CN110889220B - 一种新型的ads-b、tcas共用天线的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的ADS‑B、TCAS共用天线的方法，包括以下步骤：S1：基于应用场景进行天线结构进行建模分析；S2：对多天线集成的机载天线小型化轻量化设计；S3：对高质量无线信号接收进行设计；解决了无法使天线种类得到有效减少，无法降低天线重量，无法达到降低天线对飞机的飞控以及其他机载设备影响的问题。

Description

一种新型的ADS-B、TCAS共用天线的方法

技术领域

本发明涉及领域，特别是一种新型的ADS-B、TCAS共用天线的方法。

背景技术

目前，国内对机载低轮廓动中通天线的研究取得了长足进展，一些新颖、高性能的产品也得以推广。模仿TracStar公司IMVS450M型天线研制了一款柱面动中通天线，高度为30cm，重量为75kg，等效口径为0.45m，采用INS惯导模块、GPS和AGC电平进行跟踪。2010年至今，国内形成了多种等效口径的卫星通信平板阵列系列化产品，拥有多项自主知识产权。其中，Ku频段平板动中通天线CM60，实现天馈一体化设计，收发增益≥36dB，G/T值≥13dB/K，采用二维机扫，方位0°～360°无限位，俯仰扫描0°～90°。双线极化，电子自动极化调整技术，交叉极化≥30dB，其综合指标在国内属于领先地位。

此外，机载波导平板阵列天线在各个平台上得到了广泛应用。

Ku频段动中通天线为多组片双极化波导缝隙阵，片间采用相位补偿，电子极化调整，二维机扫，增益为接收36.4dB，发射37.7dB，G/T值为14dB/K，重量为50kg，功耗为450W。

从目前机载天线的国内发展现状来看，机载天线大多拥有较大的尺寸，较大的重量以及较高的成本，难以应用于通航管控当中应用及推广。

机载天线是飞机结构体的一部分，由于机载平台空间非常有限，通航飞行器机体对天线产生较强影响，其工作环境明显不同于地面平台和舰船平台，所以天线结构需要考虑到通航管控中的具体应用环境。从结构角度考虑，天线的重量、高度、外形、安装位置，结构强度直接影响飞机的安全性能和操稳特性；从电性能角度考虑，由于天线直接安装于机体蒙皮，而机体的表面形状、尺寸、安装位置、搭接状况都会对天线的性能产生影响。因此，机载天线设计的前提是其物理性能和电气性能必须能够适应载机环境，且对载机的影响可控制在允许的范围之内。作为不可替代的能量转换工具，从天线自身特性出发，通航机载天线应满足如下特征和要求：在工作频带范围内，输入阻抗保持一致，这样可以有效降低传输信号的失真；天线的相位中心在整个工作频带内保持大致不变，避免时域信号产生严重畸变；在满足指标的条件下，在整个工作频带内，方向图具有稳定性；较高的辐射效率，例如减小反射信号，主射方向上辐射信号尽可能大；高功率应用中，要尽可能提高天线的功率容量，避免由于击穿引起的天线无法正常工作。目前国内通用航空无线电保障遇到诸多困难。

机载卫星通讯天线尺寸较大，可以实现高质量接收的卫星通讯的机载天线大多具有较大的尺寸、体积以及成本。然而由于通航管控的客体特点的限制，传统的大尺寸天线很难安装到小型的通航飞行器上；过重的天线影响飞行器的飞行性能；过高的成本使得目前大部分成熟的高性能天线很难应用于通航管控中。

从机身与多天线间融合的角度出发，由于飞机机体具有复杂的表面形状，天线安装到飞机上后其方向图与在标准接地平面上的方向图相比将产生很大的变化。圆柱体机身产生的爬行波，以及飞机结构产生的遮挡、反射、绕射都会影响天线远场方向图。这些因素在天线设计中密切相关，通常要综合考虑，进行折衷选择，以换取最佳的天线性能。飞机上存在多副天线，天线之间的相互影响需要慎重考虑。在机载天线设计时应考虑到天线相互间的影响，根据飞行器本身结构来确定天线的数量和布置，确保天线的电磁兼容。此外当前的保障设备无线电信号所能覆盖的范围具有一定的限制，而且在传统通信系统设计中，低空区域覆盖的问题并没有充分的考虑进去。地理位置及其环境的改变对无线电波的传输存在不同的影响，低空区域内的电磁环境要更加复杂，而且它受军民用地面通信系统的影响很大，主要体现在多径衰落、电磁干扰等方面，信道条件差异较大。此外通航设备航迹具有不固定随机性强的特性，由于自身运动导致的多普勒频移现象更为复杂。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种新型的ADS-B、TCAS共用天线的方法，解决了无法使天线种类得到有效减少，无法降低天线重量，无法达到降低天线对飞机的飞控以及其他机载设备影响的问题。

