一種新型的太陽能無人機分布式相控陣天線

陳軍全

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一種新型的太陽能無人機分布式相控陣天線

陳軍全

（中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036）

由于遠距離傳輸、小口徑安裝、精確波束指向等諸多因素，傳統的相控陣天線無法滿足臨近空間長航時太陽能無人機的通信需求。針對此問題，提出了一種新型的太陽能無人機分布式相控陣天線，以實現高數據率遠距離傳輸；基于分布式陣列方法解決天線安裝問題；采用基于應變測量元件的波束校正方法實現精確波束指向。設計了一種Ka頻率的分布式相控陣天線，通過仿真，驗證了本文提出方法的正確性。

無人機；分布式天線；相控陣天線；子陣；波束校正；信號合成

太陽能無人飛機具有巡航時間長、飛行高度高、覆蓋區域廣等優勢，可執行偵察監視、預警、探測等任務，已逐漸引起人們的重視[1-2]。然而，根據臨近空間長航時太陽能無人機的要求，以及大尺度機翼/機體結構安裝和飛行器載荷輕的限制，太陽能無人機天饋系統設計仍然面臨一些挑戰。第一，太陽能無人機飛行高度高、覆蓋范圍大、通信鏈路長，為了確保通信質量，通信鏈路需滿足高數據率遠距離傳輸[3]，即天線具有高EIRP（Equivalent Isotropic Radiated Power）、G/T（Gain/Temperature）值；第二，為了追求高的氣動效率和高空長航時作業，太陽能無人機一般采用覆蓋大量太陽能板的大展弦機翼，導致平臺很難滿足大口徑天線陣列安裝條件。第三，由于太陽能無人機飛行依靠太陽能，所以機載設備盡量要減少對飛機能量的消耗。基于輕型結構理念，太陽能無人機降低了飛機的結構強度，在飛行過程中容易發生結構變形，為了保證正常通信，需考慮天線實時的精確波束指向[4]。

采用有源相控陣天線可以實現高EIRP和G/T值的天饋系統[5-6]，滿足飛行器高數據率遠距離傳輸。然而，陣元數目較多（數千個陣元），采用常規的相控陣天線體制大口徑陣列設計，陣列的饋電網絡設計難度大，整個陣列的質量和體積無法滿足機翼安裝條件。采用分布式天線[7-8]，可以將大口徑天線陣列性能通過多個小口徑天線陣列實現，適合太陽能無人機的機翼安裝條件。但是，常規的分布式天線對每個陣元都進行自適應處理，由于相控陣體天線的陣元數多，算法很難實現靈活、快捷的特點。對于無人機平臺，人們對分布式陣列開展了相應的研究，構建了相應的MIMO(Multiple Input Multiple Output)信道模型，通過采用多天線和空時編碼技術有效對抗多徑衰落、機身對天線的遮擋效應、提高通信容量，實現可靠的通信[4-9]。然而，在這些研究中很少涉及相控陣天饋系統與應用平臺適應性的問題。因此，針對新的應用平臺特點，太陽能無人機對相控陣天線的整體架構提出了新的需求。

本文提出了一種太陽能無人機分布式相控陣天線設計方法，采用有源相控陣天線方式，實現高的天線增益，為太陽能無人機提供高數據率遠距離傳輸；基于分布式陣列方法，把大口徑天線陣列分為多個面積較小的子陣單元，并共形安裝在無人機不同位置，從而解決安裝受限的問題；在分布式天線子陣單元中安裝應變測量元件，利用實時姿態參數對子陣單元波束指向進行校正，解決子陣單元波束指向受結構變形影響的問題。最后設計了一種Ka頻率分布式相控陣，通過仿真，驗證了本文提出方法的正確性。

