摘 要:基于航空無線電技術(shù)委員會(huì)(Radio Technical Committee for Aeronautics,RTCA) 等的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合衛(wèi)星通信鏈路預(yù)算理論,給出全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS) 機(jī)載天線增益適航性分析的理論方法,并對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Beidou Navigation Satellite System,BDS) 機(jī)載天線增益進(jìn)行適航性分析計(jì)算。以BDS 機(jī)載天線增益適航性分析結(jié)果為設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行BDS B1I 頻段機(jī)載無源天線的驗(yàn)證設(shè)計(jì)與仿真。BDS 機(jī)載無源天線仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo),并具有良好的低仰角增益與圓極化性能。證明了所給GNSS 機(jī)載天線增益適航性分析方法的可行性與BDS 機(jī)載天線增益適航性分析結(jié)果的合理性。
關(guān)鍵詞:北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);機(jī)載天線適航性;最低工作性能標(biāo)準(zhǔn);機(jī)載天線設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào):TN965. 2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID):
文章編號(hào):1003-3106(2024)04-0984-08
0 引言
機(jī)載導(dǎo)航天線是機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備的重要組成部分,其各項(xiàng)性能需滿足適航性要求。針對(duì)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite Systems,GNSS)機(jī)載天線的適航性審查,中國民用航空局(CivilAviation Administration of China,CAAC)主要參考美國聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration,FAA)的“技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(TSO)”,頒布了一系列的“中國民用航空技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(CTSO)”[1]。2012年11 月,CAAC 頒布了《無源機(jī)載全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)天線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(CTSOC144a)與《有源機(jī)載全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)天線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(CTSO-C190),二者內(nèi)容適用于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)機(jī)載天線。
隨著北斗三號(hào)的建成,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeidouNavigation Satellite System ,BDS)民航應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)研究越顯重要。2019 年8 月,CAAC 頒布了基于北斗二號(hào)的CTSO-2C604,其中對(duì)北斗機(jī)載天線提出了最低性能要求及測(cè)試方法。2022 年3 月,基于北斗三號(hào)的CTSO-2C604a 標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布。文獻(xiàn)[2 -3]針對(duì)BDS 在航空器追蹤方面的應(yīng)用,做了BDS 機(jī)載設(shè)備適航性要求的分析與驗(yàn)證。北斗官方2022 年2 月發(fā)布《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航標(biāo)準(zhǔn)體系(2. 0 版)》,北斗相關(guān)的民航標(biāo)準(zhǔn)大部分都在制定過程中。國內(nèi)外發(fā)表的有關(guān)BDS 機(jī)載天線的論文主要集中在天線設(shè)計(jì)方面的研究,對(duì)于BDS 機(jī)載天線增益最低工作性能標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)道較少。盡管CTSO-2C604 與CTSO-2C604a 給出了僅用于航空器追蹤的北斗機(jī)載設(shè)備適航性要求分析,但并沒有明確給出GNSS 機(jī)載天線增益適航性分析的理論方法。
