基于一种卫通北斗天线终端一体化设计

基于一种卫通北斗天线终端一体化设计

张品春龚乐王宁常纯晔

广州海格通信集团股份有限公司，广东广州510663

摘要：文章论述了基于一种卫通北斗天线终端一体化设计，卫通北斗天线终端一体化集成了卫星导航模块与卫通大S通信模块，支持位置定位、数据通信等功能，同时满足导航定位、大S卫星通信正常工作。文章论述设计的一种卫通北斗天线终端，是一种卫通电扫数字相控阵终端，幅相控制均在数字域实现，卫通天线采用倾斜低剖面微带阵列天线设计，布置在天线终端四周位置，提升了天线阵低仰角波束合成增益；北斗天线采用平面低剖面微带阵列天线设计，布置在天线终端顶部中间位置，底面反射小，提升了天线低仰角增益。结果表明基于一种卫通北斗天线终端一体化设计，在高低仰角均可以实现可靠通信;同时能接收卫星导航信号，实现位置定位功能。

关键词：卫通、北斗定位、数字相控阵、波束合成、数据通信、小型化、低仰角

目前卫通北斗天线终端一体化天线的设计方案主要有三种：机械伺服天线、平面相控阵天线、斜面相控阵天线。其中机械伺服天线优点是卫通链路设计简单，多为固定天线波束方向，通过机械伺服来实现方位俯仰扫描，缺点是尺寸较大，终端直径尺寸超过Φ400mm，抗振性较差。平面相控阵天线优点是终端叠层结构设计简单，可以平面铺开，缺点是卫通北斗共天线阵面，天线之间耦合较大，天线阵低仰角增益偏低，同时卫通天线容易遮挡北斗天线，北斗天线低仰角性能不好，天线尺寸大，终端直径尺寸超过Φ300mm。斜面相控阵天线优点是卫通与北斗天线隔离大，天线低仰角增益大，天线尺寸小，终端直径尺寸小于Φ270mm，缺点增加了一体化设计难度。综合上述因素，缩小尺寸，提升低仰角性能，本文采用斜面数字相控阵一体化天线终端设计方案。

1卫通北斗一体化天线终端设计概述

卫通北斗一体化天线终端设计是卫通和卫导两个组件的一体化集成。设计难点包括小型化设计、低仰角设计。其中小型化设计难点包括波控硬件的小型化设计、北斗硬件的小型化设计。低仰角设计难点包括卫通天线阵波束范围设计、北斗天线低仰角增益提升设计。其中卫通天线阵波束范围设计难点包括天线阵元倾斜角度设计、数字波控设计、通道校准设计。

本文卫通收发部分均采用全数字化设计，相控校测均在FPGA中实现，无需辅助校测装置，校测简单，校测精度高。

2基于一种卫通北斗一体化天线终端设计

一种卫通北斗一体化天线终端设计主要依据表1指标要求设计。其中卫通波束范围15°～90°，波束最小仰角15°，本文通过倾斜卫通天线阵面设计，提升仰角15°天线阵合成增益。北斗接收范围30°～90°，本文通过平面北斗天线阵面设计。

卫通卫导一体化天线终端主要设计指标见表1。

2.1小型化设计

本文采用数字化、集成化、一体化、天线阵面缩减四种方法实现小型化设计。

数字化解决卫通硬件链路级联多占用空间尺寸问题。相比模拟相控阵和混合相控阵，数字相控阵更有缩减尺寸优势，其中T/R组件不需要移相器、衰减器，T/R组件尺寸减小约25%；波控硬件不需要分立的混频器、本振电路，硬件尺寸减小约40%。

集成化通过把多个功能电路集成在一个芯片中，采用多通道射频集成芯片解决北斗低噪放、上下变频、本振板硬件尺寸，北斗硬件尺寸减小约50%。

一体化通过数模混合PCB设计、无线缆连接设计等技术减小硬件尺寸，其中一体化射频模块尺寸减小约35%。

天线阵面缩减通过倾斜45°放置卫通天线，缩减北斗天线阵间距，天线阵面缩减尺寸减小约14%。

2.2低仰角设计

（1）北斗低仰角设计

北斗天线阵低仰角设计技术相对成熟，本文采用提升天线阵低仰角增益的方法主要有缩减金属底板面积、增加介质基板厚度、抬升天线振子高度、增加天线阵隔离度、天线阵波束合成。通过上述设计，北斗天线低仰角增益大于-2dBi@30°。