1 分布式相控陣天線基本原理

基于分布式子陣理念，分布式相控陣天線架構主要包含兩個方面：子陣單元和信號合成單元，如圖1所示。子陣單元包括天線陣面，波束合成單元（TR組件和饋電網絡），以及提供波束指向信息的波束控制單元（子陣姿態測量單元和波束控制器），具有相控陣系統[10-11]基本功能，根據要求可實現發射和接收波束掃描。信號合成單元的功能是采用自適應波束形成算法，通過改變各子陣輸入和輸出信號的相位，形成一個總的指向波束。每個子陣單元與信號合成單元之間采用光纖方式連接，實現輕量化設計，同時支持高速數據傳輸要求。

圖1 分布式相控天線結構框圖

為了能夠實現分布式相控陣天線實時波束指向基本功能，系統需完成兩個步驟：一是每個子陣單元的波束合成[12]，二是所有子陣單元的信號合成[13]。

1.1 子陣單元波束指向校正

對于第一個步驟，太陽能無人機機翼長達幾十米，在飛行過程中存在嚴重變形，安裝在機翼不同位置的子陣單元相對于衛星或者地面站的實時角度會發生變化。如果直接采用機上航電系統提供的指向角，子陣單元波束指向將存在嚴重誤差。

為了實現子陣單元精確波束指向，定義三個坐標系統：地球坐標系（，其中平面與水平面平行，軸垂直指向天空）、機身坐標系（，其中平面為飛機機身平面，軸垂直指向天空）、子陣單元陣面坐標系（，其中平面為陣面平面，垂直該平面指向天空）。

式中：

式中：

因此，添加姿態測量單元，子陣單元指向校正過程簡單描述為：首先，根據機上航電系統提供的姿態參數（）和衛星參數（），獲得衛星在地球坐標系下的坐標；然后，利用子陣單元姿態測量單元獲得天線陣面的姿態參數()，通過坐標變化，最終實現衛星相對于子陣單元陣面的精確的波束指向()。

1.2 子陣單元信號延時校正

由于子陣單元相互距離可能遠遠大于波長，導致其輸出信號延時（）可能遠遠超過一個符號周期（sym），如圖2（a）所示。在該情況下，不同子陣單元的輸出信號（符號a）無交集，無論后級如何進行相位校正操作，都無法實現子輸出信號的同相疊加，從而導致整個系統無法工作。為了簡化子陣單元設計，延時校正在集中式處理終端中實現，通過添加數字延時單元，對每個子陣單元的輸出中頻信號進行整數倍的采樣周期（s）延時校正，從而。在圖2（b）中，校正后陰影部分為相同符號重疊部分，那么整個系統可以實現同相疊加。整個延時校正示意圖如圖2所示（為了表示方便，符號的載波在圖中忽略了）。

圖2 延時校正示意圖

在具體實現時，延時模塊是在數字域完成，關鍵問題是如何求解延時單元個數（M。假設在機身坐標系下，信號的入射角度為0，第個子陣相位中心位置坐標為：

式中：p，p，p是對應，，軸坐標。

信號的波數矢量可以表示為：

式中：c對應載波波長。那么，M計算公式為：

校正后的延時差為：

2 分布式相控陣天線實現方法

2.1 分布式子陣單元設計

分布式相控陣天線的子陣單元是一個簡單的有源相控陣子系統，主要由天線陣面、TR組件、饋電網絡、波束控制、子陣波束校正、電源模塊等模塊組成，基本結構如圖3所示。

圖3 子陣單元設計框圖

在子陣單元構架上，采用輕質、高效有源相控陣天線技術設計。同時，在每個子陣單元安裝三維電子羅盤，通過測量獲得子陣陣面姿態信息，實現每個子陣單元的波束校正功能。基本工作原理如下：首先，根據信號合成單元傳來的方位角、俯仰角、頻率等信息，通過子陣波束校正和波束控制，設置TR開關狀態和數字移相器控制碼等參數，然后，完成發射狀態和接收狀態操作。其中：發射狀態是使輻射方向指向目標方向，完成功率分配、移相、功率放大后，送達天線陣面，實現功率的空間定向輻射；接收狀態是使輻射方向指向目標方向，完成移相、功率放大，功率合成、送達信號合成單元，實現定向空間的功率合成輸出。

