本發(fā)明涉及無(wú)線通信領(lǐng)域，特別涉及一種用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線及排列方法。

背景技術(shù)：
隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們不再滿足于地面的隨時(shí)隨地通信，而希望在空中也能實(shí)現(xiàn)信息的交流與分享。在航班上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的一種方法是通過(guò)衛(wèi)星給飛行中的飛機(jī)提供無(wú)線信號(hào)。但這種方案通信速率受限，而且成本很高。地空寬帶通信系統(tǒng)利用地面站為航線上的飛機(jī)提供無(wú)線信號(hào)，實(shí)現(xiàn)地空高速通信。相對(duì)于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)方案，地空寬帶通信系統(tǒng)的建站成本較低。地空寬帶通信系統(tǒng)基于LTE（LongTermEvolution,長(zhǎng)期演進(jìn)）規(guī)范，采用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交頻分復(fù)用），MIMO（MultipleInputMultipleOutput,多輸入多輸出）等先進(jìn)的無(wú)線通信技術(shù)，可以較低的成本實(shí)現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)通信速率。由于飛機(jī)的飛行速度很快，地空寬帶通信系統(tǒng)的覆蓋距離一般要求達(dá)到100km以上，因此地面站天線要有較大的增益。由于在一個(gè)區(qū)域內(nèi)可能存在多條相互交織成網(wǎng)狀的航線，因此地面站要能覆蓋整個(gè)360度水平面方位，這要求地面站天線有較大的波束寬度。與地面移動(dòng)通信不同，地空通信基站覆蓋范圍非常大，信號(hào)電平衰落很嚴(yán)重，怎樣使信號(hào)電平相對(duì)平穩(wěn)也是地空寬帶通信系統(tǒng)需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。一種解決方案是采用高增益全向天線。全向天線雖然能覆蓋整個(gè)360度水平方位角，但由于地空通信與地面移動(dòng)通信的區(qū)別，全向天線用在地空寬帶通信系統(tǒng)中存在一系列問(wèn)題。全向天線的增益一般不夠高，而且在增益達(dá)到一定的值之后再增加天線長(zhǎng)度增益提升并不明顯。對(duì)于200km的覆蓋距離，全向天線的增益還不夠。全向天線存在的第二個(gè)問(wèn)題是站點(diǎn)中部覆蓋質(zhì)量不高。因?yàn)槿蛱炀€方向圖中部的零陷過(guò)深，造成飛機(jī)飛越地面站正上方時(shí)接收信號(hào)電平大幅衰落。地空寬帶通信系統(tǒng)地面站天線的能量向上空輻射，但有部分能量泄露到下部，干擾地面移動(dòng)通信。全向天線方向圖上部和下部的能量強(qiáng)度基本一樣，因此對(duì)塔下地面移動(dòng)通信的干擾較嚴(yán)重。MIMO是LTE的關(guān)鍵技術(shù)之一，采用MIMO技術(shù)能成倍提升地空寬帶通信系統(tǒng)的通信速率，這要求地面站天線支持MIMO。為解決以上所述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明旨在提供一種用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線及排列方法，在實(shí)現(xiàn)大的覆蓋距離基礎(chǔ)上獲取優(yōu)良的覆蓋性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種在實(shí)際飛行線路上覆蓋范圍大、覆蓋均勻性好、中部覆蓋質(zhì)量高、下部干擾小、支持MIMO應(yīng)用的用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線，以及有效解決地空通信環(huán)境下用定向天線實(shí)現(xiàn)均勻覆蓋的天線排列方法。一種用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線，其特征在于，包括天線罩、反射板、饋電網(wǎng)絡(luò)、與饋電網(wǎng)絡(luò)連接的饋電端口、以及與天線罩固定用于調(diào)節(jié)天線角度的調(diào)整支架；所述反射板上設(shè)有若干輻射單元；反射板上的所有輻射單元、饋電網(wǎng)絡(luò)和反射板封裝在天線罩內(nèi)；其中，至少三個(gè)以上輻射單元沿垂直方向直線排列成一個(gè)輻射組，三個(gè)輻射組沿水平方向排列成一個(gè)面狀輻射陣列，所有輻射單元沿相同方向布置在反射板上，所述饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)置在反射板的下方，所述調(diào)整支架一端固定在天線罩背面，另一端固定在所述抱桿上，天線通過(guò)所述調(diào)整支架向上設(shè)置一個(gè)大于零度的仰角。在上述的一種用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線，所述調(diào)整支架包括固定在所述天線罩背面的兩個(gè)固定架，與兩個(gè)固定架相連接的上端支架和下端支架，用于固定天線在所述抱桿上的夾碼，所述下端支架包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)臂，所述兩個(gè)旋轉(zhuǎn)臂張開(kāi)一個(gè)大于零度的角度，構(gòu)成一個(gè)V形調(diào)整支架，所述V形調(diào)整支架的開(kāi)口向下。