北斗灵敏度计算方程为：

C/NO=Pin+Gr1/T1-k（1）

式中C/NO表示接收机输入口的载波噪声功率密度之比；Pin表示正常工作时，天线口面的最低接收功率，30°仰角取值-136dBm；Gr1/T1表示接收机的品质因数，其中T1取值24dBk；k表示波尔兹曼常数，k=-198.6dBm。

得接收机的载波噪声功率密度比为：

C/NO（30°）=-136-2-24+198.6=36.6dBHZ

接收机灵敏度门限为33dBHZ，因此北斗灵敏度还有3.6dB余量，满足设计要求。

（2）卫通低仰角设计

1）仿真设计

卫通天线阵包含收发两个部分，本文考虑收发单天线振子增益相当，发射单天线阵子直接采用接收单天线振子增益参数以及波束合成增益做设计分析。通过优化卫通不同倾斜面角度，当45°倾斜卫通振子时，低仰角及高仰角增益均能兼顾，因此本文采用45°倾斜卫通天线振子设计，最大振子数量为8个。在低仰角45°以下时采用3到4个振子合成，仰角45°及以上采用多个天线阵子波束合成。仿真结果详细数据如图2(a)、(b)、(c)中各mark频点值。

2）灵敏度分析

卫通灵敏度计算方程为：

Gr2/T2=Gr2-T2（2）

式中Gr2表示多个接收天线合成增益,在指定的15°仰角为3个天线振子合成增益，取值8.6dB,在指定的45°仰角为5个天线振子合成增益，取值11.67dB,在指定的90°仰角为8个天线振子合成增益，取值12.47dB；其中T2取值24dBk；

计算得：

Gr2/T2（15°）=8.6-24=-15.4dB/K

Gr2/T2（45°）=11.67-24=-12.33dB/K

Gr2/T2（90°）=12.47-24=-11.53dB/K

当G/T等于-15dB/K时，接收机灵敏度约-134dBm，因此15°灵敏度有3.6dB余量，90°灵敏度有7.47dB余量，满足设计要求。

3）EIRP分析

卫通发射EIRP的计算方程为：

EIRP=Pt+Gtall×2（3）

Pt为T/R组件单功放输出功率，取值3dBW；

Gtall为多个发射天线振子的合成增益，本文卫通天线收发增益相当，因此在指定的15°仰角为3个天线振子合成增益，取值8.6dB,在指定的45°仰角为5个天线振子合成增益，取值11.67dB,在指定的90°仰角为8个天线振子合成增益，取值12.47dB；

计算得：

EIRP（15°）=3+8.6×2=20.2dBW

EIRP（45°）=3+11.67×2=26.34dBW

EIRP（90°）=3+11×2=27.94dBW

计算上述卫通发射EIRP值余量，15°ERIP有2.2dB余量，90°ERIP有9.94dB余量，满足设计要求。

3结语

一种卫通北斗一体化天线终端是通导融合类终端设备之一。目前卫通北斗一体化天线终端普遍采用模拟相控阵、机械相控阵、数模混合相控阵方式设计，缺点是体积尺寸较大，相控阵校测复杂，波控精度不高。本文设计的一种卫通北斗一体化天线终端采用全数字化相控阵设计方法，大大缩减了天线终端尺寸，相控阵校测简单，波控精度小于5°。卫通通信最大可支持几百kbps大数据通信，能够适用海域、山区、边远高原等恶劣的使用环境，也是近地无线通信重要的补充手段之一；北斗导航可支持亚太区域、全球导航定位；通导两部分都有着重要的作用。本文基于一种卫通北斗一体化天线终端设计，能够保障卫通通信、北斗定位均能正常工作，可广泛应用船载、车载、机载数据通信导航定位设备中，其中的相控阵设计技术还可以应用于5G电扫多波束移动通信设备中。

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