李立忠，王程，王來軍，陳偉

（上海安費諾永億通訊電子有限公司，上海 201108）

0 引言

ATG（Air to Ground，地空通信，也稱A2G）或DA2G（Direct Air to Ground，直接地空通信）系統(tǒng)沿航路部署地面基站，并在地面基站與飛行器之間建立直接的無線連接（如圖1），比之由衛(wèi)星和地面站組成的航路覆蓋系統(tǒng)，ATG 部署快、投資少，更容易做到大帶寬、低延時，且受高空氣象條件影響小。由于ATG 是在地面基站與飛行器間通訊，無法覆蓋深海區(qū)域，因此洲際航線仍需衛(wèi)星通訊支持，可由衛(wèi)星與ATG 聯(lián)合組網(wǎng)?；贛assive MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出）天線系統(tǒng)的信道容量較大，飛機不再只是運輸工具，也可能成為高速上網(wǎng)的辦公室、會議室甚至家庭影院。同時，乘客旅行行為及航空管理模式也有望發(fā)生變化，比如，乘客在飛機上就可以辦理轉(zhuǎn)機手續(xù)而不必要長時間聚集在機場轉(zhuǎn)機柜臺；機長可根據(jù)航線的氣象條件動態(tài)調(diào)整飛行高度，提升安全性及乘客舒適度；地勤可根據(jù)在途飛機的實際情況提前準(zhǔn)備好合適數(shù)量的油料及補給品，減少浪費；機械師可根據(jù)實時的機上設(shè)備數(shù)據(jù)做好分析診斷，減少飛機維保時間等。此外，ATG 通訊對于新興起的無人機行業(yè)也提供了技術(shù)支撐。

圖1 覆蓋航路的直接地空通訊效果圖（圖片來源：Fluidmesh）

1 ATG在國外的進(jìn)展

目前，ATG 網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模應(yīng)用主要是在美、歐兩地。在美國，老牌ATG 運營商GOGO 和新興運營商Smartsky 正就建設(shè)5G ATG 網(wǎng)絡(luò)展開激烈競爭；而在歐洲，由Nokia 和Skyfive 建設(shè)、維護的EAN（European Aviation Network，歐洲航空網(wǎng)絡(luò)）處于ATG 網(wǎng)絡(luò)的壟斷地位。

1.1 美國

GOGO（原名Aircell）是ATG 大規(guī)模應(yīng)用的鼻祖[1]，于2020 年把商業(yè)航空部門出售給Intelsat，此后專注于公務(wù)航空領(lǐng)域，至2021 年11 月，GOGO 的ATG 系統(tǒng)已安裝在5 550 架公務(wù)機（Business Jet）上。由于芯片短缺等影響，GOGO 把開始5G ATG 服務(wù)的時間由2021 年推遲到2022 年。2021 年11 月，GOGO 宣布全球最大的私人公務(wù)機維修、保養(yǎng)修服務(wù)提供商鄧肯航空正在完成基于來自龐巴迪、灣流、達(dá)索、德事?。═EXTRON）的30 多個機型的首件STC 認(rèn)證（First-article Supplemental Type Certification，首條補充型式認(rèn)證），并稱其正在建造的是全球第一個，也是唯一真正的機艙5G 網(wǎng)絡(luò)。GOGO 5G ATG 網(wǎng)絡(luò)中，5G 云核及數(shù)據(jù)中心方面的合作伙伴是思科。GOGO 的計劃是一開始就提供包含150 個地面站點，覆蓋全部CONUS（即除阿拉斯加外的美國本土）的公務(wù)航空端到端5G 網(wǎng)路服務(wù)，然后快速延申至加拿大及阿拉斯加；每個地面天線的覆蓋距離達(dá)200～300 km，其主要競爭對手Smartsky 則在不斷宣傳其服務(wù)隨區(qū)域性部署漸次展開。2021 年底，GOGO 成功完成了基于7 個站點的試運行試驗，并稱全國網(wǎng)絡(luò)的運行會在2020 年下半年。GOGO 預(yù)期基于其5G ATG 的平均上網(wǎng)速率接近25 Mbps，峰值速率為75～80 Mbps。