本发明采用的技术方案是，一种新型的ADS-B、TCAS共用天线的方法，包括以下步骤：

S1：基于应用场景进行天线结构进行建模分析；

S2：对多天线集成的机载天线小型化轻量化设计；

S3：对高质量无线信号接收进行设计。

优选地，S1包括以下步骤：

S11：根据飞行设备的航迹及飞行姿态特点，以及通信节点空间相对位置，天线工作环境应用背景出发，从方位面方向图、俯仰面方向图、横滚面方向图三个方面，综合评估天线的安装布局是否合理；

S12：通过理论研究与仿真验证，根据发射天线、接收天线、收发天线进行分区布局，同时接收处于弱电磁辐射区域的天线；

S13：在满足天线之间的最低隔离要求、天线与电缆间的隔离要求、天线与设备之间的隔离要求、以及驾驶和操作人员处于弱电磁环境区域要求的条件下，实现布局设计；

S14：在指定最优位置无法使用时，通过建立全机仿真模型，优化寻找次最优位置，以满足通信需求，同时减少平台影响。

优选地，S2的设计为一种以“开槽附尾微带天线”为基本单元，将上层下层叠为组合方式的多频圆极化天线方案。

优选地，S3包括以下步骤：

S31：对多模态射频前端进行设计；

S32：对可重构自适应配置的基带信号处理模块设计。

本发明新型的ADS-B、TCAS共用天线的方法的有益效果如下：

采用了多天线集成技术，通过天线集成技术，使天线种类得到有效减少，降低天线重量，达到了降低天线对飞机的飞控以及其他机载设备的影响。

附图说明

图1为本发明新型的ADS-B、TCAS共用天线的方法的流程图

图2为本发明新型的ADS-B、TCAS共用天线的方法的RDSS接收和发射天线的结构图

图3为本发明新型的ADS-B、TCAS共用天线的方法的三模型用户机天线整体设计图

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种新型的ADS-B、TCAS共用天线的方法，包括以下步骤：

S1：基于应用场景进行天线结构进行建模分析；

S2：对多天线集成的机载天线小型化轻量化设计；

S3：对高质量无线信号接收进行设计。

本实施方案的S1包括以下步骤：

S11：根据飞行设备的航迹及飞行姿态特点，以及通信节点空间相对位置，天线工作环境应用背景出发，从方位面方向图、俯仰面方向图、横滚面方向图三个方面，综合评估天线的安装布局是否合理；

S12：通过理论研究与仿真验证，根据发射天线、接收天线、收发天线进行分区布局，同时接收处于弱电磁辐射区域的天线；

S13：在满足天线之间的最低隔离要求、天线与电缆间的隔离要求、天线与设备之间的隔离要求、以及驾驶和操作人员处于弱电磁环境区域要求的条件下，实现布局设计；

S14：在指定最优位置无法使用时，通过建立全机仿真模型，优化寻找次最优位置，以满足通信需求，同时尽可能减少平台影响。

本实施方案的S2的设计为一种以“开槽附尾微带天线”为基本单元，以上下层叠为组合方式的多频圆极化天线方案。

本实施方案的S3包括以下步骤：

S31：对多模态射频前端进行设计；

S32：对可重构自适应配置的基带信号处理模块设计。

本实施方案在实施时，步骤1：基于应用场景进行天线结构建模分析

(1)根据飞行设备的航迹及飞行姿态特点，以及通信节点空间相对位置，天线工作环境等应用背景出发，研究天线的方向性要求，从方位面方向图、俯仰面方向图、横滚面方向图三个方面，综合评估天线的安装布局是否合理。

(2)通过理论研究与仿真验证，根据发射天线、接收天线、收发天线进行分区布局，同时接收天线处于弱电磁辐射区域。实现布局设计满足天线之间的最低隔离要求、天线与电缆间的隔离要求、天线与设备之间的隔离要求、以及驾驶和操作人员处于弱电磁环境区域。在指定最优位置无法使用时，通过建立全机仿真模型，来优化寻找次最优位置，以满足通信需求，尽可能减少平台影响。

