卫星技术和系统集成方法中的技术对机载卫星通信服务的应用

陈笑121

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为了增强机载卫星通信，具有宽带卫星功能的新型天线系统正在必需的。迄今为止，现有的L波段卫星通信系统主要用于乘客申请(APC)或行政通信(AAC);最初是模拟语音，现在数据趋于向宽带数字应用发展。许多研究正在世界范围内使用Ku波段电视用于与飞机上的移动终端进行通信的地球静止卫星。在短时间内宽带互联网是可通过CBB服务在飞机上使用。航空公司在他们的一些飞机上安装了CBB系统长途飞机。
在机载新的和先进的卫星技术和系统集成方法中的技术现有和计划中的航空卫星通信服务、系统和技术进行了分析。已经得出结论，对于驾驶舱服务，L波段系统显然是最合适的，而Ku波段系统对乘客服务具有吸引力。为了降低通信航空电子设备的成本并为驾驶舱机组人员和飞行员提供卫星通信服务乘客，在ANASTASIA项目中，正在为共形双频机载技术开发天线。这意味着只需要一根天线而不是两根，因为它将提供对两个频率的访问波段(L波段和Ku波段)。保形将降低安装和开发成本。这样做的目的论文将介绍两个关键课题的研究成果：双频相控阵天线的研制和天线的Ku波段部分的波束控制能力。天线前端由宽带多面相控阵天线组成。Ku波段的天线单元是具有双线性极化的堆叠贴片天线(Ku频段带宽≥2GHz)。每瓦8x8Ku波段天线元件在单独的层上包含两个辐射L波段缝隙(双线性极化)。特别注意的是通过选择特定材料和适当的制造技术来提高天线的可制造性。为了控制共形相控阵的光束，提出了一种无斜视、连续可调的机制它基于使用光学环形谐振器级联的完全集成的光束形成网络(OBFN)(ORR)作为可调延迟元件。
卫星通信系统方面
在荷兰的FlySmart项目中，开发了一种共形相控阵天线的技术，该天线具有瞬时带宽为2GHz，覆盖10.7至12.75GHz的整个频率范围。在该频段运行的卫星是地球同步卫星间隔除了在美国和欧洲。为了能够收到这些高纬度地区的卫星(例如在洲际飞行期间)，天线系统应该有足够的低仰角下的性能。因此，要求天线系统具有较小的波束宽度(以区分卫星信号)和高增益(>30dB)也在低仰角。由于获得天线与天线在卫星方向上的有效孔径有关，共形天线也覆盖机身的侧面部分可能是一个优势。相控阵天线应保持适当的(线性)在所有姿态和飞机的所有位置(也在高纬度)极化。飞机上使用的天线必须能够在严酷的环境条件下工作，包括温度、压力、振动和湿度。RTCADO-中给出了民用机载设备的环境要求160或EUROCAEED-14。
一般来说，天线系统由相控阵天线、电光转换、光束形成。相控阵天线将是双线性极化宽带天线的共形(单弯曲)二维阵列元素。每根天线后接一个低噪声放大器(LNA)和下变频器(以及一个低噪声模块转换器，LNB)。LNB的本地振荡器(LO)信号同步以保持适当的相位OBFN通道之间的关系。来自LNB的中频(IF)信号随后被馈送到执行电光转换的光调制器。在光学波束成形网络(OBFN)中每个单独的信号都被衰减和延迟，以便塑造和引导天线波束。所有信号的总和为从光域转换回电域。跟踪算法将使用飞机的位置和姿态以确定天线波束的适当极化和方位角和仰角。为了达到2GHz带宽的目标，天线前端和波束成形网络都应该具有宽带特性。因此，天线前端由堆叠的贴片天线阵列组成。这波束成形网络由具有真实时延(TTD)的光网络组成带宽。要拥有波束宽度和高增益天线，需要大型阵列天线。
双频卫星通信天线的初步设计
