1.本公开涉及卫星通信领域，特别涉及一种球面共形相控阵天线以及电子设备。
背景技术：2.卫星通信技术始于六十年代，七、八十年代得到蓬勃发展，到了九十年代，个人移动通信的应用又给卫星通信的发展注入了新的动力。相控阵天线技术是卫星通信的关键技术，其快速波束扫描的能力使其成为卫星通信系统中不可或缺的组成部件。
3.目前常用的相控阵天线为采用传统的平面布阵形式，将多个辐射单元在平面上阵列排布后，在功分馈电网络和驱动以及移相器的控制下，实现向目标方向发射波束，或实现一定区域内的波束扫描。但是，传统平面布阵的相控阵天线离轴角波束扫描范围一般在
±
60度之间，扫描波束方向图性能随着扫描角的增大性能急剧下降，不能满足低轨卫星通信中大角度跟星通信的实际工程需求。
技术实现要素：4.本公开实施例的目的在于提供一种球面共形相控阵天线以及电子设备，用以解决现有技术中相控阵天线随着扫描角增大性能下降的问题。
5.本公开的实施例采用如下技术方案：一种球面共形相控阵天线，至少包括：球形支架；设置在所述球形支架外表面上的多个辐射单元；以及，设置在所述球形支架外表面和多个所述辐射单元之间的多个移相器。
6.在一些实施例中，在以所述球形支架的球心作为坐标原点o所建立的三维坐标系中，所有所述辐射单元在xoy平面上的正投影形成多个同心圆，每个所述同心圆的圆周上至少包括一个所述辐射单元的正投影。
7.在一些实施例中，相邻的两个所述同心圆之间的间距均为所述辐射单元的额定波长的a倍，其中，a为正数。
8.在一些实施例中，同一个所述同心圆的圆周上的两个相邻的所述正投影之间的弧长为所述辐射单元的额定波长的b倍，其中，b为正数。
9.在一些实施例中，所有所述辐射单元在xoy平面上的正投影按照三角布阵方式排列。
10.在一些实施例中，所有所述辐射单元在xoy平面上的正投影按照稀疏布阵方式排列。
11.在一些实施例中，所述移相器为以下任意一种：液晶移相器、数字移相器、铁氧体移相器。
12.在一些实施例中，还包括：设置在所述球形支架内侧的功分馈电网络。
13.在一些实施例中，多个所述辐射单元被配置为至少一个目标方向的波束。
14.本公开实施例还提供了一种电子设备，至少包括如上述的球面共形相控阵天线。
15.本公开实施例的有益效果在于：采用球面共形布阵的方式，利用布置在球形支架
表面的辐射单元实现全空间大角度的波束扫描，有效提升了相控阵天线的离轴角波束扫描范围，实现球面共形相控阵天线在大角度的扫描下也能保持较小的增益变化，达到提升相控阵天线性能的目的。
附图说明
16.为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本公开第一实施例中球面共形相控阵天线的结构示意图；
18.图2为本公开第一实施例中辐射单元在xoy平面上的投影示意图；
19.图3为本公开第一实施例中球面共形相控阵天线的坐标示意图；
20.图4为本公开第一实施例中离轴角θb＝0
°
、旋转角时的方向图函数仿真示意图；
21.图5为本公开第一实施例中离轴角θb＝30
°
、旋转角时的方向图函数仿真示意图；
22.图6为本公开第一实施例中离轴角θb＝60
°
、旋转角时的方向图函数仿真示意图；
23.图7为本公开第一实施例中离轴角θb＝90
°
、旋转角时的方向图函数仿真示意图。
具体实施方式
24.此处参考附图描述本公开的各种方案以及特征。
25.应理解的是，可以对此处申请的实施例做出各种修改。因此，上述说明书不应该视为限制，而仅是作为实施例的范例。本领域的技术人员将想到在本公开的范围和精神内的其他修改。
26.包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与上面给出的对本公开的大致描述以及下面给出的对实施例的详细描述一起用于解释本公开的原理。
27.通过下面参照附图对给定为非限制性实例的实施例的优选形式的描述，本公开的这些和其它特性将会变得显而易见。
28.还应当理解，尽管已经参照一些具体实例对本公开进行了描述，但本领域技术人员能够确定地实现本公开的很多其它等效形式，它们具有如权利要求的特征并因此都位于借此所限定的保护范围内。