在上述的一種用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線，所述饋電網(wǎng)絡(luò)包括輻射組饋電網(wǎng)絡(luò)、饋電線纜和功分板；三個(gè)輻射組由相同的輻射組饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行饋電，三個(gè)輻射組由功分板和饋電線纜進(jìn)行連接，功分板通過(guò)饋電線纜與饋電端口連接；連接中間輻射組的中間饋電線纜的長(zhǎng)度小于連接兩邊輻射組的兩邊饋電線纜的長(zhǎng)度，連接兩邊輻射組的兩邊饋電線纜的長(zhǎng)度相同；中間饋電線纜比兩邊饋電線纜短0.2至0.6個(gè)饋電線纜的中心頻率波導(dǎo)波長(zhǎng)。在上述的一種用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線，所述輻射單元為垂直極化輻射單元。在上述的一種用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線，所述輻射單元為雙極化輻射單元，且雙極化輻射單元的輻射臂沿±45度方向布置。在上述的一種用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線，所述輻射單元為雙極化輻射單元，所述雙極化輻射單元的輻射臂沿垂直水平方向布置。在上述的一種用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線，輻射組在水平方向平行等間距排列，且所有所述輻射組的兩端相互對(duì)齊，且相鄰輻射組之間的間距為0.4至0.7個(gè)中心頻率波長(zhǎng)。在上述的一種用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線，輻射組在水平方向平行等間距排列，在垂直方向錯(cuò)開(kāi)排列，且相鄰輻射組之間沿垂直方向的間距為0.5倍輻射組內(nèi)相鄰輻射單元之間的間距，沿水平方向的間距為0.25至0.7個(gè)中心頻率波長(zhǎng)。在上述的一種用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線，該用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線通過(guò)所述調(diào)整支架向上設(shè)置的仰角范圍為3至30度。一種用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線的排列方法，其特征在于，具體方法如下：設(shè)置三個(gè)扇區(qū)，且每個(gè)扇區(qū)設(shè)置用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線，三個(gè)扇區(qū)共圓心，且在共圓心的圓環(huán)上等間距排列，每個(gè)扇區(qū)相對(duì)于其它兩個(gè)扇區(qū)分別旋轉(zhuǎn)120度和-120度，天線的輻射面朝向所述圓環(huán)外部，所述圓環(huán)的半徑為1至6米。在上述的一種用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線的排列方法，每個(gè)扇區(qū)設(shè)置一副用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線。在上述的一種用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線的排列方法，每個(gè)扇區(qū)設(shè)置兩幅用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線，每幅天線與相鄰扇區(qū)的臨近天線相互平行。本發(fā)明的定向地面站天線利用高增益定向天線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離覆蓋，在8km的飛行高度下，可達(dá)到200km的覆蓋距離;通過(guò)特殊陣列排布及賦形，在整個(gè)航線內(nèi)可實(shí)現(xiàn)較好的覆蓋平坦度，減小對(duì)塔下地面移動(dòng)通信的干擾；通過(guò)天線仰角調(diào)整，可調(diào)整天線覆蓋距離及中部覆蓋效果；通過(guò)寬波束方向圖賦形及特殊天線排列，使定向天線覆蓋整個(gè)空域范圍，且有效支持空間分集或MIMO應(yīng)用。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明實(shí)施的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為基于垂直極化輻射單元的定向地面站天線的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為基于±45度雙極化輻射單元的定向地面站天線的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為基于垂直水平雙極化輻射單元的定向地面站天線的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為輻射組錯(cuò)位排列方式的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為饋電網(wǎng)絡(luò)的示意圖。圖7為本發(fā)明的定向地面站天線對(duì)航線進(jìn)行覆蓋的示意圖。圖8為本發(fā)明的定向地面站天線的垂直面實(shí)測(cè)方向圖。圖9為本發(fā)明的定向地面站天線的水平面實(shí)測(cè)方向圖。圖10為本發(fā)明的定向地面站天線的排列方式實(shí)施例1的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖11為本發(fā)明的定向地面站天線的排列方式實(shí)施例2的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖12為本發(fā)明的定向地面站天線的排列方式實(shí)施例2的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，以便本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠進(jìn)一步理解本發(fā)明的上述目的、效果及結(jié)構(gòu)。