機(jī)載A-E型平板天線包絡(luò)尺寸的預(yù)估方法

李聰聰，賈彥輝，高建海，那晶晶

(河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊 050081)

機(jī)載A-E型平板天線包絡(luò)尺寸的預(yù)估方法

李聰聰，賈彥輝，高建海，那晶晶

(河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊 050081)

針對(duì)目前應(yīng)用越來越多的機(jī)載A-E型平板天線，分析了該類型天線的結(jié)構(gòu)形式，包括平板陣列天線和A-E型天線座架，給出了相應(yīng)的簡(jiǎn)化模型，在此基礎(chǔ)上分別推導(dǎo)出該類型天線包絡(luò)尺寸中的直徑和高度的預(yù)估數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而提出了機(jī)載A-E型機(jī)載平板天線包絡(luò)尺寸的預(yù)估模型。

A-E型；機(jī)載平板天線；包絡(luò)尺寸；預(yù)估方法

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和時(shí)代的進(jìn)步，衛(wèi)星移動(dòng)點(diǎn)波束、抗干擾、雙向IP寬帶等技術(shù)不斷革新，同時(shí)機(jī)載天線的自動(dòng)跟蹤、小型化等技術(shù)也不斷成熟，使得機(jī)載衛(wèi)星通信越來越受到軍事通信領(lǐng)域的關(guān)注。機(jī)載A-E型平板天線則是機(jī)載衛(wèi)星通信中最為常見的一種，需求越來越多。在天線的方案設(shè)計(jì)階段，包絡(luò)尺寸是一個(gè)不可或缺的技術(shù)指標(biāo)。筆者給出了一種機(jī)載A-E型平板天線的包絡(luò)尺寸的預(yù)估方法。

1 A-E型平板天線結(jié)構(gòu)特性

該類型天線的面板采用平板陣列型，在同一輻射口面集成兩種正交的線極化陣列，使得能夠按照任意線極化方式工作。其結(jié)構(gòu)形式一般可以簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體，且平板陣列天線的安裝面為其底面。如圖1所示為平板陣列天線的簡(jiǎn)化示意圖。

圖1 平板陣列天線簡(jiǎn)化示意圖

其中L為平板陣列天線的長(zhǎng)度，B為平板陣列天線的寬度，S為平板陣列天線的厚度。

天線座架有多種結(jié)構(gòu)型式。在各種座架中，應(yīng)用最廣的是兩軸天線座。A-E型(方位-俯仰型)天線座則是應(yīng)用最為廣泛的兩軸天線座。該類型天線座以地面為基準(zhǔn),所以也稱為地平式天線座。它的方位軸與地面垂直，俯仰軸與方位軸垂直。這種座架結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力大，調(diào)整測(cè)量方便。其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 A-E型天線座架簡(jiǎn)化示意圖

其中L軸為天線方位軸與俯仰軸之間的距離，H俯為俯仰軸與天線座架安裝面之間的距離，H軸為俯仰軸與天線安裝面之間的距離。

機(jī)載A-E型平板天線的運(yùn)動(dòng)形式主要為方位360°連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)和俯仰0°～90°運(yùn)動(dòng)。在連續(xù)全方位的運(yùn)動(dòng)過程中，天線所能達(dá)到的區(qū)域稱為天線的運(yùn)動(dòng)空間。天線最大的運(yùn)動(dòng)空間的邊界尺寸即為該天線的包絡(luò)尺寸。機(jī)載A-E型平板天線的運(yùn)動(dòng)空間如下圖3所示。下半部分為圓柱，上半部分為半個(gè)橢圓球。對(duì)該包絡(luò)尺寸的描述需要分段描述，為了簡(jiǎn)化，可以將此運(yùn)動(dòng)空間進(jìn)行簡(jiǎn)化，等效為一個(gè)圓柱，如圖4所示。