2.2 分布式信號合成單元設計

鑒于子陣單元的收發模式幾乎是可逆的，以接收系統為例，描述分布式信號合成單元設計。在接受狀態，分布式信號合成單元的目的是校正每個子陣的輸出信號，使其具有相同的相位，完成信號合成輸出。信號合成單元系統包括三個組成部分：一是下變頻和中頻放大模塊，二是子陣單元延時校正模塊，三是相位校正模塊，整體結構如圖4所示。

圖4 信號合成單元設計框圖

每個子陣單元完成模擬合成之后，輸出射頻信號y()為：

式中：()為復基帶信號；表示信號頻率；為子陣輸出信號延時；n()為噪聲。

為了獲得合成信號（()），只需要完成相位一致性校正，可采用相應的相位校正方法，例如：功率倒置LMS自適應濾波算法、SUMPLE算法、有限反饋的隨機相位校正方法，等等。通過以上處理，分布式相控陣天線將最終()輸出給通信系統后端進行相應信號處理。

3 實例與仿真

3.1 分布式相控陣整體設計

子陣單元具有相控陣天線系統基本功能，應滿足相控陣天線設計基本準則。子陣單元采用收發陣列陣面分開、共孔徑設計方案，接收和發射陣列陣元間距都為6 mm，按矩形柵格陣布陣，發射和接收陣列單元數都為8×8，子陣單元天線陣面布局見圖5。

圖5 收發陣列天線單元布局圖

基于小型化、輕量化考慮，采用結構功能一體化體制相控陣[14]，每個收發共口徑子陣單元體積≤120 mm×60 mm×30 mm，按整塊純度80%金屬鋁計算，質量≤467 g，從而子陣單元可以方便地安裝在飛機機不同位置。在子陣單元下面埋置三維電子羅盤，測出大尺度機翼變形時子陣位置，實現子陣單元最大波束校正。同時，基于低熱耗考慮，每發射通道輸出功率按P=10 mW（考慮自然散熱），陣列單元增益G=4.0 dB，整機系統接收噪聲為NF=5.0 dB，整個相控陣天線系統的EIRP值和G/T值為：

式中：F、T分別為相控陣天線的發射和接受單元總個數；通過計算可得：相控陣天線系統可實現法向EIRP≥34.2 dBW，G/T≥5.1dB/K，掃描±60°時考慮天線增益損失5 dB，則EIRP≥29.2 dBW，G/T≥0.1 dB/K，滿足目前的通信需求。

為了減少子陣單元對太陽能板的遮擋，子陣單元分布在大尺度機翼的兩側靠近邊緣位置，布陣方案如圖6所示。每個子陣單元采用分布式光纖傳輸網絡，通過光電/電光轉換采樣，完成每個子陣的自適應波束形成。每個子陣通過光電轉換芯片完成分布式自適應天線的終端集中式處理。如果按8個子陣計算、信號帶寬100 MHz、采樣率400 MHz、FPGA工作時鐘200 MHz、迭代次數1 000次，信號合成單元集中式處理，自適應波束形成時間1 ms左右，可滿足分布式子陣實時自適應需求。

圖6 子陣單元布陣示意圖

3.2 天線子陣單元仿真分析

天線子陣單元采用仿真軟件進行電性能仿真設計，并加工最終實物圖，如圖7所示。基于半實物仿真，對天線陣面的接收和發射方向圖進行合成，掃描方向圖，如圖8所示。從圖中可以看出：分布式子陣單元可以實現方向圖正確掃描，隨掃描角的增加子陣單元增益不斷減小，與理論分析基本一致。

圖7 子陣單元天線陣面樣件實物圖

圖8 子陣單元半實物仿真掃描方向圖

考慮最為嚴重的情況，子陣安裝在機翼末端，距離機身70 m。根據變形情況，機翼前后扭曲最大5 m（=4o）；機翼上下彎曲變形最大10 m（=8o）；機翼沿著機翼軸線扭矩產生橫滾角最大（=30o）。當波控系統采用（，）=（0o，0o）指向角度，根據計算衛星真實角度為（，）=（30o，105o）。若不指向校正，該子陣主瓣完全偏離衛星方向。若電子羅盤測量的航向角、俯仰角、方位角均存在誤差，分別為、、、、、，均服從（0，）的高斯分布，采用蒙特卡洛法（= 1 000）仿真不同指向角度（，），子陣增益衰減平均值，如圖9所示。