本文給出了GNSS 機(jī)載天線的增益適航性分析方法,仿真得到BDS 機(jī)載天線增益最低運(yùn)行性能的參考值,并基于該值做了BDS 機(jī)載無源天線的驗(yàn)證性設(shè)計(jì)與仿真,驗(yàn)證了該適航性分析方法的可行性與分析結(jié)果的合理性。
1 GNSS 機(jī)載天線增益適航性分析
鏈路預(yù)算是衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié),可為系統(tǒng)各部分技術(shù)參數(shù)的確定提供支撐。鏈路預(yù)算關(guān)鍵內(nèi)容為計(jì)算衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)地面時(shí)的系統(tǒng)載噪比,計(jì)算鏈路余量,確定保證可靠性前提下衛(wèi)星通信系統(tǒng)各部分的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)[4]。GNSS 機(jī)載天線增益是GNSS 星機(jī)下行鏈路預(yù)算中的重要參數(shù),在確定鏈路余量等參數(shù)的情況下,可得出GNSS 機(jī)載系統(tǒng)對(duì)于天線增益的最低運(yùn)行性能要求。
1. 1 無源天線增益適航性要求
參考RTCA228 等標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于無源天線的內(nèi)容,GNSS 機(jī)載無源天線結(jié)構(gòu)如圖1 所示。導(dǎo)航信號(hào)被輻射單元接收,經(jīng)過同軸電纜傳輸至接收機(jī)輸入端。
1. 1. 1 無源天線最小增益
根據(jù)鏈路預(yù)算理論,建立GNSS 下行鏈路余量方程[5]:
1. 1. 2 無源天線最大增益
衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)到達(dá)地面后功率小于噪聲功率,因此接收機(jī)的最大輸入功率取決于噪聲功率[6]。在已知天線輸出噪聲功率門限的情況下,可以得出天線增益的最大值,具體計(jì)算如下:
N0 out ≤ N0 max , (9)
式中:N0 out 為天線輸出噪聲功率,N0 max 為天線輸出噪聲功率門限值。
據(jù)RTCA-228 對(duì)天線帶內(nèi)干擾功率最大值的規(guī)定可得:
1. 1. 3 無源天線增益方向圖
文獻(xiàn)[7]對(duì)不同仰角時(shí)GNSS 機(jī)載無源天線的增益變化做了規(guī)定,具體如表1 所示。機(jī)載導(dǎo)航天線E 面增益方向圖在主波束內(nèi)應(yīng)具有平坦的變化曲線、較寬的主波束寬度。BDS 機(jī)載無源天線增益隨仰角變化趨勢(shì)可參考表1。
1. 2 有源天線增益適航性要求
文獻(xiàn)[8]給出了GNSS 機(jī)載有源天線增益適航性標(biāo)準(zhǔn)值,下面將對(duì)GNSS 機(jī)載有源天線增益進(jìn)行適航性理論分析。圖2 給出了GNSS 機(jī)載有源天線結(jié)構(gòu),主要包括無源輻射單元、有源組件單元和傳輸電纜。其中有源組件單元包括前置濾波器、低噪聲放大器(LNA)、后置濾波器和傳輸電纜等[9]。
1. 2. 1 有源天線品質(zhì)因數(shù)G / T
G / T 為天線增益與接收系統(tǒng)噪聲溫度的比值,RTCA-301 中對(duì)G / T 的定義如下:
式中:Ga 為無源輻射單元增益,TIN 為接收系統(tǒng)等效輸入噪聲溫度,TA 為天線噪聲溫度,TR 為接收機(jī)噪聲溫度。
1. 2. 2 有源天線輻射單元增益最小值
有源天線對(duì)信號(hào)產(chǎn)生增益作用的部件主要為無源輻射單元、有源組件單元以及饋線,有源組件單元以及饋線對(duì)信號(hào)的增益由文獻(xiàn)[9 ]給出。根據(jù)式(14)、式(19)可以得出無源輻射單元最小增益方程:
1. 2. 3 有源天線輻射單元增益最大值
有源天線輻射單元增益最大值的分析思路與無源天線增益最大值分析思路一致。
[N0 out] = [kTsys GR Gc ]。(21)
[N0 max]由式(10)計(jì)算,帶入式(9)可得有源天線無源輻射單元的最大增益方程為:
2 BDS 機(jī)載天線增益適航性分析
機(jī)載設(shè)備適航審定標(biāo)準(zhǔn)是機(jī)載設(shè)備需達(dá)到的最低工作性能標(biāo)準(zhǔn),BDS 機(jī)載天線作為機(jī)載設(shè)備的重要組成部分,其性能指標(biāo)必須滿足適航審定要求。目前機(jī)載設(shè)備適航性研究主要參考RTCA 系列標(biāo)準(zhǔn),適用于BDS 的機(jī)載導(dǎo)航天線增益最低運(yùn)行性能研究較少。采用本文給出的適航性分析方法,進(jìn)行BDS 機(jī)載天線的增益適航性仿真分析。
2. 1 BDS 相關(guān)參數(shù)
以B1C、B1I 頻段機(jī)載天線為例,進(jìn)行增益適航符合性分析。根據(jù)北斗官方文件整理B1C、B1I 信號(hào)的關(guān)鍵參數(shù)如表2 所示[10-11]。
