星空物语 ｜ 浩瀚宇宙的“悄悄话”

但是，这么小的天线怎么能向36000公里外的外太空卫星传输数据呢？

SATCOM天线不仅是一个单独的天线，而是由一簇相同的豌豆大小的天线组成，所有的天线都在同一频率下共同工作，它们通常被称为天线阵列。大多数传统的小型天线辐射的功率有限，并且辐射远没有集中。这就限制了天线辐射的覆盖距离。

SATCOM发射天线产生一束狭窄的聚焦束，几乎就像瞄准卫星一样，并且仅在特定方向上发射所有辐射。此外，如果链路瞬间丢失，这些阵列可以在控制系统的帮助下，通过在各个方向上操纵波束来自动扫描卫星，一旦找到，它们就可以将辐射波束锁定在目标卫星上。

为了使天线能够执行这样的智能任务，对其进行精心设计和性能验证至关重要。使用SIMULIA的电磁仿真工具，我们设计并仿真了一个工作在14 GHz的卫星通信天线阵列。

第一步是创建单个天线元件，也称为阵列的单元（图1）。SIMULIA的建模工具使我们能够设计一个单元的参数模型，并从广泛的材料库中分配适当的材料属性。S11参数表明，单元在所需的操作频率下可以完美地工作。

 图1. SATCOM天线阵列的单元

图2.在14.125 GHz下运行的SATCOM单元的S11（回波损耗）

现在我们有了数组的基本构件，我们应该能够将这些元素放在一起形成一个数组。但是有一个问题。当多个天线彼此靠近放置时，它们会在一定程度上降低相邻天线的性能。为了纠正这个问题，需要对天线的尺寸进行优化。

在高达14 GHz的频率下优化由数百个元素组成的整个阵列在计算上非常耗时。为避免这种情况，一种名为“Floquet端口边界条件”的特殊功能允许单个单位模拟无限大阵列的性能。此功能的优势在于，它允许我们在实际设计之前研究天线阵列的性能。因此，仿真是在单个单位单元上进行的，而不是整个阵列上执行的，从而节省了计算时间和资源。

优化是在辐射波束的多个扫描角度以及14 GHz至14.5 GHz范围内的多个工作频率下同时进行的。优化的目标是产生一个单元设计，当用于构建阵列时，产生的有源元件阻抗（AEI）不超过-10dB（图2）。

图3. SATCOM单元在14.5 GHz时的有源S_11

如图3所示，在扫描角度为-50º≤θ≤50º和-90º≤φ≤90º（以虚线矩形为界）时，天线的有源S11小于-10 dB（视轴垂直于平面）。

图4.扫描角度为-80º≤θ≤80º和-90º≤φ≤90º的14.5 GHz阵列元件的有源方向图

现在我们有了一个适合设计无限阵列的天线单元。但实际上，阵列由有限的单元组成（图5）。阵列的最外面的单元会产生非周期性的影响，因此，根据经验，它们会保持被动状态，即它们不会被提供任何能量，因此单元分析就可以更好地预测实际的阵列。

图5.完整的卫星通信发射天线阵列

阵列建模是在“阵列任务”的帮助下进行的，“阵列任务”是一种直观的工具，可快速构建具有所需形状和数量的阵列。它还允许我们选择给定单元是主动还是被动。此外，它还具有一系列单元激发模式，可帮助定义辐射主波束的形状并允许电子控制阵列。

图6.阵列任务中单元的选择和激励模式

阵列选择了一个椭圆形状的泰勒激励模式。使用有限积分技术在整个阵列上进行时域仿真，这使我们能够观察阵列的辐射方向图以及其他天线参数，例如增益，回波损耗和总辐射功率。我们能够实现27.9 dB的良好方向性和-29.6 dB的副瓣电平（图7）。

图7. 阵列方向性的极坐标图（左）和三维远场图（右）

同样，另一个阵列被设计用于接收来自卫星的信号。

天线通常被封闭在一个称为“天线罩”的结构中，以保护它们免受灰尘，雨水和冰的影响（图8）。仔细设计天线罩非常重要，因为它们会严重影响天线的性能。

图8. 卫星通信发射和接收阵列被封闭在一个称为雷达罩的保护罩内。

设计了一个三层夹芯天线罩，它由两层石英外层（= 3.3，tanδ= 0.0004）围成的蜂窝结构组成，在此频率范围内，可以通过将其建模为具有单一有效介电常数(=1.1)的均一材料来准确模拟。将整个阵列放置在天线罩内，并使用仿真研究天线罩结构对主波束增益和形状的影响。

图9.放置在天线罩内的天线阵列的方向性

因此，我们能够成功设计和仿真SATCOM天线系统的发送和接收模块（图9）。

总之，我们简单易用的工具可以帮助您在较短的时间周期内设计出相控阵，如卫星通信天线。这种天线在飞机上的应用范围很广，例如用于天气探测的雷达阵列和飞机的地面跟踪。

在不久的将来，卫星连接将对飞机的飞行记录仪（黑匣子）进行重大升级。天线不必将所有飞行数据和座舱语音记录本地存储在飞机上，而是能够通过卫星实时地对所有数据进行缩减，从而可以在灾难性事件发生之前就对其进行预测，从而使空中旅行更安全。

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