Smartsky 公司是美國另一家活躍的新興ATG 技術(shù)提供商，一直宣稱的所擁有的200 項圍繞ATG 的專利是其強大的競爭優(yōu)勢。GOGO 曾向美國專利與商標(biāo)局申請就Smartsky 專利中通過軟件定義無線電進(jìn)行波束賦形的部分進(jìn)行多方重審，但沒有得到支持。裁決之后，Smartsky 首席執(zhí)行官稱競爭對手GOGO 很難繞開其專利建成5G 網(wǎng)絡(luò)，而GOGO 則回應(yīng)：無論是裁決結(jié)果還是Smartsky 的專利組本身都不影響其拓展GOGO 5G以及增強在公務(wù)航空市場地位的能力。在經(jīng)過一系列的延誤并把設(shè)備供應(yīng)商告上法庭之后，Smartsky 于2021年加快了網(wǎng)路部署。Smartsky 目前的計劃是在今年第一季度完成對不含阿拉斯加的美國本土航線的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，至2021 年底已建成約80%。該公司也是第一家接入主流工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析平臺Honneywell Forge 的ATG運營商，使飛機上不需降落就可把飛行數(shù)據(jù)傳至平臺進(jìn)行分析。業(yè)界領(lǐng)先的艙內(nèi)娛樂服務(wù)商霍尼韋爾已成為Smartsky 的增值分銷商。

1.2 歐洲

EAN（European Aviation Network，歐洲航空網(wǎng)絡(luò)）的地面部分是第一個按3GPP 標(biāo)準(zhǔn)建造的ATG 網(wǎng)絡(luò)，包含了300 多個地面LTE 站點，其頻譜來自國際海事衛(wèi)星運營商Inmarsat，地面網(wǎng)絡(luò)直接建在德國電信的4G 網(wǎng)絡(luò)上，天線安裝在原塔址[2]。圖2 為EAN ATG 天線垂直面方向圖。EAN 是由有實力的傳統(tǒng)運營商運營，有Nokia 等領(lǐng)先設(shè)備商提供設(shè)備，因此比起美國同行，在頻譜、硬件上有一定優(yōu)勢。EAN 頻譜采用的是S 波段B65的下半部分（UL：1 980—1 995 MHz，DL：2 170—2 185 MHz）[3]，待需求上升，可擴展至上半部分（UL：1 995—2 010 MHz，DL：2 185—2 200 MHz）；EAN稱每個航班可達(dá)到100 Mbps 的下行網(wǎng)速。其5G 演進(jìn)選用的是NSA（Non Stand Alone，非獨立組網(wǎng)），以便匹配機隊的4G 配置并兼容后面的5G 升級。EAN 已在40余個國家安裝并提供服務(wù)，其中有些小國家由鄰國的基站做航線覆蓋。

圖2 ENA ATG天線垂直面方向圖

EAN 地面基站天線能覆蓋從水平方向到垂直方向之間的范圍，圖2 中采用遙控傾角的對空覆蓋方案，以便通過飛行數(shù)據(jù)的積累不斷優(yōu)化傾角，提升網(wǎng)絡(luò)工作質(zhì)量。

