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(diào)查結(jié)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(nèi)，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(zhǔn)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(biāo)衛(wèi)星上。

為了使天線能夠執(zhí)行這樣的智能任務(wù)，對其進行精心設(shè)計和性能驗證至關(guān)重要。使用SIMULIA的電磁仿真工具，我們設(shè)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(shè)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(shè)計一個單元的參數(shù)模型，并從廣泛的材料庫中分配適當(dāng)?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(gòu)件，我們應(yīng)該能夠?qū)⑦@些元素放在一起形成一個數(shù)組。但是有一個問題。當(dāng)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(shè)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(nèi)的多個工作頻率下同時進行的。優(yōu)化的目標(biāo)是產(chǎn)生一個單元設(shè)計，當(dāng)用于構(gòu)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(shè)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(yù)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(wù)”的幫助下進行的，“陣列任務(wù)”是一種直觀的工具，可快速構(gòu)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(wù)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(shù)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?qū)崿F(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(biāo)圖（左）和三維遠場圖（右）

第四步:天線罩設(shè)計

 天線通常被封閉在一個稱為“天線罩”的結(jié)構(gòu)中，以保護它們免受灰塵，雨水和冰的影響（圖8）。仔細(xì)設(shè)計天線罩非常重要，因為它們會嚴(yán)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(nèi)。

設(shè)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(jié)構(gòu)組成，在此頻率范圍內(nèi)，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(zhǔn)確模擬。將整個陣列放置在天線罩內(nèi)，并使用仿真研究天線罩結(jié)構(gòu)對主波束增益和形狀的影響。

圖9.放置在天線罩內(nèi)的天線陣列的方向性

因此，我們能夠成功設(shè)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(nèi)設(shè)計出相控陣，如衛(wèi)星通信天線。這種天線在飛機上的應(yīng)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(zāi)難性事件發(fā)生之前就對其進行預(yù)測，從而使空中旅行更安全。

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