據(jù)式(5)可得B1C 頻段天線輸出載噪比門限值為26 dB,B1I 頻段天線輸出載噪比門限值為21. 5 dB。增益分析關(guān)鍵參數(shù)如表3 所示。
參數(shù)1 ~ 6,根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]中相關(guān)參數(shù)設(shè)置;參數(shù)7,解調(diào)誤碼率為10-6 時(shí)BPSK 解調(diào)門限?。保埃?5 dB;參數(shù)8,考慮射頻器件損耗以及系統(tǒng)備余量設(shè)置,為保證系統(tǒng)可靠性?。保?dB。
2. 2 增益適航符合性分析
將BDS 關(guān)鍵計(jì)算參數(shù)帶入本文給出的分析方程,計(jì)算得到BDS 機(jī)載天線增益適航性分析參考值。BDS 機(jī)載天線增益適航性分析結(jié)果如表4 和表5 所示。
對(duì)于無源天線,B1C、B1I 頻段最小增益均小于L1 頻段最小增益、最大軸向增益均為9. 5 dB;對(duì)于有源天線,B1C、B1I 頻段最小增益均大于L1 頻段最小增益、最大軸向增益均為6. 3 dB;有源天線G / TB1C 頻段大于L1 頻段、B1I 頻段小于L1 頻段。
由于RTCA 系列標(biāo)準(zhǔn)文件是由RTCA 與政府部門、工業(yè)設(shè)備供應(yīng)商以及用戶等協(xié)商制定,其技術(shù)參數(shù)的確定不僅依靠理論基礎(chǔ),還融入了生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、用戶反饋意見等各方面信息。因此BDS 機(jī)載天線適航性分析結(jié)果與RTCA-228 / 301 標(biāo)準(zhǔn)值之間存在一定差異,本文所做理論分析可作為后續(xù)研究的參考,相關(guān)性能指標(biāo)還需在后續(xù)研究中進(jìn)一步完善。
3 BDS 機(jī)載天線驗(yàn)證設(shè)計(jì)
為驗(yàn)證BDS 機(jī)載天線增益適航性分析方法的可行性與分析結(jié)論的合理性,設(shè)計(jì)一款工作頻率為1 561. 098 MHz±8 MHz(BDS B1I),滿足適航要求的BDS 機(jī)載無源天線。
3. 1 設(shè)計(jì)指標(biāo)
據(jù)前文分析結(jié)論,可以得出設(shè)計(jì)指標(biāo)如表6所示。
為減小信號(hào)功率損耗,BDS 機(jī)載接收天線應(yīng)設(shè)計(jì)為右旋圓極化天線。通常認(rèn)為軸比小于3 dB 時(shí)天線即滿足圓極化要求。天線極化增益指標(biāo)參考表4。
3. 2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)載導(dǎo)航天線除了滿足電氣性能指標(biāo)外,還需考慮其尺寸要求,尤其是剖面高度。微帶天線由于具有剖面高度低、易加工等特點(diǎn),在機(jī)載天線設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。為使天線具有良好的輻射場(chǎng)對(duì)稱性,可采用圓形輻射貼片[12]。圓形輻射貼片半徑大小可由式(23)進(jìn)行估算:
式中:c0 為真空中的光速,f 為天線的諧振頻率,εr?yàn)榻橘|(zhì)板的相對(duì)介電常數(shù)。
圓極化天線的設(shè)計(jì)通常有多種形式,包括單點(diǎn)饋電法、多點(diǎn)饋電法以及多元法。文獻(xiàn)[12 -14]采用單點(diǎn)饋電的方法,降低了天線的復(fù)雜度,提高了可靠性。文獻(xiàn)[15-16]采用多點(diǎn)饋電的方法展寬了圓極化帶寬。文獻(xiàn)[17 -18]采用多元法設(shè)計(jì)天線結(jié)構(gòu),提升天線的圓極化性能。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)可知,BDS 機(jī)載天線對(duì)于3 dB 軸比帶寬的要求不高,因此采用單點(diǎn)饋電法,并在輻射貼片上切割2 對(duì)長度不一的縫隙充當(dāng)分離元。
BDS 機(jī)載天線的增益性能是本文研究的重點(diǎn),天線增益與天線的方向性系數(shù)十分類似,天線增益考慮了天線效率以及天線的定向性。具體關(guān)系如下:
G = ηD, (24)
式中:G 為天線增益,D 為方向性系數(shù),η 為天線效率。
對(duì)于微帶天線,天線方向性系數(shù)D 為:
D = 4π/ΩA, (25)
ΩA ≈ θHP ΦHP , (26)
式中:θHP 與ΦHP 為天線在2 個(gè)主平面上的半功率波束寬度。
可得出天線增益與波束寬度的關(guān)系:
G ≈ η (4π/θHP ΦHP)。(27)
