CN112787110B - 一种增益动态可调的多模一体化卫星天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种增益动态可调的多模一体化卫星天线，包括天线阵列、宽带射频开关、控制模块、多路卫星通信模块；所述的天线阵列工作在S频段，所述的天线阵列包括若干个天线单元；所述的天线阵列通过宽带射频开关与多路卫星通信模块相连接，形成馈电网络；若干个所述的天线单元工作在不同通信模式；所述的控制模块采用最小最大比例公平原则构建目标函数，并通过天线收发增益动态控制算法控制宽带射频开关，选择切换不同通信模式或处于关闭状态，实现多种卫星通信模式收发增益动态调整。本发明能实现多模式并发卫星通信功能，支持各类通信模式下收发增益可调，且该天线有效减小多模式天线整体结构尺寸。

Description

一种增益动态可调的多模一体化卫星天线

技术领域

本发明涉及卫星天线技术领域，更具体地，涉及一种增益动态可调的多模一体化卫星天线。

背景技术

随着移动通信技术发展，移动通信手段日趋多样化，移动控制模块所需接入的通信网络随之越来越多以便满足不同应用场景的通信需求。例如同时接入地面蜂窝移动通信网络与卫星通信网络等。

目前国内外卫星通信已得到飞速发展，其中国外主要卫星通信系统有MSAT、海事卫星移动通信系统(InMarsat)、瑟拉亚系统(Thuraya)、铱星系统、全球星系统、OneWeb卫星系统、SpaceX星链系统等多种卫星移动通信系统，国内主要有“天通一号”卫星系统、北斗系统、“虹云”系统、“鸿雁”系统等。

当移动通信控制模块需要接入多个卫星网络的时候，需要多种卫星天线以保障各个卫星通信系统正常工作。不同的卫星通信系统一般工作在不同频段，当需要高速数据传输时，往往采用阵列天线形式。

因需要与卫星通信，卫星天线在安装时应尽可能放置于各类设备或载体顶端，并使天线辐射方向对准天顶方向，当通信控制模块存在多个卫星通信模式时，各通信模式所需天线对安装位置的要求是重叠的，在安装空间产生冲突。

因此，现有技术之一，各通信模式天线独立设计。当移动通信终端需要接入多个通信网络时，各个通信网络所需天线独立设计，独立布置并且相互远离以避免不同通信模式同时工作时产生干扰。独立的天线设计使各个通信网络可以同时工作，且针对性设计使得天线性能可以得到最大程度优化，保障通信质量。

但该方法存在以下不足：各通信系统独立使用自身频段天线，导致天线数量增加，所需空间较大，当用于移动通信终端时，与小型化要求不能兼顾，尤其面临高速数据传输需要使用阵列天线时，相互独立的天线设计会占用很大空间，导致部分应用场景无法使用；且相邻频段天线之间的耦合难以完全消除，带来一定相互干扰，为降低相互干扰，各天线应尽量远离，从而进一步导致天线空间占用增加。

现有技术之二，频段近似天线采用宽带天线设计，使不同通信模式共用天线，使用开关进行切换，可以有效减少天线数量，通过时域区分各通信模式，不存在相互干扰。

但该方法存在以下不足：各通信模式不能同时工作，每次仅一种通信模式工作，影响通信效率，使设备使用场景受限。

在现有技术二的基础上，采用分合路器替代开关，使多种通信模式可以同时共用天线。然而分合路器在一定程度上会造成信号损失且增加成本，如通过提高分合路器性能将带来成本增加幅度加大，同时导致电路结构尺寸增加。且当通信模式工作频段相近时，对分合路器性能要求将变得较为苛刻，实现难度增加。

发明内容

本发明为克服上述现有技术无法兼顾多模式卫星通信控制模块各通信模式同时工作与天线整体小型化、轻便化的问题，提供了一种增益动态可调的一体化卫星天线，其能实现多模式并发卫星通信功能，支持各类通信模式下收发增益可调，且该天线有效减小多模式天线整体结构尺寸。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种增益动态可调的多模一体化卫星天线，包括天线阵列、宽带射频开关、控制模块、多路卫星通信模块；

所述的天线阵列工作在S频段，所述的天线阵列包括若干个天线单元；

所述的天线阵列通过宽带射频开关与多路卫星通信模块相连接，形成馈电网络；

若干个所述的天线单元工作在不同通信模式；

所述的控制模块采用最小最大比例公平原则构建目标函数，并通过天线收发增益动态控制算法控制宽带射频开关，选择切换不同通信模式或处于关闭状态，实现多种卫星通信模式收发增益动态调整。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明支持多种卫星通信模式同时共用天线阵列，通过采用天线收发增益动态控制算法控制射频开关选择天线单元，低成本的方式实现多种卫星通信模式收发增益动态调整，提高阵列卫星天线利用效率。同时，采用最小最大比例公平原则构建目标函数，在保证业务需求的同时，尽可能的降低天线方向图间的干扰。