EAN ATG基站天線的空間覆蓋如圖3所示。

圖3 EAN ATG基站天線的空間覆蓋

SkyFive 總部位于德國，由原Nokia 資深高管創(chuàng)建，致力于為航空旅客提供寬帶服務(wù)并實現(xiàn)大量航空數(shù)據(jù)的實時傳輸與分析，2019 年10 月完成了對Nokia ATG 資產(chǎn)的收購。Nokia 和SkyFive 是EAN 背后的技術(shù)和設(shè)備提供方。收購后，SkyFive 保證履行其在包括航空電子設(shè)備、電信、IT 系統(tǒng)等方面端到端方案的責(zé)任，而Nokia 基于其技術(shù)及交付能力繼續(xù)負(fù)責(zé)地面網(wǎng)絡(luò)的銷售和實施。除服務(wù)于EAN外，SkyFive 積極向歐洲之外拓展，其策略是與當(dāng)?shù)赜袑嵙Φ幕锇楹献?，尤其強調(diào)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的協(xié)同。2021 年9 月，SkyFive 與澳大利亞的Pivotel 簽署《諒解備忘錄》，在悉尼與達(dá)博之間面積約5 萬平方公里的區(qū)域內(nèi)，采用Nokia 的eNodeB、NEC 的iPasolink 微波技術(shù)及Flightcell的機上終端，建設(shè)一張ATG 實驗網(wǎng)絡(luò)，驗證飛行旅客的連接體驗及公共安全飛行的大數(shù)據(jù)量通訊。

比較起來，美國的GOGO 和Smartsky 選擇自己建設(shè)并運營ATG 地面網(wǎng)絡(luò)，其優(yōu)勢是可以根據(jù)需要優(yōu)化設(shè)計、進(jìn)行必要的升級且決策效率高，有利于保證服務(wù)質(zhì)量。而歐洲主流ATG 廠商則選擇“大聯(lián)合”，EAN 選用3GPP 標(biāo)準(zhǔn)，是要充分利用德國電信現(xiàn)有的4G 設(shè)施，降低設(shè)備與技術(shù)的成熟度風(fēng)險，從而實現(xiàn)快速、低成本的部署和運營。GOGO 和Smartsky 的第一代ATG 地空通訊均使用或部分使用了非授權(quán)頻段，GOGO 既有的授權(quán)頻段3G/4G 網(wǎng)絡(luò)則作為5G 網(wǎng)絡(luò)的冗余配置，以提升網(wǎng)絡(luò)可靠性[4-5]。EAN 每座4G 地面天線的典型覆蓋距離為100 km，從其宣傳資料上，最長的數(shù)據(jù)是150 km，而GOGO 則稱最遠(yuǎn)可覆蓋300 km。

2 ATG天線的研究進(jìn)展及本文天線的設(shè)計實現(xiàn)

2.1 ATG天線研究進(jìn)展

目前，關(guān)于ATG 技術(shù)的應(yīng)用研究主要聚焦于蜂窩通信，地面天線通常為定向天線。ETS 的Navid 等人設(shè)計的ATG地面基站天線為二維板狀天線，利用分扇區(qū)的方式進(jìn)行覆蓋[6]。清華大學(xué)張超課題組給出了移動通信基站和ATG 基站共用的設(shè)計方案，具體為頂部天線用于ATG 通信覆蓋、下方的板狀天線用于地面的移動通信[7]；同時，該團隊還做了MIMO 天線在ATG 中的相關(guān)研究，但研究較為虛擬化，需要結(jié)合實際布局做進(jìn)一步探討[8]。中電科航空電子有限公司和電子科技大學(xué)杜曉實等人闡述ATG 天線系統(tǒng)設(shè)計的要點、難點，并研究了機載端天線的選項要求，設(shè)計了一款滿足LTE 全頻段ATG 航線覆蓋的雙頻雙極化地面端天線單元[9-10]。另外，美國軍方實驗室的Steven D 等人在ATG 通信中利用圓極化的四臂螺旋天線來減少極化損耗[11]。高通公司在專利中給出了采用環(huán)形布陣，由多個陣列實現(xiàn)不同高低仰角的覆蓋[12]。GOGO 公司同樣采用多扇區(qū)的方法，并獲得了分集增益進(jìn)而提高系統(tǒng)容量[13]。羅克韋爾柯林斯公司研究了飛機定位、通信塔的選擇以及如何實現(xiàn)需要的波束指向[14-15]。本文給出了基于余割平方波束的Massive MIMO 天線實現(xiàn)方案。

