摘 要：基于航空無線電技術委員會（Ｒａｄｉｏ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ ｆｏｒ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ，ＲＴＣＡ） 等的相關技術標準，結合衛(wèi)星通信鏈路預算理論，給出全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ，ＧＮＳＳ） 機載天線增益適航性分析的理論方法，并對北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Ｂｅｉｄｏｕ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ，ＢＤＳ） 機載天線增益進行適航性分析計算。以ＢＤＳ 機載天線增益適航性分析結果為設計指標進行ＢＤＳ Ｂ１Ｉ 頻段機載無源天線的驗證設計與仿真。ＢＤＳ 機載無源天線仿真結果滿足設計指標，并具有良好的低仰角增益與圓極化性能。證明了所給ＧＮＳＳ 機載天線增益適航性分析方法的可行性與ＢＤＳ 機載天線增益適航性分析結果的合理性。

關鍵詞：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)；機載天線適航性；最低工作性能標準；機載天線設計

中圖分類號：ＴＮ９６５． ２ 文獻標志碼：Ａ 開放科學（資源服務）標識碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號：１００３－３１０６（２０２４）０４－０９８４－０８

０ 引言

機載導航天線是機載導航設備的重要組成部分，其各項性能需滿足適航性要求。針對全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ，ＧＮＳＳ）機載天線的適航性審查，中國民用航空局（ＣｉｖｉｌＡｖｉａｔｉｏｎ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，ＣＡＡＣ）主要參考美國聯(lián)邦航空管理局（Ｆｅｄｅｒａｌ Ａｖｉａｔｉｏｎ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，ＦＡＡ）的“技術標準規(guī)定（ＴＳＯ）”，頒布了一系列的“中國民用航空技術標準規(guī)定（ＣＴＳＯ）”［１］。２０１２年１１ 月，ＣＡＡＣ 頒布了《無源機載全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（ＧＮＳＳ）天線技術標準》（ＣＴＳＯＣ１４４ａ）與《有源機載全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（ＧＮＳＳ）天線技術標準》（ＣＴＳＯ-Ｃ１９０），二者內(nèi)容適用于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（ＧＰＳ）機載天線。

隨著北斗三號的建成，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（ＢｅｉｄｏｕＮａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ ，ＢＤＳ）民航應用標準研究越顯重要。２０１９ 年８ 月，ＣＡＡＣ 頒布了基于北斗二號的ＣＴＳＯ-２Ｃ６０４，其中對北斗機載天線提出了最低性能要求及測試方法。２０２２ 年３ 月，基于北斗三號的ＣＴＳＯ-２Ｃ６０４ａ 標準正式發(fā)布。文獻［２ －３］針對ＢＤＳ 在航空器追蹤方面的應用，做了ＢＤＳ 機載設備適航性要求的分析與驗證。北斗官方２０２２ 年２ 月發(fā)布《北斗衛(wèi)星導航標準體系（２． ０ 版）》，北斗相關的民航標準大部分都在制定過程中。國內(nèi)外發(fā)表的有關ＢＤＳ 機載天線的論文主要集中在天線設計方面的研究，對于ＢＤＳ 機載天線增益最低工作性能標準的報道較少。盡管ＣＴＳＯ-２Ｃ６０４ 與ＣＴＳＯ-２Ｃ６０４ａ 給出了僅用于航空器追蹤的北斗機載設備適航性要求分析，但并沒有明確給出ＧＮＳＳ 機載天線增益適航性分析的理論方法。

本文給出了ＧＮＳＳ 機載天線的增益適航性分析方法，仿真得到ＢＤＳ 機載天線增益最低運行性能的參考值，并基于該值做了ＢＤＳ 機載無源天線的驗證性設計與仿真，驗證了該適航性分析方法的可行性與分析結果的合理性。

