李聪聪，贾彦辉，高建海，那晶晶

(河北远东通信系统工程有限公司，河北 石家庄 050081)

机载A-E型平板天线包络尺寸的预估方法

李聪聪，贾彦辉，高建海，那晶晶

(河北远东通信系统工程有限公司，河北 石家庄 050081)

针对目前应用越来越多的机载A-E型平板天线，分析了该类型天线的结构形式，包括平板阵列天线和A-E型天线座架，给出了相应的简化模型，在此基础上分别推导出该类型天线包络尺寸中的直径和高度的预估数学模型，进而提出了机载A-E型机载平板天线包络尺寸的预估模型。

A-E型；机载平板天线；包络尺寸；预估方法

随着科学技术的发展和时代的进步，卫星移动点波束、抗干扰、双向IP宽带等技术不断革新，同时机载天线的自动跟踪、小型化等技术也不断成熟，使得机载卫星通信越来越受到军事通信领域的关注。机载A-E型平板天线则是机载卫星通信中最为常见的一种，需求越来越多。在天线的方案设计阶段，包络尺寸是一个不可或缺的技术指标。笔者给出了一种机载A-E型平板天线的包络尺寸的预估方法。

1 A-E型平板天线结构特性

该类型天线的面板采用平板阵列型，在同一辐射口面集成两种正交的线极化阵列，使得能够按照任意线极化方式工作。其结构形式一般可以简化为长方体，且平板阵列天线的安装面为其底面。如图1所示为平板阵列天线的简化示意图。

图1 平板阵列天线简化示意图

其中L为平板阵列天线的长度，B为平板阵列天线的宽度，S为平板阵列天线的厚度。

天线座架有多种结构型式。在各种座架中，应用最广的是两轴天线座。A-E型(方位-俯仰型)天线座则是应用最为广泛的两轴天线座。该类型天线座以地面为基准,所以也称为地平式天线座。它的方位轴与地面垂直，俯仰轴与方位轴垂直。这种座架结构紧凑，承载能力大，调整测量方便。其结构形式如图2所示。

图2 A-E型天线座架简化示意图

其中L轴为天线方位轴与俯仰轴之间的距离，H俯为俯仰轴与天线座架安装面之间的距离，H轴为俯仰轴与天线安装面之间的距离。

机载A-E型平板天线的运动形式主要为方位360°连续转动和俯仰0°～90°运动。在连续全方位的运动过程中，天线所能达到的区域称为天线的运动空间。天线最大的运动空间的边界尺寸即为该天线的包络尺寸。机载A-E型平板天线的运动空间如下图3所示。下半部分为圆柱，上半部分为半个椭圆球。对该包络尺寸的描述需要分段描述，为了简化，可以将此运动空间进行简化，等效为一个圆柱，如图4所示。

图3 A-E型平板天线的运动空间 图4 A-E型平板天线的运动空间的简化示意图

由机载A-E型平板天线的简化运动空间可以得出其包络尺寸为一圆柱面，其中Φ为包络尺寸的直径，H为包络尺寸的高度。

2 机载A-E型平板天线包络尺寸的预估方法

通过上述对机载A-E型平板天线的结构特性分析，得出了其包络尺寸的简单数学描述，下面将结合平板阵列天线与A-E型天线座架的运动形式与结构尺寸，进一步给出影响包络尺寸的相关因素，并给出包络尺寸具体的数学模型。

机载A-E型平板天线的运动包络面是由其包络边界的运动形成的，因此包络尺寸的预估可以转化为包络边界的最大运动范围的预估。下面将从包络点开始寻求机载A-E型平板天线包络尺寸的预估方法。

2.1 包络边界的确定

机载A-E型平板天线的运动由俯仰运动和方位运动组成，包络边界则是两种运动中各自包络边界的交集。

机载A-E型平板天线的俯仰运动是指平板阵列天线及其支撑组合围绕俯仰轴的转动，其转动范围一般为0°～90°。运动过程如图5所示。

图5 俯仰运动包络面的确定

图6 方位运动包络面的确定

其中H面为平板阵列天线与天线座架安装面之间的距离。从图中可以看出在俯仰运动中，最大的俯仰包络面的形状为部分圆柱面，包络边界是平板阵列在所处姿态时天线顶面的、长度方向上的两条对称边，最大的包络半径即为该包络边界与俯仰轴之间的距离。