圖3 A-E型平板天線的運(yùn)動(dòng)空間 圖4 A-E型平板天線的運(yùn)動(dòng)空間的簡(jiǎn)化示意圖

由機(jī)載A-E型平板天線的簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)空間可以得出其包絡(luò)尺寸為一圓柱面，其中Φ為包絡(luò)尺寸的直徑，H為包絡(luò)尺寸的高度。

2 機(jī)載A-E型平板天線包絡(luò)尺寸的預(yù)估方法

通過上述對(duì)機(jī)載A-E型平板天線的結(jié)構(gòu)特性分析，得出了其包絡(luò)尺寸的簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)描述，下面將結(jié)合平板陣列天線與A-E型天線座架的運(yùn)動(dòng)形式與結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)一步給出影響包絡(luò)尺寸的相關(guān)因素，并給出包絡(luò)尺寸具體的數(shù)學(xué)模型。

機(jī)載A-E型平板天線的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)面是由其包絡(luò)邊界的運(yùn)動(dòng)形成的，因此包絡(luò)尺寸的預(yù)估可以轉(zhuǎn)化為包絡(luò)邊界的最大運(yùn)動(dòng)范圍的預(yù)估。下面將從包絡(luò)點(diǎn)開始尋求機(jī)載A-E型平板天線包絡(luò)尺寸的預(yù)估方法。

2.1 包絡(luò)邊界的確定

機(jī)載A-E型平板天線的運(yùn)動(dòng)由俯仰運(yùn)動(dòng)和方位運(yùn)動(dòng)組成，包絡(luò)邊界則是兩種運(yùn)動(dòng)中各自包絡(luò)邊界的交集。

機(jī)載A-E型平板天線的俯仰運(yùn)動(dòng)是指平板陣列天線及其支撐組合圍繞俯仰軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)范圍一般為0°～90°。運(yùn)動(dòng)過程如圖5所示。

圖5 俯仰運(yùn)動(dòng)包絡(luò)面的確定

圖6 方位運(yùn)動(dòng)包絡(luò)面的確定

其中H面為平板陣列天線與天線座架安裝面之間的距離。從圖中可以看出在俯仰運(yùn)動(dòng)中，最大的俯仰包絡(luò)面的形狀為部分圓柱面，包絡(luò)邊界是平板陣列在所處姿態(tài)時(shí)天線頂面的、長(zhǎng)度方向上的兩條對(duì)稱邊，最大的包絡(luò)半徑即為該包絡(luò)邊界與俯仰軸之間的距離。

機(jī)載A-E型平板天線的方位運(yùn)動(dòng)是指平板陣列天線、俯仰機(jī)構(gòu)及其方位轉(zhuǎn)盤等圍繞方位軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)范圍一般為360°連續(xù)。運(yùn)動(dòng)過程如圖6所示。

從圖6中可以看出在方位運(yùn)動(dòng)中，最大的方位包絡(luò)面的形狀為圓柱面，包絡(luò)邊界是平板陣列天線在所處姿態(tài)時(shí)前端側(cè)面的、厚度方向上的兩條對(duì)稱邊，最大的包絡(luò)半徑即為該包絡(luò)邊界與方位軸之間的距離。

上述可知俯仰運(yùn)動(dòng)和方位運(yùn)動(dòng)的包絡(luò)邊界均為兩條對(duì)稱邊，其交集為位于天線前端面的俯仰包絡(luò)邊界兩側(cè)的兩個(gè)對(duì)稱點(diǎn)，即為機(jī)載A-E型平板天線的包絡(luò)邊界，其中一點(diǎn)即為圖6中方位包絡(luò)半徑與方位包絡(luò)面的交點(diǎn)。

2.2 包絡(luò)尺寸的數(shù)學(xué)模型

結(jié)合機(jī)載A-E型平板天線的結(jié)構(gòu)特性以及包絡(luò)邊界的位置特點(diǎn)，建立預(yù)估包絡(luò)尺寸的數(shù)學(xué)模型。

