(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

0 引 言

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[1]。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。

就卫星资源方面来说，由于卫星移动通信系统的建设是一项复杂的系统工程，国内尚无自建的商用卫星移动通信系统投入运行[2]。国外商用卫星移动通信系统中应用最广泛的就是海事卫星系统。从1979年成立至今，这个系统已经稳定地运行了40年，一直在向用户提供优质的卫星移动通信服务。尤其是2008年，经历了冰雪灾害救援、汶川地震大规模救援、北京奥运会直播、“神舟”七号回收、索马里护航等特殊应用的考验，受到用户的高度肯定。

就使用频率方面来看，Ku和Ka频段的频率资源很多，可实现更高通信容量，适合用于客舱娱乐等业务。但是降雨对Ku和Ka频段电磁波的传输有着不可忽视的影响[3-4]，而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频段。

目前在我国承担高原地区飞行的飞机以及执行跨洋飞行的宽体飞机上很早就要求安装了基于L频段的机载海事卫星通信系统，主要用于解决空中交通管制(Air Traffic Control，ATC)。这些飞机由于没有陆基甚高频(Very High Frequency，VHF)系统支撑，无论是语音、飞机通信寻址和报告系统(Aircraft Communication Addressing and reporting system，ACARS)均通过机载卫星通信系统传送。

由于适航认证等方面原因[5]，目前用于前舱卫星通信的L频段终端系统设备，全部是由国外厂商提供。目前所见公开报道的L频段机载前舱卫通天线为加拿大Marconi公司和美国Tecom公司生产的相控阵[6]，是用交叉偶极子作为天线单元的平面阵实现的，对于有限的机载平台来说尺寸大、剖面高，仍有待改进。

目前国内未见针对L频段机载前舱卫星通信终端的研究。如果能将L频段机载卫通天线国产化，不仅可以满足国内外用户的需求，还能获得很高的经济效益，且具有自主知识产权。

对标ARINC 781-6中的中增益天线(Intermediate Gain Antenna,IGA)指标，笔者研制了适用于机载前舱卫星通信的收发全双工工作的L频段中增益电扫相控阵天线样机。打破以往的平面布阵或机械扫描思维[7]，提出一种“屋顶”形阵列，以一种小型化宽带圆极化天线作为阵元，用较小的阵面规模实现了低仰角覆盖。现阶段的地面静态对星实验结果表明，该样机可实现与海事卫星的稳定通信。。

1 系统方案及组成

1.1 前舱卫星通信设备

前舱卫星通信设备是一款集语音、数据通信功能为一体的通信设备，主要包括海事卫星数据单元(含海事卫星数据单元配置模块)、高功率放大器/低噪声放大器/收发双工器和L频段相控阵天线三个部分。前舱卫星通信设备组成如图1所示。

L频段中增益相控阵天线是前舱卫星通信设备的重要组成部分，完成卫通链路上下行信号的辐射与收集。

1.2 天线方案及组成

针对ARINC 781-6中的一些关键指标的初步分析得出拟采用的方案，整机方案的研究方法如图2所示。

图2 整机方案研究方法

L频段机载前舱卫星通信天线由天线阵面、双工器、T/R组件、波束形成网络、波控器、电源、天线罩等组成，其组成框图如图3所示。

图3 系统组成框图

L频段机载前舱卫星通信天线实现接收和发射全双工工作，完成卫通链路上下行信号的辐射与收集。工作原理:根据端机发来的指令，解析分发该命令后，波控器控制各模块的开关，建立发射和接收信号通道；根据解析出的波束指向命令，波控器控制TR组件内移相器的相位，使天线波束指向目标卫星；激励信号由功分器分给各路TR组件；TR组件将激励信号输出，天线单元辐射/接收右旋圆极化电磁波。

2 “屋顶”形阵面设计

依据ARINC 781-6的要求，L频段机载终端天线需覆盖仰角5°以上85%的空域。ARINC 781-6要求的G/T≥-19 dB/K。考虑全双工工作情况，R组件噪声系数为2.5 dB，天线增益需大于7 dB才能满足G/T值的要求，即L频段机载终端天线增益大于7 dB需覆盖仰角5°以上85%的空域。