29.当结合附图时，鉴于以下详细说明，本公开的上述和其他方面、特征和优势将变得更为显而易见。
30.此后参照附图描述本公开的具体实施例；然而，应当理解，所申请的实施例仅仅是本公开的实例，其可采用多种方式实施。熟知和/或重复的功能和结构并未详细描述以避免
不必要或多余的细节使得本公开模糊不清。因此，本文所申请的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而是仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合适的详细结构多样地使用本公开。
31.本说明书可使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本公开的相同或不同实施例中的一个或多个。
32.相控阵天线技术是卫星通信的关键技术，其快速波束扫描的能力使其成为卫星通信系统中不可或缺的组成部件。目前常用的相控阵天线为采用传统的平面布阵形式，将多个辐射单元在平面上阵列排布后，在功分馈电网络和驱动以及移相器的控制下，实现向目标方向发射波束，或实现一定区域内的波束扫描。但是，传统平面布阵的相控阵天线离轴角波束扫描范围一般在
±
60度之间，扫描波束方向图性能随着扫描角的增大性能急剧下降；与此同时，平面相控阵天线若要实现多波束发射需要采用复杂的波束赋形算法，不同的算法直接影响每个波束的性能，特别是相位加权以后每个波束的增益下降情况较大，还会产生栅瓣影响波束扫描准确性，因此无法满足低轨卫星通信中大角度跟星通信的实际工程需求。
33.为了解决上述问题，本公开第一实施例提供了一种球面共形相控阵天线，将辐射单元阵列布置在球面上，通过不共面的辐射单元的设置，在保证辐射性能稳定的同时实现相控阵天线离轴角和旋转角的大角度扫描。图1示出了本实施例中球面共形相控阵天线的结构示意图，其主要包括：球形支架10，设置在球型支架10外侧表面上的多个辐射单元20以及设置在球型支架10外表面和多个辐射单元20之间的多个移相器30。
34.具体地，球型支架10为空心支架，其外侧表面用于布置辐射单元20和移相器30，其内侧的球形控件可用于进行驱动辐射单元10的功分馈电网络40的设置，还可以设置其他用于进行波控的器件或其他支撑结构等，以降低相控阵天线的整体体积，紧凑其设计结构；并且，在将其安装在载体平台时，相较于平面布阵的相控阵天线，本实施例所提供的球面共形相控阵天线的安装空间更小，有效利用载体平台的表面积，同时具有更好的空气动力学特性，更适用于安装在飞行器类的载体上。需要注意的是，球型支架10的具体尺寸可根据实际需求进行限制，同时还需要考虑辐射单元20的数量、体积、相控阵天线实际所需要保证的性能参数等情况，本实施例并不限制其具体尺寸的设置，在不同需求下对应设计或通过仿真模拟等手段确定即可。
35.本实施例中的多个辐射单元20可以采用相同型号和尺寸的天线单元，每个辐射单元20所能发出的射频信号的频段也应当相同。移相器30则与辐射单元20对应设置，或者将其集成在辐射单元20的结构中，通过改变其相应辐射单元的射频信号的幅度和相位，实现辐射单元在目标方向上扫描波束的形成。在实际实现时，可以通过循环改变多个辐射单元20的幅度和相位激励，灵活地操作球面相控阵天线的波束方向实现全空间的扫描，更有利于实现低轨卫星通信中的跟星通信的工程需求。在实际实现时，移相器30可选择液晶移相器、数字移相器或铁氧体移相器中的任意一种。本实施例优选采用液晶移相器作为布置在球面共形相控阵天线的移相器使用，通过控制液晶移相器的上下极板之间电压产生电场使液晶翻转，从而实现电控相位延迟的控制；相较于数字移相器，液晶移相器的制作成本更低，相较于铁氧体移相器，液晶移相器的体积更小并且无需使用高压电源驱动，并且由于液晶的液态特性，液晶移相器更容易与球面共形，其在连接功分馈电网络40之后，所形成的球
面共形相控阵天线的体积、成本、功耗均较小，更有利于实现大规模生产。