未来卫星通信的双频段天线应该工作在L波段和Ku波段。在L波段，极化应该是圆形的，频率范围应该是大约1.3GHz–1.5GHz。在Ku波段，极化应该是线性可调的，频率范围应该是~10.5GHz-~14GHz。因此比率L波段和Ku波段天线元件之间的距离约为8。L波段天线元件应约为8比Ku波段天线元件大数倍。在两个频段之间间隔如此宽的情况下交错阵列的概念似乎是一种很有前途的方法。换句话说，不同的元素可以用于L和Ku波段，它们都展示了自己的馈电网络。元素以交错方式排列，其中应特别注意元素的定位。在紧密的网格中，相互耦合会影响辐射方向图，并可能导致交叉极化分量的增加。由24个方形8x8Ku波段构建块组成的大型天线阵列粗略地近似于具有圆形边界的天线阵列。
L波段卫星通信天线设计
天线的一些尺寸由Ku波段元件定义。这些限制导致灵活性降低用于设计L波段元件。鉴于Ku波段天线使用带槽的接地平面
L波段天线的可能设计是带有或不带有寄生元件的辐射槽。使用寄生元件并没有导致设计具有可接受的回波损耗和可接受的辐射图。寄生元素与Ku元素的整合也带来了一些问题。因此L波段天线被设计为接地平面中的两个正交交叉槽(见图3)。每个插槽对称激发两条馈线。共振频率取决于槽的长度。带宽优化是由槽长和宽度的微小变化。由于每个插槽由两条馈线对称馈送，因此需要功率分配器将天线连接分成两部分相位和幅度相等的部分。L波段元件的初始尺寸是在Ansoft设计器中设计的。该元素在Ansoft中进行了优化HFSS。HFSS中还添加了垂直馈线。最初两个Ku补丁之间所需的空间是填充Rohacell泡沫。在制造过程中，很明显，由于胶合不同的层天线，胶水渗透到泡沫中。这导致由此产生的介电常数值不受控制泡沫层。为这个问题找到了解决方案。泡沫被替换为与贴片相同的材料基材被剥离。然而，在这种所谓的泡沫替代材料中，在特定的地方打了洞。这
过程完全在HFSS中完成。由于开槽接地平面和接地平面之间的距离相对较小支持天线的接地平面需要新的优化。然而由于这个相对较小的距离天线特性受到负面影响。图4显示了计算的回波损耗。该图暗示可能需要对插槽进行小幅调整。共振峰可能需要移到更高一些频率。带宽的进一步优化仅限于插槽的长度和宽度。
Ku波段卫星通信天线元件的设计
增加带宽的常用方法是在天线结构中添加寄生元件(例如堆叠修补)。这减少了天线阻抗随频率的变化，从而提高了带宽性能。显示了由多层结构组成的当前Ku波段天线元件的设计，其中寄生和辐射贴片安装在商用Duroid基板上。之间的空间补丁充满了为此目的而开发的典型空间填充物。最低的补丁是由一个下接地平面中的孔，再次安装在基板上。在此基板的下侧是水平进料线，它们连接到屏蔽的垂直馈线，以提供与波束形成网络的连接下层。
Ku波段天线设计的尺寸已经通过使用ANSOFTHFSS仿真软件进行了优化。这用于设计的ANSOFTHFSS模型如图6所示。贴片的尺寸、狗骨孔和泡沫层的厚度已经过优化，目的是获得一个可以跨越整个频段的天线从10.7到12.75GHz。这种堆叠贴片天线的计算增益约为9dBi。显示了反射天线元件的系数。请注意，在10.7到10.7之间的频率范围内，回波损耗低于-10dB目标频率为12.75GHz，这表明该元件具有足够大的带宽来传输宽带数据传播。
贴片卫星通信天线
由于Ku和L波段天线的集成，Ku波段天线的一些尺寸必须改变。还在支撑接地层和馈电迹线之间使用5mm距离的最终决定影响了特性。这两个变化导致天线性能较差。进行了进一步的优化。回波损耗如图7所示。很明显，天线的频率向下移动。
光学波束成形的卫星通信
为了控制共形相控阵的光束，提出了一种无斜视、连续可调的机制它基于使用光学环形谐振器级联的完全集成的光束形成网络(OBFN)(ORR)作为可调延迟元件。窄带连续可调光真时延(TTD)设备可以实现为耦合到直波导的再循环波导。这种直波导可以充当具有周期性钟形可调群延迟响应的全通滤波器。最大群延迟发生在可调共振频率。通过级联多个ORR部分可以实现更大的延迟带宽积。一种完整的OBFN可以通过将多个延迟分组并在一个光路中组合元素来获得。这样一个OBFN可以在单片机上实现。电/光(E/O)和光电(O/E)转换是通过基于滤波器的单边带调制(抑制载波)和平衡相干光检测的手段。