１ ＧＮＳＳ 機載天線增益適航性分析

鏈路預算是衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計中的重要環(huán)節(jié)，可為系統(tǒng)各部分技術參數(shù)的確定提供支撐。鏈路預算關鍵內(nèi)容為計算衛(wèi)星信號到達地面時的系統(tǒng)載噪比，計算鏈路余量，確定保證可靠性前提下衛(wèi)星通信系統(tǒng)各部分的技術參數(shù)指標［４］。ＧＮＳＳ 機載天線增益是ＧＮＳＳ 星機下行鏈路預算中的重要參數(shù)，在確定鏈路余量等參數(shù)的情況下，可得出ＧＮＳＳ 機載系統(tǒng)對于天線增益的最低運行性能要求。

１． １ 無源天線增益適航性要求

參考ＲＴＣＡ２２８ 等標準中關于無源天線的內(nèi)容，ＧＮＳＳ 機載無源天線結構如圖１ 所示。導航信號被輻射單元接收，經(jīng)過同軸電纜傳輸至接收機輸入端。

１． １． １ 無源天線最小增益

根據(jù)鏈路預算理論，建立ＧＮＳＳ 下行鏈路余量方程［５］：

１． １． ２ 無源天線最大增益

衛(wèi)星導航信號到達地面后功率小于噪聲功率，因此接收機的最大輸入功率取決于噪聲功率［６］。在已知天線輸出噪聲功率門限的情況下，可以得出天線增益的最大值，具體計算如下：

Ｎ０ ｏｕｔ ≤ Ｎ０ ｍａｘ ， （９）

式中：Ｎ０ ｏｕｔ 為天線輸出噪聲功率，Ｎ０ ｍａｘ 為天線輸出噪聲功率門限值。

據(jù)ＲＴＣＡ-２２８ 對天線帶內(nèi)干擾功率最大值的規(guī)定可得：

１． １． ３ 無源天線增益方向圖

文獻［７］對不同仰角時ＧＮＳＳ 機載無源天線的增益變化做了規(guī)定，具體如表１ 所示。機載導航天線Ｅ 面增益方向圖在主波束內(nèi)應具有平坦的變化曲線、較寬的主波束寬度。ＢＤＳ 機載無源天線增益隨仰角變化趨勢可參考表１。

１． ２ 有源天線增益適航性要求

文獻［８］給出了ＧＮＳＳ 機載有源天線增益適航性標準值，下面將對ＧＮＳＳ 機載有源天線增益進行適航性理論分析。圖２ 給出了ＧＮＳＳ 機載有源天線結構，主要包括無源輻射單元、有源組件單元和傳輸電纜。其中有源組件單元包括前置濾波器、低噪聲放大器（ＬＮＡ）、后置濾波器和傳輸電纜等［９］。

１． ２． １ 有源天線品質因數(shù)Ｇ ／ Ｔ

Ｇ ／ Ｔ 為天線增益與接收系統(tǒng)噪聲溫度的比值，ＲＴＣＡ-３０１ 中對Ｇ ／ Ｔ 的定義如下：

式中：Ｇａ 為無源輻射單元增益，ＴＩＮ 為接收系統(tǒng)等效輸入噪聲溫度，ＴＡ 為天線噪聲溫度，ＴＲ 為接收機噪聲溫度。

１． ２． ２ 有源天線輻射單元增益最小值

有源天線對信號產(chǎn)生增益作用的部件主要為無源輻射單元、有源組件單元以及饋線，有源組件單元以及饋線對信號的增益由文獻［９ ］給出。根據(jù)式（１４）、式（１９）可以得出無源輻射單元最小增益方程：

１． ２． ３ 有源天線輻射單元增益最大值

有源天線輻射單元增益最大值的分析思路與無源天線增益最大值分析思路一致。

［Ｎ０ ｏｕｔ］ ＝ ［ｋＴｓｙｓ ＧＲ Ｇｃ ］。（２１）

［Ｎ０ ｍａｘ］由式（１０）計算，帶入式（９）可得有源天線無源輻射單元的最大增益方程為：

２ ＢＤＳ 機載天線增益適航性分析

機載設備適航審定標準是機載設備需達到的最低工作性能標準，ＢＤＳ 機載天線作為機載設備的重要組成部分，其性能指標必須滿足適航審定要求。目前機載設備適航性研究主要參考ＲＴＣＡ 系列標準，適用于ＢＤＳ 的機載導航天線增益最低運行性能研究較少。采用本文給出的適航性分析方法，進行ＢＤＳ 機載天線的增益適航性仿真分析。