2.2 本例天線覆蓋方案的選擇

與天線對地覆蓋存在多徑衰減不同，對空輻射則可以傳播很遠(yuǎn)，ATG 天線的覆蓋范圍可遠(yuǎn)達(dá)300 km。通常飛機是沿著預(yù)先定義的航線，以較固定的高度勻速飛行。如圖4 所示，假設(shè)飛機A 的高度H按照固定值10 km，飛機A 相對于地面基站B 從300 km 外飛至距自己15 km的過程中，其連線和地面的夾角ε只需從0°抬升至約30°。為了保證飛機A 能獲得均勻的信號強度，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系和自由空間傳播模型[17]，地面基站B 的增益Gt和ε有如下關(guān)系：

圖4 ATG通信覆蓋示意圖

由式(1)可知，地面基站B 的增益和ε的余割平方成正比，按照此公式設(shè)計的方向圖稱為余割平方方向圖[18]。因此，地面基站天線只需要形成單波束就能實現(xiàn)較大的覆蓋范圍，這能大大提高ATG 天線的波束賦形效率。

本文中的天線實例是依據(jù)實際業(yè)務(wù)情況采用2.4 GHz頻段開發(fā)的垂直極化天線陣，基站采用6 扇區(qū)配置，天線在60°范圍內(nèi)作水平波束掃描；垂直方向上為30°俯仰角的余割平方固定覆蓋。本天線將安裝在山頂、高樓等位置較高的地方，并配有機械裝置調(diào)整天線傾角，使得天線能獲得最大的接收功率，因此可忽略地形地貌帶來的影響。為接近水平方向的理論掃描效果，天線設(shè)計有校準(zhǔn)裝置，以消除各端口幅相與理論值的差異。Massive MIMO 天線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5 所示，x為垂直方向，y為水平方向。16 個1×16 天線陣列形成16 端口Massive MIMO 天線，16 端口從左到右依次命名為P1、P2、……、P16。1 個或多個端口同時工作來接收或發(fā)射信號。當(dāng)在16 端口中同時饋入不同幅度和相位的信號時，可形成16×16 陣列天線。相比MIMO 天線的其他工作狀態(tài)，此時可獲得更大的增益。

圖5 Massive MIMO天線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3 天線覆蓋方案的設(shè)計實現(xiàn)

為在每個子陣列（縱向）取得余割平方輻射方向圖，首先設(shè)定余割平方方向圖函數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，使用原理簡單、參數(shù)簡潔和優(yōu)化速度較快的PSO（Particle Swarm Optimization，粒子群優(yōu)化算法）[19]，迭代出優(yōu)選的單元數(shù)量及間距以及饋入子陣列中每單元信號的幅度、相位權(quán)值。

為了建立陣列天線方向圖和各單元信號的幅相之間的關(guān)系，利用等間距點源的直線陣模型作為余割平方方向圖綜合的依據(jù)[17]。圖6 為等間距點源的直線陣模型，其歸一化方向圖函數(shù)可表示為：

圖6 等間距點源的直線陣模型示意圖

其中，In為第n個陣元的激勵電流復(fù)矢量。根據(jù)式(2)可知，改變In可以靈活地對陣列天線的方向圖進(jìn)行賦形。

根據(jù)天線增益和電場強度的關(guān)系，將式(3) 作為目標(biāo)方向圖函數(shù)。借助于PSO 算法，將陣列天線的實際方向圖函數(shù)逼近目標(biāo)方向圖函數(shù)。為此，定義了適應(yīng)度函數(shù)如式(4) 所示。

I1,I2,…,I16為16 個陣元的歸一化的電流幅度，φ1,φ2,…,φ16分別為16 個陣元的電流相位，方向圖函數(shù)的權(quán)重w1和副瓣的權(quán)重w2均設(shè)為1，SSL(θ) 為實際方向圖函數(shù)的副瓣電平，SSL0(θ)為目標(biāo)方向圖函數(shù)的副瓣電平。