附图说明

图1是本实施例所述的多模一体化卫星天线的结构示意图。

图2是本实施例所述的天线单元的正视图。

图3是本实施例所述的天线单元的俯视图。

图4是本实施例所述的天线阵列的示意图。

图中，1-天线瓣、2-同轴线、3-金属反射板、4-金属接地板、5-基座。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，一种增益动态可调的多模一体化卫星天线，包括天线阵列、宽带射频开关、控制模块、多路卫星通信模块；

所述的天线阵列工作在S频段，所述的天线阵列包括若干个天线单元；

所述的天线阵列通过宽带射频开关与多路卫星通信模块相连接，形成馈电网络；

若干个所述的天线单元工作在不同通信模式；

所述的控制模块采用最小最大比例公平原则构建目标函数，并通过天线收发增益动态控制算法控制宽带射频开关，选择切换不同通信模式或处于关闭状态，实现多种卫星通信模式收发增益动态调整。

在一个具体的实施例中，如图2、图3所示，所述的天线单元整体呈花瓣形，所述的天线单元包括4个关于中心对称且相互独立的天线瓣1、天线腔体；每个所述的天线瓣1的向内一侧即靠近对称中心一侧设有馈电点，相对的天线瓣馈电点为一条同轴线2的内导体或外导体；所述的天线瓣1通过同轴线2与天线腔体连接。所述的天线单元工作频段为1980MHz～2400MHz。

所述的天线腔体包括金属接地板4、金属反射板3、基座5；所述的同轴线外导体与金属反射板3连接；所述的金属接地板4设置在金属反射板3与基座5之间。所述的金属接地板4、金属反射板4为同轴且半径不相同的圆柱形结构。

本实施例所述的天线单元的高度为43mm，所述的底座5设置成宽为142mm、长为142mm的正方形结构；所述的金属接地板4的直径为98mm。

在一个具体的实施例中，如图4所示，所述的天线阵列由8个天线单元组成，采用菱形阵列排布，具体由4个天线单元组成中间阵元；另外4个天线单元设置在中间阵元的边上中心点位置，从而构成外围阵元。这种排布方式使天线阵列较为紧凑，有利于缩小天线阵列的尺寸。

所述的外围阵元的天线单元工作在不同通信模式，中间阵元的天线单元根据天线收发增益动态控制算法控制选择切换不同工作模式或处于关闭状态。

本实施例可以根据终端设备当前所接入的卫星通信网络以及通信需求，计算天线单元是否开启以及工作在何种卫星通信模式下，射频开关根据天线收发增益动态控制算法选择所需的通信模式进行连接。

当需要多个天线单元工作在同一通信模式时，根据天线收发增益动态控制算法选择开启天线单元，使方向图最大方向对准，并使多个天线单元工作在同一模式，使得天线方向图与其他通信模式天线方向图之间相互影响最小。

在一个具体的实施例中，为避免多目标优化产生的多种通信模式之间干扰差距过大，采用最小最大比例公平原则构建目标函数，假设天线阵列可选天线单元集合为I,I＝1,…,|I|，卫星通信体制集合为M,M＝1,…,|M|，业务类型集合为K,K＝1,…,|K|；定义第m类卫星通信模式天线方向图对第n类卫星通信模式天线方向图的干扰为η_mn，将最小化最大的η_mn作为优化目标。

在一个具体的实施例中，构建目标函数具体如下：

P1：

s.t.C_m≥Q_k

s_im∈{0,1}

其中，s_im表示第i个可选天线单元以第m种通信模式工作，s_im∈{0,1}，i∈I，m∈M；第m类卫星通信模式的业务能力为C_m，第k类业务的业务需求为Q_k，k∈K。