２． １ ＢＤＳ 相關參數(shù)

以Ｂ１Ｃ、Ｂ１Ｉ 頻段機載天線為例，進行增益適航符合性分析。根據(jù)北斗官方文件整理Ｂ１Ｃ、Ｂ１Ｉ 信號的關鍵參數(shù)如表２ 所示［１０－１１］。

據(jù)式（５）可得Ｂ１Ｃ 頻段天線輸出載噪比門限值為２６ ｄＢ，Ｂ１Ｉ 頻段天線輸出載噪比門限值為２１． ５ ｄＢ。增益分析關鍵參數(shù)如表３ 所示。

參數(shù)１ ～ ６，根據(jù)參考文獻［８］中相關參數(shù)設置；參數(shù)７，解調誤碼率為１０－６ 時ＢＰＳＫ 解調門限取１０． ５ ｄＢ；參數(shù)８，考慮射頻器件損耗以及系統(tǒng)備余量設置，為保證系統(tǒng)可靠性?。保?ｄＢ。

２． ２ 增益適航符合性分析

將ＢＤＳ 關鍵計算參數(shù)帶入本文給出的分析方程，計算得到ＢＤＳ 機載天線增益適航性分析參考值。ＢＤＳ 機載天線增益適航性分析結果如表４ 和表５ 所示。

對于無源天線，Ｂ１Ｃ、Ｂ１Ｉ 頻段最小增益均小于Ｌ１ 頻段最小增益、最大軸向增益均為９． ５ ｄＢ；對于有源天線，Ｂ１Ｃ、Ｂ１Ｉ 頻段最小增益均大于Ｌ１ 頻段最小增益、最大軸向增益均為６． ３ ｄＢ；有源天線Ｇ ／ ＴＢ１Ｃ 頻段大于Ｌ１ 頻段、Ｂ１Ｉ 頻段小于Ｌ１ 頻段。

由于ＲＴＣＡ 系列標準文件是由ＲＴＣＡ 與政府部門、工業(yè)設備供應商以及用戶等協(xié)商制定，其技術參數(shù)的確定不僅依靠理論基礎，還融入了生產(chǎn)經(jīng)驗、用戶反饋意見等各方面信息。因此ＢＤＳ 機載天線適航性分析結果與ＲＴＣＡ-２２８ ／ ３０１ 標準值之間存在一定差異，本文所做理論分析可作為后續(xù)研究的參考，相關性能指標還需在后續(xù)研究中進一步完善。

３ ＢＤＳ 機載天線驗證設計

為驗證ＢＤＳ 機載天線增益適航性分析方法的可行性與分析結論的合理性，設計一款工作頻率為１ ５６１． ０９８ ＭＨｚ±８ ＭＨｚ（ＢＤＳ Ｂ１Ｉ），滿足適航要求的ＢＤＳ 機載無源天線。

３． １ 設計指標

據(jù)前文分析結論，可以得出設計指標如表６所示。

為減小信號功率損耗，ＢＤＳ 機載接收天線應設計為右旋圓極化天線。通常認為軸比小于３ ｄＢ 時天線即滿足圓極化要求。天線極化增益指標參考表４。

３． ２ 天線結構設計

機載導航天線除了滿足電氣性能指標外，還需考慮其尺寸要求，尤其是剖面高度。微帶天線由于具有剖面高度低、易加工等特點，在機載天線設計中得到了廣泛應用。為使天線具有良好的輻射場對稱性，可采用圓形輻射貼片［１２］。圓形輻射貼片半徑大小可由式（２３）進行估算：

