客機與衛(wèi)星通信方便機上的娛樂。將高速互聯(lián)網(wǎng)帶入機艙,可實現(xiàn)從電子郵件、社交媒體到在線購物的所有功能?;裟犴f爾航空航天公司(Honeywell Aerospace)最近的一項調查結論得出,三分之二的航空公司乘客都選擇了有Wi-Fi的航班。2019年,全球機上娛樂和連接市場規(guī)模估值約為59億美元。
在飛機上,使這一切成為可能的系統(tǒng)稱為衛(wèi)星通信系統(tǒng)(SATCOM),它主要由兩個單獨的天線模塊組成,一個用于發(fā)射,一個用于接收。它們工作在14至14.5 GHz的頻帶內,因此需要非常小,像花生一樣小。
但是,這么小的天線怎么能向36000公里外的外太空衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)呢?
SATCOM天線不僅是一個單獨的天線,而是由一簇相同的豌豆大小的天線組成,所有的天線都在同一頻率下共同工作,它們通常被稱為天線陣列。大多數(shù)傳統(tǒng)的小型天線輻射的功率有限,并且輻射遠沒有集中。這就限制了天線輻射的覆蓋距離。
SATCOM發(fā)射天線產(chǎn)生一束狹窄的聚焦束,幾乎就像瞄準衛(wèi)星一樣,并且僅在特定方向上發(fā)射所有輻射。此外,如果鏈路瞬間丟失,這些陣列可以在控制系統(tǒng)的幫助下,通過在各個方向上操縱波束來自動掃描衛(wèi)星,一旦找到,它們就可以將輻射波束鎖定在目標衛(wèi)星上。
為了使天線能夠執(zhí)行這樣的智能任務,對其進行精心設計和性能驗證至關重要。使用SIMULIA的電磁仿真工具,我們設計并仿真了一個工作在14 GHz的衛(wèi)星通信天線陣列。
為了設計陣列,我們進行了以下步驟:
第一步:天線單元建模
第一步是創(chuàng)建單個天線元件,也稱為陣列的單元(圖1)。SIMULIA的建模工具使我們能夠設計一個單元的參數(shù)模型,并從廣泛的材料庫中分配適當?shù)牟牧蠈傩浴?/span>S11參數(shù)表明,單元在所需的操作頻率下可以完美地工作
圖1. SATCOM天線陣列的單元
圖2.在14.125 GHz下運行的SATCOM單元的S11(回波損耗)
第二步:單元優(yōu)化
現(xiàn)在我們有了數(shù)組的基本構件,我們應該能夠將這些元素放在一起形成一個數(shù)組。但是有一個問題。當多個天線彼此靠近放置時,它們會在一定程度上降低相鄰天線的性能。為了糾正這個問題,需要對天線的尺寸進行優(yōu)化。
在高達14 GHz的頻率下優(yōu)化由數(shù)百個元素組成的整個陣列在計算上非常耗時。為避免這種情況,一種名為“Floquet端口邊界條件”的特殊功能允許單個單位模擬無限大陣列的性能。此功能的優(yōu)勢在于,它允許我們在實際設計之前研究天線陣列的性能。因此,仿真是在單個單位單元上進行的,而不是整個陣列上執(zhí)行的,從而節(jié)省了計算時間和資源。
優(yōu)化是在輻射波束的多個掃描角度以及14 GHz至14.5 GHz范圍內的多個工作頻率下同時進行的。優(yōu)化的目標是產(chǎn)生一個單元設計,當用于構建陣列時,產(chǎn)生的有源元件阻抗(AEI)不超過-10dB(圖2)。
圖3. SATCOM單元在14.5
GHz時的有源S_11
如圖3所示,在掃描角度為-50o≤θ≤50o和-90o≤φ≤90o(以虛線矩形為界)時,天線的有源S11小于-10 dB(視軸垂直于平面)。
圖4.掃描角度為-80o≤θ≤80o和-90o≤φ≤90o的14.5 GHz陣列元件的有源方向圖
第三步:天線陣列建模
現(xiàn)在我們有了一個適合設計無限陣列的天線單元。但實際上,陣列由有限的單元組成(圖5)。陣列的最外面的單元會產(chǎn)生非周期性的影響,因此,根據(jù)經(jīng)驗,它們會保持被動狀態(tài),即它們不會被提供任何能量,因此單元分析就可以更好地預測實際的陣列。
圖5.完整的衛(wèi)星通信發(fā)射天線陣列
陣列建模是在“陣列任務”的幫助下進行的,“陣列任務”是一種直觀的工具,可快速構建具有所需形狀和數(shù)量的陣列。它還允許我們選擇給定單元是主動還是被動。此外,它還具有一系列單元激發(fā)模式,可幫助定義輻射主波束的形狀并允許電子控制陣列。
圖6.陣列任務中單元的選擇和激勵模式
陣列選擇了一個橢圓形狀的泰勒激勵模式。使用有限積分技術在整個陣列上進行時域仿真,這使我們能夠觀察陣列的輻射方向圖以及其他天線參數(shù),例如增益,回波損耗和總輻射功率。我們能夠實現(xiàn)27.9 dB的良好方向性和-29.6 dB的副瓣電平(圖7)。
圖7. 陣列方向性的極坐標圖(左)和三維遠場圖(右)
第四步:天線罩設計
天線通常被封閉在一個稱為“天線罩”的結構中,以保護它們免受灰塵,雨水和冰的影響(圖8)。仔細設計天線罩非常重要,因為它們會嚴重影響天線的性能。
圖8. 衛(wèi)星通信發(fā)射和接收陣列被封閉在一個稱為雷達罩的保護罩內。
設計了一個三層夾芯天線罩,它由兩層石英外層(= 3.3,tanδ= 0.0004)圍成的蜂窩結構組成,在此頻率范圍內,可以通過將其建模為具有單一有效介電常數(shù)(=1.1)的均一材料來準確模擬。將整個陣列放置在天線罩內,并使用仿真研究天線罩結構對主波束增益和形狀的影響。
圖9.放置在天線罩內的天線陣列的方向性
因此,我們能夠成功設計和仿真SATCOM天線系統(tǒng)的發(fā)送和接收模塊(圖9)。
總之,我們簡單易用的工具可以幫助您在較短的時間周期內設計出相控陣,如衛(wèi)星通信天線。這種天線在飛機上的應用范圍很廣,例如用于天氣探測的雷達陣列和飛機的地面跟蹤。
在不久的將來,衛(wèi)星連接將對飛機的飛行記錄儀(黑匣子)進行重大升級。天線不必將所有飛行數(shù)據(jù)和座艙語音記錄本地存儲在飛機上,而是能夠通過衛(wèi)星實時地對所有數(shù)據(jù)進行縮減,從而可以在災難性事件發(fā)生之前就對其進行預測,從而使空中旅行更安全。
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