36.本实施中的球面共形相控阵天线在以球型支架10的球心作为坐标原点o所建立的三维坐标系中，所有在球形支架10表面设置的辐射单元20在xoy平面上的正投影形成多个同心圆，如图2所示，每一个同心圆的圆周上至少包括一个辐射单元20的正投影。在本实施例中，同心圆之间的间距、同一个同心圆上正投影之间的距离均会影响到最终形成的球面共形相控阵天线的性能，因此在具体进行球面共形相控阵天线的设计实现时，即可根据目标波束的性能需求、辐射单元20的总量、球型支架10的尺寸限制情况等首先在平面上进行辐射单元20的位置设计，最后将同心圆上的辐射单元20投影至球面上得到球面共形阵列。
37.进一步地，在实际设计时，相邻的两个同心圆之间的间距d可以根据辐射单元20的额定波长λ进行设置，其中，辐射单元20的额定波长λ可以为辐射单元20所能发出的射频信号的频段的上限值或中值，相邻的两个同心圆之间的间距d与额定波长λ之间的关系为d＝a*λ，其中，a为正数，一般为分数，通常选用1/2作为a的值，即两个相邻的同心圆之间的间距d为额定波长的半波长。与间距d类似的，同一个同心圆的圆周上所包含的两个相邻的正投影之间的弧长c同样参考额定波长λ设置，本实施例中弧长c和额定波长λ之间的关系为c＝b*λ，b也为正数，在实际选值时一般也会选择分数，例如选用1/2作为b的值，则同一个同心圆的圆周上所包含所有辐射单元20在该圆周上按照半波长等间距排列。
38.在实际进行辐射单元20的布置时，也可在进行xoy平面上平面设计过程中，将所有辐射单元20的正投影按照三角布阵的方式进行排列，即使得所有辐射单元20的正投影在xoy平面上形成一个圆边界的三角布阵，以简化球面共形相控阵天线的设计；或者，还可以所有辐射单元20的正投影按照稀疏布阵的方式进行排列，采用遗传或者粒子群等优化算法，优化得到稀疏布阵的阵列。需要注意的是，三角布阵的方式可能存在最终形成的球面共形相控阵天线的波束在合成后出现副瓣抬高的情况，进而导致方向图性能降低；而使用稀疏布阵排列，可以进一步提升方向图性能，但是会提高功分馈电网络的复杂性和成本，也会带来校准测量的难度。因此，在实际布局辐射单元20时，可结合实际需求选择最合理的布阵方式，本实施例在此不进行具体限制。
39.由于本实施例所提供的球面共形相控阵天线属于三维结构，因此其在进行波束的发射时，可以通过不同区域位置的辐射单元20进行排列组合以同时形成至少一个目标方向的波束发射。在实际进行波束扫描时，针对一个目标方向，只需要部分辐射单元20参与工作即可，而其他位置不参与该目标方向的波束合成的辐射单元20还可以形成其他指向的波束，如此形成全空间多波束的扫描效果，进一步提升球面共形相控阵天线的性能。在实际实现多波束扫描时，可通过功分馈电网络40进行分区域的辐射单元20驱动，并结合不同指向的目标方向，通过移相器30对相应的辐射单元20进行移相控制即可。也可通过波束赋形算法形成多波束，在提升球面共形相控阵天线性能的同时，也增加了波控的难度和成本，具体选用何种控制算法，也可根据需求设置。
40.在球面共形相控阵天线设计完成之后，可根据其在目标方向上波束的实际辐射情况与理论辐射情况进行对比，并基于对比结果进行相控阵天线的调整和优化。具体地，如图3所示，以球型支架10的球心作为坐标原点o所建立的三维坐标系中，按照球面布阵坐标，球面上布置的任意一个辐射单元m的坐标矢量为：
41.42.其中，pm表示辐射单元矢量，θm表示辐射单元m的离轴角，则为辐射单元m的旋转角，r为球型支架10的半径；而辐射单元m的离轴角θm＝arcsin(r/r)，r为辐射单元m在xoy平面上的正投影所在的同心圆的半径，辐射单元m的旋转角x和y分别为辐射单元m在三维坐标系中的x坐标和y坐标的值。
43.对于希望球面共形相控阵天线所指向的波束目标方向，其对应的矢量为i，其可以通过离轴角θb和旋转角进行表示如下：
[0044][0045]
基于公式(1)和公式(2)所确定的波束目标矢量i和辐射单元矢量pm可以计算每个辐射单元需要补偿的相位值αm＝k*i*pm，其中，k＝2π/λ；若球面共形相控阵天线所使用的移相器为液晶移相器，则可根据其电压-相位的对应关系，给每个辐射单元对应的液晶移相器加载相应的电压值，实现辐射单元合成的波束指向目标矢量i的方向。
[0046]
图4至图7为目标方向的离轴角θb分别为0度、30度、60度和90度，旋转角为0度的情况下的方向图函数仿真示意图，方向图函数为：