在一个具体的实施例中，所述的天线收发增益动态控制算法，具体步骤如下：

S1：确定天线阵列可选天线单元集合I，卫星通信体制集合为M，业务类型集合为K，判决条件ε；

S2：确定一个P1问题的可行解作为初始点；

S3：选择迭代步长θ∈(0,1]，初始化迭代次数l＝0；

S4：求解问题P1，通过迭代公式得到/>

S5：令

S6：更新迭代次数l＝l+1；

S7：若maxη_mn(s^l+1)-maxη_mn(s^l)≤ε，则终止迭代；反之，则回到步骤S4；

S8.：得到优化最优解s^l。

本实施例克服了多模式卫星通信终端设备各通信模式同时工作与天线整体小型化、轻便化设计无法兼顾的问题，本实施例采用宽带卫星天线设计，使天线单元工作带宽包含工作频率相邻近的通信模式，并由多个天线单元组成小型阵列，多模式信号馈电网络设计采用射频开关形式，控制天线单元切换不同工作模式或处于关闭状态，具体开关值由天线收发增益动态控制算法控制。使得处于阵列边缘的天线单元工作在不同模式，中间阵元排布的天线单元根据当前通信状态，例如接收信号强度、需要高速数据传输等由天线收发增益动态控制算法判断是否需要打开通道以及工作于何种通信模式，同时采用最小最大比例公平原则构建目标函数计算最优方案使得不同通信模式之间干扰最低。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种增益动态可调的多模一体化卫星天线，其特征在于：包括天线阵列、宽带射频开关、控制模块、多路卫星通信模块；

所述的天线阵列工作在S频段，所述的天线阵列包括若干个天线单元；

所述的天线阵列通过宽带射频开关与多路卫星通信模块相连接，形成馈电网络；

若干个所述的天线单元工作在不同通信模式；

所述的控制模块采用最小最大比例公平原则构建目标函数，并通过天线收发增益动态控制算法控制宽带射频开关，选择切换不同通信模式或处于关闭状态，实现多种卫星通信模式收发增益动态调整；

所述的天线阵列由8个天线单元组成，采用菱形阵列排布，具体由4个天线单元组成中间阵元；另外4个天线单元设置在中间阵元的边上中心点位置，从而构成外围阵元；

所述的外围阵元的天线单元工作在不同通信模式，中间阵元的天线单元根据天线收发增益动态控制算法控制选择切换不同工作模式或处于关闭状态。

2.根据权利要求1所述的增益动态可调的多模一体化卫星天线，其特征在于：所述的天线单元整体呈花瓣形，所述的天线单元包括4个关于中心对称且相互独立的天线瓣、天线腔体；每个所述的天线瓣的向内一侧即靠近对称中心一侧设有馈电点，相对的天线瓣馈电点为一条同轴线的内导体或外导体；所述的天线瓣通过同轴线与天线腔体连接。

3.根据权利要求2所述的增益动态可调的多模一体化卫星天线，其特征在于：所述的天线单元工作频段为1980MHz～2400MHz。

4.根据权利要求3所述的增益动态可调的多模一体化卫星天线，其特征在于：所述的天线腔体包括金属接地板、金属反射板、基座；所述同轴线的外导体与金属反射板连接；所述的金属接地板设置在金属反射板与基座之间。

5.根据权利要求1所述的增益动态可调的多模一体化卫星天线，其特征在于：当需要多个天线单元工作在同一通信模式时，根据天线收发增益动态控制算法选择开启天线单元，使方向图最大方向对准，并使多个天线单元工作在同一模式，使得天线方向图与其他通信模式天线方向图之间相互影响最小。

6.根据权利要求5所述的增益动态可调的多模一体化卫星天线，其特征在于：为避免多目标优化产生的多种通信模式之间干扰差距过大，采用最小最大比例公平原则构建目标函数，假设天线阵列可选天线单元集合为I,I＝1,…,|I|，卫星通信体制集合为M,M＝1,…,|M|，业务类型集合为K,K＝1,…,|K|；定义第m类卫星通信模式天线方向图对第n类卫星通信模式天线方向图的干扰为η_mn，将最小化最大的η_mn作为优化目标。

7.根据权利要求6所述的增益动态可调的多模一体化卫星天线，其特征在于：构建目标函数具体如下：

P1：

s.t.C_m≥Q_k

s_im∈{0,1}

其中，S_im表示第i个可选天线单元以第m种通信模式工作，s_im∈{0,1}，i∈I，m∈M；第m类卫星通信模式的业务能力为C_m，第k类业务的业务需求为Q_k，k∈K。

8.根据权利要求7所述的增益动态可调的多模一体化卫星天线，其特征在于：所述的天线收发增益动态控制算法，具体步骤如下：

S1：确定天线阵列可选天线单元集合I，卫星通信体制集合为M，业务类型集合为K，判决条件ε；

S2：确定一个P1问题的可行解作为初始点；

S3：选择迭代步长θ∈(0,1]，初始化迭代次数l＝0；

S4：求解问题P1得到

S5：令

S6：更新迭代次数l＝l+1；

S7：若maxη_mn(s^l+1)-maxη_mn(s^l)≤ε，则终止迭代；反之，则回到步骤S4；

S8：得到优化最优解s^l。