式中：ｃ０ 為真空中的光速，ｆ 為天線的諧振頻率，εｒ為介質板的相對介電常數(shù)。

圓極化天線的設計通常有多種形式，包括單點饋電法、多點饋電法以及多元法。文獻［１２ －１４］采用單點饋電的方法，降低了天線的復雜度，提高了可靠性。文獻［１５－１６］采用多點饋電的方法展寬了圓極化帶寬。文獻［１７ －１８］采用多元法設計天線結構，提升天線的圓極化性能。根據(jù)設計指標可知，ＢＤＳ 機載天線對于３ ｄＢ 軸比帶寬的要求不高，因此采用單點饋電法，并在輻射貼片上切割２ 對長度不一的縫隙充當分離元。

ＢＤＳ 機載天線的增益性能是本文研究的重點，天線增益與天線的方向性系數(shù)十分類似，天線增益考慮了天線效率以及天線的定向性。具體關系如下：

Ｇ ＝ ηＤ， （２４）

式中：Ｇ 為天線增益，Ｄ 為方向性系數(shù)，η 為天線效率。

對于微帶天線，天線方向性系數(shù)Ｄ 為：

Ｄ ＝ ４π／ΩＡ， （２５）

ΩＡ ≈ θＨＰ ΦＨＰ ， （２６）

式中：θＨＰ 與ΦＨＰ 為天線在２ 個主平面上的半功率波束寬度。

可得出天線增益與波束寬度的關系：

Ｇ ≈ η （４π／θＨＰ ΦＨＰ）。（２７）

對于微帶天線，提高增益會導致其波束寬度變窄、方向性增強。寄生輻射結構加載技術可以在保持天線增益穩(wěn)定的前提下提升天線的波束寬度［１９］。在圓極化輻射結構的基礎上，加載寄生輻射結構，使二者遠場方向圖相結合產(chǎn)生上半球狀的輻射方向圖。常用的寄生輻射結構主要有單極子天線、環(huán)狀微帶天線等。文獻［１２］采用了單極子天線加載，展寬了天線３ ｄＢ 波束寬度，提升了天線的低仰角增益。但該方法使天線剖面高度增加，不適于ＢＤＳ 機載天線設計。采取加載環(huán)狀微帶結構的方法可改善天線增益以及波束寬度［２０］。環(huán)狀微帶結構的電場分布與其半徑有關，已有研究表明環(huán)狀輻射結構半徑約為１ ／ ４ 波長時可產(chǎn)生較強耦合電流并形成對稱的輻射場。

結合天線設計指標與設計規(guī)范，確定天線結構如圖３ 所示，該天線分為上、中、下３ 層結構，由圓形地板、圓形ＦＲ４ 介質基板、圓形輻射貼片和環(huán)狀加載結構組成。上下２ 層環(huán)狀加載結構與圓形輻射貼片耦合，調節(jié)天線表面的電流分布，改善天線的增益性能。在圓形輻射貼片上切割２ 對長度不一的縫隙，并采用５０Ω 同軸饋線單點饋電的方式使天線輻射圓極化波。

圖４ 給出了環(huán)狀加載結構采用不同形式對天線３ ｄＢ 波束寬度的影響，采用連續(xù)環(huán)狀結構時天線３ ｄＢ 波束寬度較小，采用間斷環(huán)狀結構時天線３ ｄＢ波束寬度得到擴展，在仰角大于５°范圍內(nèi)天線軸比小于３ ｄＢ。圖５ 給出了不同設計結構天線的３ ｄＢ波束寬度情況，采用雙層環(huán)狀加載結構的天線３ ｄＢ波束寬度約為１７９． ４°，較其他２ 種設計有明顯提升。圖６ 給出了不同加載結構下天線的極化增益曲線，雙層環(huán)狀結構對極化增益的提升較為明顯，尤其是對于軸向極化增益。