[0047][0048]
其中，n为辐射单元的总数量，m为辐射单元的编号，m＝0时即表示第一个辐射单元。
[0049]
基于图4至图7的内容可知，在上述几种目标方向上，尤其是在离轴角θb＝90时，天线方向图均未出现栅瓣，因此球面共形相控阵天线在理论设计上可以满足离轴角
±
90的扫描，旋转向360度的扫描。由于球面共形相控阵天线在实际工作时还可能存在辐射单元之间的相互干扰，或收到其他环境干扰，在球面共形相控阵天线的实际波束扫描情况与仿真不符时，则可根据二者之间差异结合实际情况进行调整优化。
[0050]
本实施例采用球面共形布阵的方式，利用布置在球形支架表面的辐射单元实现全空间大角度的波束扫描，有效提升了相控阵天线的离轴角波束扫描范围，实现球面共形相控阵天线在大角度的扫描下也能保持较小的增益变化，达到提升相控阵天线性能的目的。
[0051]
本公开的第二实施例提供了一种电子设备，该电子设备上至少包括本公开第一实施例提供的球面共形相控阵天线。该电子设备可以是具有数据运算处理功能的计算机、服务器等设备，通过与球面共形相控阵天线进行通信实现对球面共形相控阵天线的驱动以及数据的接收、计算等处理，电子设备还可以为飞行器等设备，通过将球面共形相控阵天线与飞行器的连接，使其所形成的阵面与飞行器表面相吻合，能够最大限度的与载体共形，不破坏载体的机械结构，不仅可以节省空间，而且可以快速无惯性扫描，并且在大角度扫描的情况下可减小适配损耗。
[0052]
以上对本公开多个实施例进行了详细说明，但本公开不限于这些具体的实施例，本领域技术人员在本公开构思的基础上，能够做出多种变型和修改实施例，这些变型和修改都应落入本公开所要求保护的范围之内。
技术特征：1.一种球面共形相控阵天线，其特征在于，至少包括：球形支架；设置在所述球形支架外表面上的多个辐射单元；以及，设置在所述球形支架外表面和多个所述辐射单元之间的多个移相器。2.根据权利要求1所述的球面共形相控阵天线，其特征在于，在以所述球形支架的球心作为坐标原点o所建立的三维坐标系中，所有所述辐射单元在xoy平面上的正投影形成多个同心圆，每个所述同心圆的圆周上至少包括一个所述辐射单元的正投影。3.根据权利要求2所述的球面共形相控阵天线，其特征在于，相邻的两个所述同心圆之间的间距均为所述辐射单元的额定波长的a倍，其中，a为正数。4.根据权利要求2所述的球面共形相控阵天线，其特征在于，同一个所述同心圆的圆周上的两个相邻的所述正投影之间的弧长为所述辐射单元的额定波长的b倍，其中，b为正数。5.根据权利要求2所述的球面共形相控阵天线，其特征在于，所有所述辐射单元在xoy平面上的正投影按照三角布阵方式排列。6.根据权利要求2所述的球面共形相控阵天线，其特征在于，所有所述辐射单元在xoy平面上的正投影按照稀疏布阵方式排列。7.根据权利要求1所述的球面共形相控阵天线，其特征在于，所述移相器为以下任意一种：液晶移相器、数字移相器、铁氧体移相器。8.根据权利要求1至7中任一项所述的球面共形相控阵天线，其特征在于，还包括：设置在所述球形支架内侧的功分馈电网络。9.根据权利要求8所述的球面共形相控阵天线，其特征在于，多个所述辐射单元被配置为形成至少一个目标方向的波束。10.一种电子设备，其特征在于，至少包括如权利要求1至9中任一项所述的球面共形相控阵天线。
技术总结本公开提供了一种球面共形相控阵天线以及电子设备，主要包括：球形支架；设置在所述球形支架外表面上的多个辐射单元；以及，设置在所述球形支架外表面和多个所述辐射单元之间的多个移相器。本公开采用球面共形布阵的方式，利用布置在球形支架表面的辐射单元实现全空间大角度的波束扫描，有效提升了相控阵天线的离轴角波束扫描范围，实现球面共形相控阵天线在大角度的扫描下也能保持较小的增益变化，达到提升相控阵天线性能的目的。达到提升相控阵天线性能的目的。达到提升相控阵天线性能的目的。
技术研发人员：陈胜 车春城 张志锋 卫盟 王晓勇 王晓波 苏雪嫣 李远付 葛良荣 赵云璋 杨芫茏 曲峰 庞净 李必奇
受保护的技术使用者：北京京东方传感技术有限公司
技术研发日：2022.06.24
技术公布日：2022/11/1