如图2和图3所示，步骤2：多天线集成的机载天线小型化轻量化设计

由于有大功率信号发射的使用要求，天线必须作到优良的收发天线隔离。我们采用了一种以“开槽附尾微带天线”为基本单元，以上下层叠为组合方式的多频圆极化天线方案。

本方法采用的开槽附尾微带天线，开槽不仅能使天线整体尺寸减小，而且能增加天线的工作带宽和波束宽度。非对称的附尾结构对于提高圆极化轴比带宽提供了十分灵活的调整空间。由于该天线中心部份无电流分布，可以穿空而天线性能不受影响，从而为多个天线单元层叠结构的安装、馈电提供了方便。利用开槽附尾微带天线单元的层叠结构，可以设计出一种集成度的圆极化天线，满足RNSS/GPS接收频率和RDSS接收与发射频率的需要。目前设计的天线由三个独立的圆极化天线组成。其中在顶层的天线是为RDSS接收天线，中间层天线为RDSS发射天线，最下面的天线是RNSS/GPS接收天线。对于RDSS的收发天线来说，各为独立的单馈点天线。多层圆极化贴片天线各由一个同轴探针馈入；用于RNSS/GPS接收天线的多层圆极化贴片天线则由平衡探针馈入；最后，我们将三个天线重叠放置，使三个圆极化天线结构紧凑。为了避开电介质材料的不一致性，在辐射贴片和地之间使用了空气作为衬底，这能使天线单元在大规模生产时具有良好的可重复性。天线单元中，辐射贴片、探针和地层的材料为铝或铜，反馈网络设计在印制电路板上，用来来连接平衡探针，天线的终端特性输入阻抗为50欧姆。

步骤3：高质量无线信号接收设计

(1)多模态射频前端设计：

射频组件设计为多频段单板前端，为了实现有限空间内的高度集成的微波系统，必须考虑多层垂直互联、层间互耦、单元间隔离、多板组合等关键技术。在本方法中，引入多层微带电路技术，从传统的平面电路设计到这里现在的三维叠层设计，器件及系统的尺寸将大大减小，性能更好。采用分布参数电路概念，把同一电路的不同部分合理地设计在多层微带电路的不同层上，并采取合适的金属化孔、耦合槽等内连方式，实现多层微带电路的设计。

(2)可重构自适应配置的基带信号处理模块设计：

整个硬件电路拟采用超大规模现场可编程门阵列(FPGA)+高速浮点数字信号处理器DSP实现，按照可重构配置的思路进行设计。输入的中频信号经高速系统时钟带通采样后，进入基带信号处理模块。基带处理模块中包括了信号捕获模块，载波跟踪模块以及和码跟踪模块，最终完成导航电文数据的解调。同时，在码环和载波环中，还将完成对伪距、载波相位和多普勒观测量的提取。

Claims (1)

1.一种新型的ADS-B、TCAS共用天线的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：基于应用场景进行天线结构进行建模分析；

S2：对多天线集成的机载天线小型化轻量化设计；

S3：对高质量无线信号接收进行设计；

所述S1包括以下步骤：

S11：根据飞行设备的航迹及飞行姿态特点，以及通信节点空间相对位置，天线工作环境应用背景出发，从方位面方向图、俯仰面方向图、横滚面方向图三个方面，综合评估天线的安装布局是否合理；

S12：通过理论研究与仿真验证，根据发射天线、接收天线、收发天线进行分区布局，同时接收处于弱电磁辐射区域的天线；

S13：在满足天线之间的最低隔离要求、天线与电缆间的隔离要求、天线与设备之间的隔离要求、以及驾驶和操作人员处于弱电磁环境区域要求的条件下，实现布局设计；

S14：在指定最优位置无法使用时，通过建立全机仿真模型，优化寻找次最优位置，以满足通信需求，同时减少平台影响；

所述S2的设计为一种以“开槽附尾微带天线”为基本单元，将上层下层叠为组合方式的多频圆极化天线方案；

所述S3包括以下步骤：

S31：对多模态射频前端进行设计；

S32：对可重构自适应配置的基带信号处理模块设计。

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