采用单个天线单元很难实现上述要求，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[8-10]。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，但是天线单元小型化的优化仿真耗时耗力。第二种是采用机械扫描和电扫描混合的方式[11]。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，且由于气动等原因对剖面要求很低，所以机械扫描并不是最佳选择。另外，若纯粹靠增加阵列规模来抬高低仰角的增益，阵列规模会成倍增长，代价非常大。

基于以上常规方法的局限性，提出新型天线布局方案。

2.1 阵面布局

对仰角5°以上85%的空域进行球面积分，推算出占该空域85%的范围为仰角13°左右。由于需要覆盖的仰角极低，而常规的平面布阵方式在低仰角增益衰减很大，需要增加单元数目才能实现高增益，故在有限装机尺寸下很难满足极低仰角覆盖，所以考虑左右对称倾斜放置两个线阵，呈“屋顶型”的排布方式，分别覆盖左右半空域，以满足极低仰角覆盖范围的指标要求。

天线倾斜放置(与水平夹角23°)后，此时仰角13°与天线单元自身法向夹角为54°，如图4所示。

图4 天线倾斜放置示意图

天线单元采用低剖面、低成本、适合批量化生产的微带天线形式，天线单元法向增益约为6.2 dB，在偏离天线法向54°相对天线法向增益约下降6.1 dB，则6元阵仰角13°增益估算约为7.8 dB，扣除天线罩和连接器带来的损耗，初步评估应该可以满足增益覆盖范围的要求。发射通道单路功放芯片输出功率设计为34.7 dBmW，以满足ARINC 781-6 中EIRP≥15.1 dBW的要求。

两个1×6阵列切换使用，两个阵列倾斜相对放置，阵列仿真模型如图5所示，其中(b)为带天线罩和模拟机身地板的完整仿真模型。

图5 阵列仿真模型图

2.2 仿真结果

采用Ansys HFSS全波仿真软件对阵列进行仿真。左右阵列各产生7个波束分别覆盖左右上半空间，共计14个波束。满足收发指标的天线增益门限值为7 dB，所以以增益7 dB为等高线绘制天线阵面波束覆盖图，将14个波束的等高线绘制在一张图上，如图6所示。发射波束覆盖率为88.8%，接收波束覆盖率为90.5%，满足指标要求的85%。

(a)接收波束覆盖图

3 测试验证

3.1 暗室测试

依据上述方案，设计加工了L频段机载前舱卫通相控阵天线样机。实物样机剖面高度为70 mm，质量为8.9 kg。

由于要计算波束的空间覆盖率，需要对天线的三维方向图进行测试。多探头球面近场暗室可快速便捷地测试天线的三维方向图，暗室测试照片如图7所示。

图7 球面近场暗室测试照片

实物样机的测试波束覆盖图如图8所示。发射波束覆盖率为89.2%，接收波束覆盖率为88.3%，满足指标要求的85%。

(a)接收波束覆盖图

3.2 静态对星

如图9所示，样机随通信终端进行了地面静态对星试验，试验结果表明，研制的L频段机载前舱卫通相控阵天线实物样机可与海事卫星实现稳定通信，通信速率为310 kb/s(图10)，通信质量良好。

图9 地面静态对星测试照片

图10 通信速率显示界面

4 结 论

本文提出“屋顶”形天线阵列来实现超低仰角覆盖，设计并研制了L频段机载前舱卫通相控阵天线样机。多探头球面近场暗室测试结果表明，在满足EIRP≥15.1 dBW、G/T≥-19 dB/K条件下，天线样机仰角5°以上的收发波束覆盖率在86%以上；现阶段已经开展的地面静态对星试验结果表明，天线样机可与海事卫星实现稳定通信，通信速率为310 kb/s，通信质量良好。相比于以往的平面布阵或机械扫描方案，这是一种规模小、重量轻的低仰角覆盖方法。