2.2.1 包絡(luò)尺寸中直徑的數(shù)學(xué)模型

首先定義相關(guān)的物理參量：

R為機(jī)載A-E型平板天線的包絡(luò)半徑，R俯為俯仰包絡(luò)半徑，R俯Max為最大的俯仰包絡(luò)半徑，R方為方位包絡(luò)半徑，R方Max為最大的方位包絡(luò)半徑。

結(jié)合圖3可以求出最大的俯仰包絡(luò)半徑：

方位包絡(luò)半徑與俯仰包絡(luò)半徑的關(guān)系如圖7所示。

圖7 方位包絡(luò)半徑與俯仰包絡(luò)半徑的關(guān)系圖

結(jié)合圖7中關(guān)系可以得出方位包絡(luò)半徑的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

同理可以得出最大方位包絡(luò)半徑與最大俯仰包絡(luò)半徑的關(guān)系：

將最大俯仰包絡(luò)半徑的表達(dá)式帶入上式中可得處最大方位包絡(luò)半徑：

根據(jù)機(jī)載A-E型平板天線的包絡(luò)半徑、最大俯仰包絡(luò)半徑與最大方位包絡(luò)半徑三者之間的關(guān)系可以確定：

進(jìn)而給出機(jī)載A-E型平板天線包絡(luò)尺寸中直徑的預(yù)估數(shù)學(xué)模型：

2.2.2 包絡(luò)尺寸中高度的數(shù)學(xué)模型

結(jié)合確定包絡(luò)邊界部分的分析，機(jī)載A-E型平板天線包絡(luò)尺寸中的高度僅與俯仰運(yùn)動(dòng)有關(guān)，與方位運(yùn)動(dòng)無關(guān)，因此包絡(luò)尺寸的高度與俯仰運(yùn)動(dòng)中包絡(luò)尺寸的高度相同。結(jié)合圖5中包絡(luò)尺寸高度隨俯仰運(yùn)動(dòng)中的變化關(guān)系，可以得到包絡(luò)尺寸高度的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中H面主要由兩方面確定，一方面是天線座架連接板的厚度，對(duì)于小型化的機(jī)載平板天線而言，連接板的厚度一般取4～6mm；另一方面是平板陣列天線距天線座架連接板之間的距離，該距離需要考慮天線在使用過程中的振動(dòng)間隙，一般取10～15mm。綜合兩方面的考慮，H面設(shè)一般取20mm即可滿足要求。

則包絡(luò)尺寸中高度的預(yù)估數(shù)學(xué)模型為：

2.2.3 包絡(luò)尺寸的數(shù)學(xué)模型

綜合機(jī)載A-E型平板天線包絡(luò)尺寸的直徑和高度的預(yù)估數(shù)學(xué)模型，得到包絡(luò)尺寸的預(yù)估數(shù)學(xué)模型：

3 結(jié)束語

針對(duì)目前應(yīng)用越來越多的A-E型機(jī)載平板天線，分析了平板陣列天線和A-E型天線座架的結(jié)構(gòu)特性，結(jié)合方位和俯仰運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)過程，確定出該類型天線的運(yùn)動(dòng)空間并進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，得出天線的包絡(luò)尺寸的數(shù)學(xué)表達(dá)；最后本文根據(jù)天線包絡(luò)邊界的形成原理提出了包絡(luò)尺寸的預(yù)估數(shù)學(xué)模型。該預(yù)估方法主要應(yīng)用于小型化的機(jī)載A-E型平板天線，其預(yù)估結(jié)論在多個(gè)機(jī)載天線的設(shè)計(jì)中得到驗(yàn)證，具有較大的實(shí)用性。

[1] 吳鳳高.天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1986.

[2] 張亞林.太陽射電觀測(cè)系統(tǒng)的極軸天線座架設(shè)計(jì)[J].無線電通信技術(shù)，2009，35(5)：40-43.

[3] 米宏偉.機(jī)載0.45m衛(wèi)星通信天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù)，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

李聰聰(1981-)，男，工程師，主要研究方向：天饋?zhàn)Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

賈彥輝(1984-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)分析.

1001-9383(2015)03-0047-05

TN82

A