第n个阵元在整体坐标系下

的坐标为(x

mn,y mn,z mn)，则坐标原点到阵元的距离为：

r

mn=x mn2+y mn2+z mn2（1）其俯仰角和方位角分别为

θ

m=arctan(z mn/r mn)（2）

ϕ

mn=nΔφ（3）

上式中，Δϕ为相邻两阵元方位角的差值。则在极坐标系下，阵元的坐标位置矢量可表示为：

r

→=r mn sinθm cosφmn x→+

r

mn sinθm sinφmn y

→+r mn z→（4）若目标方向的单位矢量为：

p

→=sinθd cosφd x→+sinθd sinφd y→+

cosθd z→（5）则可得相对于参考点的波程差为：

β

mn=-

2π

λ(r

→∙P→)

=-kr m[sinθm sinθd cos(φd-φmn)+

cosθm cosθd]

（6）其中，k=2πλ。

设f(θ,φ)为第(m,n)个阵元在全局坐标系下的方向图，则其导向矢量为：

v

mn=f mn(θ,φ)e-jβmn（7）期望信号的导向矢量为：

v

s=f mn(θs,φs)e-jψmn（8）其中，

ψ

mn=kr m[sinθm sinθs cos(φs-φmn)+

cosθm cosθs]（9）为相对于期望信号的波程差。则阵列天线在远场(θ,φ)方向上辐射的合成场[13]为：

E(θ,φ)=∑m=1M∑n=1N w mn∙v mn=W T V（10）

w

mn

为阵列的复加权矢量。

1.2空间点坐标在不同坐标系间的转换

坐标转换主要是为了补偿空间不同坐标之间的位置差异，对于平面阵，由于阵列中所有M×N个阵元的方向性系数、增益以及辐射场等是完全一致的，因而阵列天线总的方向图函数表示为：

F(θ,ϕ)=∑m=1M∑n=1N I mn f n(θ,ϕ)exp(-j∙Δφmn)（11）

式中，Δφ

mn

为第(m,n)个阵元与参考阵元间的空间相位差。由此可见，对于平面阵而言，其阵列总的方向图函数可以写成阵元方向图函数与阵因子的乘加形式。

但对于共形阵来说，由于其侧面棱上阵元的局部坐标系与阵列整体坐标系不同，不能直接利用侧棱上的阵元方向图计算阵列的方向图，因此需要将阵元在局部坐标系下的方向图f(θ′,φ′)转换成在全

李凯，等一种低轨卫星通信锥台共形阵列天线设计