３． ３ 仿真結果

使用ＡＮＳＹＳ ＨＦＳＳ 軟件進行天線性能仿真與參數(shù)優(yōu)化，得出天線的最優(yōu)結構參數(shù)。

天線的最終性能參數(shù)也由ＡＮＳＹＳ ＨＦＳＳ 軟件分析得出，具體如下。天線Ｓ１１ 特性曲線如圖７ 所示，天線仿真阻抗帶寬約為８１ ＭＨｚ（１． ５２９ ～ １． ６１０ ＧＨｚ），中心頻率ｆ＝１ ５６１． ０９８ ＭＨｚ 時回波損耗約為－１９． ３ ｄＢ。圖８ 為天線軸向軸比隨頻率變化曲線，天線３ ｄＢ帶寬為２０ ＭＨｚ（１． ５４９ ～ １． ５６９ ＧＨｚ）。圖９ 給出了天線極化增益曲線，仰角５°時天線增益－６． ９ ｄＢｉｃ，軸向極化增益為０． ９９ ｄＢｉｃ。

該天線仿真性能滿足設計指標，具有良好的低仰角增益與圓極化性能，可以達到ＢＤＳ 機載無源天線增益最低性能標準的要求。證明ＢＤＳ 機載無源天線增益適航性分析方法可行、分析結果合理。

４ 結論

參考ＲＴＣＡ 系列標準，對ＧＮＳＳ 機載天線進行增益適航性分析，以ＢＤＳ 機載天線為例做增益適航性仿真，并通過ＢＤＳ 機載無源天線設計驗證適航性分析方法的合理性。得出以下結論：

① ＧＮＳＳ 機載天線增益適航性分析方法合理可行。

② ＢＤＳ 機載無源天線設計方案滿足適航性要求。

③ 空間信號體制差異、技術參數(shù)確定渠道單一致使ＢＤＳ 機載天線增益適航性分析結果與ＲＴＣＡ系列標準存在區(qū)別。

本文研究結果可為ＢＤＳ 機載天線適航審定標準研究與ＢＤＳ 機載天線設計提供支持和參考。

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［１８］ ＺＨＡＮＧ Ｈ Ｃ，ＬＩ Ｌ，ＹＡＮ Ｘ． Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｌｏｗ Ｐｒｏｆｉｌｅ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｃｉｒｃｕｌａｒｌｙ Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｐａｔｃｈ Ａｎｔｅｎｎａ ［Ｃ ］∥ ２０２１ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｓｔｕｄｅｎｔ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ． Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ：ＩＥＥＥ，２０２１：１－３．

［１９］ ＺＨＡＮＧ Ｙ Ｈ，ＬＩ Ｊ Ｚ，ＧＡＯ Ｓ，ｅｔ ａｌ． Ｂｒｏａｄｂａｎｄ ＣｉｒｃｕｌａｒｌｙＰｏｌａｒｉｚｅｄ Ｐａｔｃｈ Ａｎｔｅｎｎａ ｆｏｒ Ｓｍａｌｌ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］∥２０１２ ８ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓ，Ｎｅｔｗｏｒｋｓ ＆ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ． Ｐｏｚｎａｎ：ＩＥＥＥ，２０１２：１－３．

［２０］ ＣＨＥＮ Ｊ Ｊ，ＷＡＮＧ Ｍ，ＨＵ Ｌ，ｅｔ ａｌ． Ｂｒｏａｄ Ｂｅａｍｗｉｄｔｈ Ｃｉｒｃｕｌａｒｌｙ Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ Ａｎｔｅｎｎａ ｆｏｒ ＣＮＳＳ Ｂａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｃ］∥２０１５ ＡｓｉａＰａｃｉｆｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ｎａｎｊｉｎｇ：ＩＥＥＥ，２０１５：１－３．

作者簡介

劉瑞華 男，（１９６５—），博士，教授，碩士生導師。主要研究方向：衛(wèi)星導航在民航中的應用、衛(wèi)星導航與組合導航。

王彥軍 男，（１９９８—），碩士研究生。主要研究方向：北斗機載天線適航性分析。

馬 贊 男，（１９８４—），碩士，副研究員。主要研究方向：民機系統(tǒng)安全性設計與評估、航空電子適航審定技術。

馬琬淇 女，（１９９５—），助理工程師。主要研究方向：通信導航。

基金項目：國家重點研發(fā)計劃資助（２０２２ＹＦＢ３９０４３０４）