經(jīng)優(yōu)化算法結(jié)束后，返回16 個陣元的歸一化的電流幅度和相位如表1 所示。

表1 優(yōu)化后各單元的歸一化電流幅度和相位分布

相應(yīng)優(yōu)化后的方向圖如圖7 所示。可見，優(yōu)化后的方向圖相比目標(biāo)方向圖，在主瓣范圍內(nèi)的增益最大差值小于1 dB，旁瓣電平小于-25 dB。因此，筆者認(rèn)為獲得了余割平方的方向圖賦形，達(dá)到了算法的優(yōu)化效果。

圖7 優(yōu)化后的方向圖和目標(biāo)方向圖對比

2.4 陣列天線的仿真與實測

基于以上優(yōu)化結(jié)果，為了驗證上述獲取的各端口幅度、相位權(quán)值的準(zhǔn)確性，我們利用CST 電磁仿真軟件設(shè)計了1×16 陣列天線。首先選擇了尺寸小、相鄰振子互耦合小的交叉饋電微帶天線作為天線單元，然后在饋電網(wǎng)絡(luò)中利用威爾金森功分器[20-21]并調(diào)整微帶線長度和移相器實現(xiàn)各端口的幅相分配，局部饋電網(wǎng)絡(luò)的實物圖如圖8 所示。為了驗證實際效果，對1×16 陣列進(jìn)行加工和測試。1×16 陣列天線xoz面的歸一化方向圖如圖9 所示，可見，仿真和實測相比，實測方向圖主波束波動略微增加，副瓣電平略微提高，這是因為在實際加工過程中，材料的均勻性、線路加工公差和過孔加工公差等因素都會引起饋電網(wǎng)絡(luò)各端口的阻抗失配、相位延遲，進(jìn)而造成饋電網(wǎng)絡(luò)各輸出端口的幅相和仿真有所差異。但本設(shè)計天線副瓣小于-20 dB，仍能達(dá)到設(shè)計要求。

圖8 饋電網(wǎng)絡(luò)局部實物圖

圖9 1×16陣列天線xoz面歸一化方向圖

為了實現(xiàn)陣列天線較高增益的波束掃描，根據(jù)實際項目的系統(tǒng)需求，將上述1×16 陣列作為子陣在y方向上等間距排列形成16 個端口的MIMO 天線。使用電子移相器將16 個端口同時激勵獲得了合成的方向圖，如圖10～12 所示。在xoz面，方向圖主瓣較仿真波動略微增加，原因在于相鄰子陣之間的耦合以及各端口的幅相激勵和理論值之間的差異；在yoz面獲得了較高增益窄波束的方向圖，MIMO 天線最大增益可達(dá)26.4 dBi；在y方向+30～-30°掃描范圍內(nèi)，天線增益掃描損耗約為1 dB，天線設(shè)計達(dá)到了預(yù)期。實際項目上，為消除系統(tǒng)饋入各端口幅度和相位的誤差，在天線的16 個主潰口加入了校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。

圖10 16端口MIMO天線3D方向圖仿真

圖11 16端口MIMO天線xoz面歸一化方向圖

圖12 16端口MIMO天線yoz面波束掃描方向圖

3 結(jié)束語

本文首先介紹了ATG 網(wǎng)絡(luò)在國外的進(jìn)展，然后利用余割平方的基本原理設(shè)計了天線的覆蓋方案，并通過方向圖乘積定理和PSO 算法獲得了能產(chǎn)生余割平方波束的初始權(quán)值分配。在此基礎(chǔ)上，利用CST 仿真軟件設(shè)計了1×16 的陣列天線，并利用威爾金斯功分器和移相器實現(xiàn)了各端口幅相分配，進(jìn)一步利用1×16 天線子陣設(shè)計并實現(xiàn)了具有高增益波束掃描的Massive MIMO 天線。測試結(jié)果表明，Massive MIMO 天線在xoz面具有余割平方方向圖，同時在yoz面實現(xiàn)了窄波束高增益方向圖且具有較強的波束覆蓋能力。本設(shè)計方案及天線已經(jīng)過業(yè)界的實用性驗收，為ATG 通信天線的設(shè)計提供了參考案例。