圖9 電子羅盤測量誤差對陣列增益衰減的影響

3.3 信號合成單元仿真分析

圖10 兩個子陣延時校正后的符號重疊情況

從仿真可得：隨采樣率的增加，延時校正后重疊比例不斷增加。當采樣率為200 MHz，兩個子陣的相同符號在延時校正后重疊比例達到90%，能夠滿足系統的使用需求。為了進一步實現同一符號最大程度的符號重疊，可采用分數倍延時校正，即采用FIR濾波器結構實現。該情況下不同的指向角度對應不同的值，因此該分數階FIR濾波器是一個變系數濾波器，采用自適應濾波的方式確定其值。

假設子陣單元軸方向間距0.5 m，軸方向間距5 m，采用基帶信號為70 MHz的單點頻信號，經過延時校正后，子陣信號延時分別為0.0，1.1，2.3，3.5，4.6，3.2，1.9，0.9 ns。當波束指向法向為（0o，0o）時，各子陣輸出SNR相等時，分布式子陣合成輸出的信號SNR如圖11所示。從圖中可得：在大SNR情況下，所有信號合成方法性能基本相同，與理想情況非常接近。在小SNR時，針對不同應用需求可以采用不同算法實現。

不考慮校正誤差情況下，分布式相控陣天線合成二維仿真方向圖（其中陣列因子為歸一化方向圖），如圖12所示。從圖中可以看出：相控天線能夠實現正確指向，合成方向圖主瓣寬度約為1o；由于子陣間距遠遠大于半個波長，方向圖中出現了很多柵瓣，針對該問題，在實際工程設計方案，可以通過加權處理實現柵瓣抑制。

圖11 信號合成方法性能比較圖

圖12 不考慮校正誤差，分布式相控陣天線合成方向圖

4 結論

針對太陽能無人機的通信需求，從天饋系統與平臺適應性出發，提出了一種新的分布式相控陣天線設計方法。該方法采用相控陣天線方式為太陽能飛機實現高數據率遠距離傳輸，同時采用分布式子陣設計方法實現等效大口徑天線，從而解決天線安裝的問題；最后采用應變測量元件的波束校正方法實現分布式相控陣天線精確波束指向。

本文構建了分布式相控陣天線架構，推導并給出了子陣單元波束指向校正和子陣信號延時校正的計算公式，以一種Ka頻率分布式相控陣天線為例，完成了相應的分布式相控陣整體設計。通過仿真，實現了分布式相控陣天線的精確波束指向，驗證了本文提出方法的正確性。

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（編輯：陳渝生）

Novel distributed phase array antenna of solar powered UAV

CHEN Junquan

(Southwest Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

Due to some limitations (long-distance transmission, small-caliber mounting, accurate beam steering), the communication demand of long endurance solar powered unmanned aerial vehicle (UAV) cannot be satisfied by using the traditional phase array antenna. According to these questions, a novel distributed phase array antenna for UAV was proposed. It employed phase array antennas to realize the high data rate and long-distance transmission; and then, it implemented the method based on distributed subarray to solve the installation problem; finally, it also employed the beam correction method used strain measuring devices to establish accurate beam steering. As a sample, a Ka-band distributed phase array antenna was designed. The feasibility of the proposed method is validated by the simulation.

UAV; distributed antenna; phase array antenna; subarray; beam forming remedy; signal combining

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.07.013

TN823

A

1001-2028（2016）07-0053-07

2016-04-13

國家高技術研究發展計劃“863”資助項目（No. 2015AA1443）；國家重點基礎研究發展計劃“973”資助項目（No. 6131）

陳軍全（1986－），男，四川廣安人，工程師，博士，從事電磁場與天線技術研究，E-mail: chenjqscu@163.com。

2016-07-01 10:50:44

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160701.1050.013.html