對(duì)于微帶天線,提高增益會(huì)導(dǎo)致其波束寬度變窄、方向性增強(qiáng)。寄生輻射結(jié)構(gòu)加載技術(shù)可以在保持天線增益穩(wěn)定的前提下提升天線的波束寬度[19]。在圓極化輻射結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,加載寄生輻射結(jié)構(gòu),使二者遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖相結(jié)合產(chǎn)生上半球狀的輻射方向圖。常用的寄生輻射結(jié)構(gòu)主要有單極子天線、環(huán)狀微帶天線等。文獻(xiàn)[12]采用了單極子天線加載,展寬了天線3 dB 波束寬度,提升了天線的低仰角增益。但該方法使天線剖面高度增加,不適于BDS 機(jī)載天線設(shè)計(jì)。采取加載環(huán)狀微帶結(jié)構(gòu)的方法可改善天線增益以及波束寬度[20]。環(huán)狀微帶結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布與其半徑有關(guān),已有研究表明環(huán)狀輻射結(jié)構(gòu)半徑約為1 / 4 波長時(shí)可產(chǎn)生較強(qiáng)耦合電流并形成對(duì)稱的輻射場(chǎng)。
結(jié)合天線設(shè)計(jì)指標(biāo)與設(shè)計(jì)規(guī)范,確定天線結(jié)構(gòu)如圖3 所示,該天線分為上、中、下3 層結(jié)構(gòu),由圓形地板、圓形FR4 介質(zhì)基板、圓形輻射貼片和環(huán)狀加載結(jié)構(gòu)組成。上下2 層環(huán)狀加載結(jié)構(gòu)與圓形輻射貼片耦合,調(diào)節(jié)天線表面的電流分布,改善天線的增益性能。在圓形輻射貼片上切割2 對(duì)長度不一的縫隙,并采用50Ω 同軸饋線單點(diǎn)饋電的方式使天線輻射圓極化波。
圖4 給出了環(huán)狀加載結(jié)構(gòu)采用不同形式對(duì)天線3 dB 波束寬度的影響,采用連續(xù)環(huán)狀結(jié)構(gòu)時(shí)天線3 dB 波束寬度較小,采用間斷環(huán)狀結(jié)構(gòu)時(shí)天線3 dB波束寬度得到擴(kuò)展,在仰角大于5°范圍內(nèi)天線軸比小于3 dB。圖5 給出了不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)天線的3 dB波束寬度情況,采用雙層環(huán)狀加載結(jié)構(gòu)的天線3 dB波束寬度約為179. 4°,較其他2 種設(shè)計(jì)有明顯提升。圖6 給出了不同加載結(jié)構(gòu)下天線的極化增益曲線,雙層環(huán)狀結(jié)構(gòu)對(duì)極化增益的提升較為明顯,尤其是對(duì)于軸向極化增益。
3. 3 仿真結(jié)果
使用ANSYS HFSS 軟件進(jìn)行天線性能仿真與參數(shù)優(yōu)化,得出天線的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。
天線的最終性能參數(shù)也由ANSYS HFSS 軟件分析得出,具體如下。天線S11 特性曲線如圖7 所示,天線仿真阻抗帶寬約為81 MHz(1. 529 ~ 1. 610 GHz),中心頻率f=1 561. 098 MHz 時(shí)回波損耗約為-19. 3 dB。圖8 為天線軸向軸比隨頻率變化曲線,天線3 dB帶寬為20 MHz(1. 549 ~ 1. 569 GHz)。圖9 給出了天線極化增益曲線,仰角5°時(shí)天線增益-6. 9 dBic,軸向極化增益為0. 99 dBic。
該天線仿真性能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo),具有良好的低仰角增益與圓極化性能,可以達(dá)到BDS 機(jī)載無源天線增益最低性能標(biāo)準(zhǔn)的要求。證明BDS 機(jī)載無源天線增益適航性分析方法可行、分析結(jié)果合理。
4 結(jié)論
參考RTCA 系列標(biāo)準(zhǔn),對(duì)GNSS 機(jī)載天線進(jìn)行增益適航性分析,以BDS 機(jī)載天線為例做增益適航性仿真,并通過BDS 機(jī)載無源天線設(shè)計(jì)驗(yàn)證適航性分析方法的合理性。得出以下結(jié)論:
① GNSS 機(jī)載天線增益適航性分析方法合理可行。
② BDS 機(jī)載無源天線設(shè)計(jì)方案滿足適航性要求。
③ 空間信號(hào)體制差異、技術(shù)參數(shù)確定渠道單一致使BDS 機(jī)載天線增益適航性分析結(jié)果與RTCA系列標(biāo)準(zhǔn)存在區(qū)別。
本文研究結(jié)果可為BDS 機(jī)載天線適航審定標(biāo)準(zhǔn)研究與BDS 機(jī)載天線設(shè)計(jì)提供支持和參考。
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作者簡介
劉瑞華 男,(1965—),博士,教授,碩士生導(dǎo)師。主要研究方向:衛(wèi)星導(dǎo)航在民航中的應(yīng)用、衛(wèi)星導(dǎo)航與組合導(dǎo)航。
王彥軍 男,(1998—),碩士研究生。主要研究方向:北斗機(jī)載天線適航性分析。
馬 贊 男,(1984—),碩士,副研究員。主要研究方向:民機(jī)系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)與評(píng)估、航空電子適航審定技術(shù)。
馬琬淇 女,(1995—),助理工程師。主要研究方向:通信導(dǎo)航。
基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助(2022YFB3904304)