机载A-E型平板天线的方位运动是指平板阵列天线、俯仰机构及其方位转盘等围绕方位轴的转动，其转动范围一般为360°连续。运动过程如图6所示。

从图6中可以看出在方位运动中，最大的方位包络面的形状为圆柱面，包络边界是平板阵列天线在所处姿态时前端侧面的、厚度方向上的两条对称边，最大的包络半径即为该包络边界与方位轴之间的距离。

上述可知俯仰运动和方位运动的包络边界均为两条对称边，其交集为位于天线前端面的俯仰包络边界两侧的两个对称点，即为机载A-E型平板天线的包络边界，其中一点即为图6中方位包络半径与方位包络面的交点。

2.2 包络尺寸的数学模型

结合机载A-E型平板天线的结构特性以及包络边界的位置特点，建立预估包络尺寸的数学模型。

2.2.1 包络尺寸中直径的数学模型

首先定义相关的物理参量：

R为机载A-E型平板天线的包络半径，R俯为俯仰包络半径，R俯Max为最大的俯仰包络半径，R方为方位包络半径，R方Max为最大的方位包络半径。

结合图3可以求出最大的俯仰包络半径：

方位包络半径与俯仰包络半径的关系如图7所示。

图7 方位包络半径与俯仰包络半径的关系图

结合图7中关系可以得出方位包络半径的数学表达式：

同理可以得出最大方位包络半径与最大俯仰包络半径的关系：

将最大俯仰包络半径的表达式带入上式中可得处最大方位包络半径：

根据机载A-E型平板天线的包络半径、最大俯仰包络半径与最大方位包络半径三者之间的关系可以确定：

进而给出机载A-E型平板天线包络尺寸中直径的预估数学模型：

2.2.2 包络尺寸中高度的数学模型

结合确定包络边界部分的分析，机载A-E型平板天线包络尺寸中的高度仅与俯仰运动有关，与方位运动无关，因此包络尺寸的高度与俯仰运动中包络尺寸的高度相同。结合图5中包络尺寸高度随俯仰运动中的变化关系，可以得到包络尺寸高度的数学表达式：

式中H面主要由两方面确定，一方面是天线座架连接板的厚度，对于小型化的机载平板天线而言，连接板的厚度一般取4～6mm；另一方面是平板阵列天线距天线座架连接板之间的距离，该距离需要考虑天线在使用过程中的振动间隙，一般取10～15mm。综合两方面的考虑，H面设一般取20mm即可满足要求。

则包络尺寸中高度的预估数学模型为：

2.2.3 包络尺寸的数学模型

综合机载A-E型平板天线包络尺寸的直径和高度的预估数学模型，得到包络尺寸的预估数学模型：

3 结束语

针对目前应用越来越多的A-E型机载平板天线，分析了平板阵列天线和A-E型天线座架的结构特性，结合方位和俯仰运动的实现过程，确定出该类型天线的运动空间并进行了适当的简化，得出天线的包络尺寸的数学表达；最后本文根据天线包络边界的形成原理提出了包络尺寸的预估数学模型。该预估方法主要应用于小型化的机载A-E型平板天线，其预估结论在多个机载天线的设计中得到验证，具有较大的实用性。

[1] 吴凤高.天线座结构设计[M].西安：西北电讯工程学院出版社，1986.

[2] 张亚林.太阳射电观测系统的极轴天线座架设计[J].无线电通信技术，2009，35(5)：40-43.

[3] 米宏伟.机载0.45m卫星通信天线结构设计[J].电讯技术，2012，52(7)：1143-1146.

An prediction method of envelope dimension of A-E airborne plate antenna

LI Cong-cong,JIA Yan-hui,GAO Jian-hai,NA Jing-jing

(HebeiFar-EastCommunicationSystemEngineeringCo.Ltd,ShijiazhuangHebei050081,China)

Aiming at the application of more and more airborne A-E antenna,the structure of this type antenna is analyzed,including a plate antenna and A-E type antenna pedestal,confirm the corresponding simplified model.based on the model,predictive mathematical model of diameter and high degree in envelope dimension of this type antenna are summarized,and then puts forward prediction model of envelope dimension of the A-E airborne plate antenna.

A-E type; Airborne plate antenna; Envelope dimension; Prediction method

2015-05-20

李聪聪(1981-)，男，工程师，主要研究方向：天馈座结构设计.

贾彦辉(1984-)，男，硕士，工程师，主要研究方向：天线结构设计与力学分析.

1001-9383(2015)03-0047-05

TN82

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