參見(jiàn)圖1及圖2，本發(fā)明提供的一種用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線，包括輻射單元1、反射板2、饋電網(wǎng)絡(luò)3、天線罩4、饋電端口5、用于調(diào)整天線仰角的調(diào)整支架6，和固定天線的抱桿7，輻射單元1、反射板2及饋電網(wǎng)絡(luò)3封裝在天線罩4的內(nèi)部。參見(jiàn)圖2，天線的輻射功能由輻射單元1組陣實(shí)現(xiàn)。為了對(duì)垂直面方向圖實(shí)現(xiàn)精確控制，在垂直方向由三個(gè)以上輻射單元1沿垂直方向直線排列成一個(gè)輻射組9，所有輻射單元1放置方向相同。由于在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，可能會(huì)存在多條方向不同相互交織成網(wǎng)狀的航線，為了使所有航線受到無(wú)區(qū)別的覆蓋，地面站天線必須在水平面上有寬的覆蓋角。本發(fā)明所述的定向地面站天線由三個(gè)輻射組9沿水平方向排列成一個(gè)面狀輻射陣列10。面狀輻射陣列10布置在反射板2上，饋電網(wǎng)絡(luò)3設(shè)置在反射板2的下方，面狀輻射陣列10、反射板2及饋電網(wǎng)絡(luò)3封裝在天線罩4的內(nèi)部。調(diào)整支架6一端固定在天線罩4的背面，另一端固定在抱桿7上，所述定向地面站天線通過(guò)調(diào)整支架6向上設(shè)置一個(gè)大于零度的仰角。圖2為所述定向地面站天線的一種實(shí)施例，輻射單元1采用垂直極化輻射單元。因客機(jī)所用機(jī)載天線一般為垂直極化天線，因此垂直極化地面站天線可與機(jī)載天線極化相匹配。圖3為所述定向地面站天線的另一實(shí)施例,輻射單元1采用雙極化輻射單元，構(gòu)成雙極化定向地面站天線。由于單幅單極化地面站天線不支持分集或MIMO，采用雙極化輻射單元后，單幅所述定向地面站天線即可支持極化分集或2X2MIMO。圖3示出了所述雙極化定向地面站天線的實(shí)施例1，輻射單元1的輻射臂沿±45度方向布置?！?5度極化地面站天線相對(duì)于機(jī)載垂直極化天線有3dB極化失配損耗，但兩個(gè)極化的一致性較好,且直接可支持極化分集或2X2MIMO。圖4示出了所述雙極化定向地面站天線的實(shí)施例2，輻射單元1的輻射臂沿垂直水平方向布置。垂直極化端相對(duì)于機(jī)載垂直極化天線沒(méi)有極化失配損耗，但水平極化端相對(duì)機(jī)載垂直極化天線極化失配損耗為無(wú)窮大。因此這種方案需要客機(jī)上增加一個(gè)水平極化天線才能支持2X2MIMO。參見(jiàn)圖2、圖3和圖4，三個(gè)輻射組9在水平方向上平行等間距排列成面狀輻射陣列10，且所有所述輻射組的兩端相互對(duì)齊。相鄰輻射組9之間的間距為0.4至0.7個(gè)中心頻率波長(zhǎng)。參見(jiàn)圖5,輻射組9在水平方向的另一排列方式為錯(cuò)位排列。中間輻射組91相對(duì)兩邊的輻射組92沿垂直方向錯(cuò)開(kāi)排列，相鄰輻射組之間沿垂直方向的間距為0.5倍輻射組內(nèi)相鄰輻射單元之間的間距，沿水平方向的間距為0.25至0.7個(gè)中心頻率波長(zhǎng)。這種排列方式可以減小本發(fā)明的定向地面站天線的橫向尺寸。參見(jiàn)圖6,饋電網(wǎng)絡(luò)3由輻射組饋電網(wǎng)絡(luò)31、饋電線纜32和功分板33組成，三個(gè)輻射組9由相同的輻射組饋電網(wǎng)絡(luò)31進(jìn)行饋電，三個(gè)輻射組9由功分板33和饋電線纜32進(jìn)行連接，功分板33通過(guò)饋電線纜32與饋電端口5連接。連接中間輻射組91的中間饋電線纜321的長(zhǎng)度小于連接兩邊輻射組92的兩邊饋電線纜322的長(zhǎng)度，連接兩邊輻射組92的中間饋電線纜322的長(zhǎng)度相同。中間饋電線纜321比兩邊饋電線纜322短0.2至0.6個(gè)饋電線纜的中心頻率波導(dǎo)波長(zhǎng)。參見(jiàn)圖1，所述的用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線由調(diào)整支架6進(jìn)行安裝固定以及調(diào)整天線仰角。調(diào)整支架6由固定在天線罩4背面的固定架61和固定架62，與固定架61相連接的上端支架63，與固定架62相連接的下端支架64，以及用于固定天線在抱桿7上的夾碼65組成。其中下端支架64包括旋轉(zhuǎn)軸641以及上旋轉(zhuǎn)臂642和下旋轉(zhuǎn)臂643。上旋轉(zhuǎn)臂642與固定架62相連，下旋轉(zhuǎn)臂643與夾碼65相連，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)臂張開(kāi)一個(gè)大于零度的角度，構(gòu)成一個(gè)開(kāi)口向下的V形調(diào)整支架66。通過(guò)改變V形調(diào)整支架66的開(kāi)口角度，可以控制天線的仰角大小。本發(fā)明的定向地面站天線通過(guò)調(diào)整天線仰角來(lái)調(diào)整覆蓋距離，優(yōu)化中部覆蓋效果。通過(guò)本發(fā)明的天線陣列配置及饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，可以獲得符合地空通信系統(tǒng)需求的方向圖。參見(jiàn)圖7，因客機(jī)的飛行高度一般為6km至12km,考慮200km的覆蓋距離，則在覆蓋區(qū)域邊緣飛機(jī)到天線的連線與水平面的夾角a在5度以內(nèi)。圖8是本發(fā)明的定向地面站天線的垂直面實(shí)測(cè)方向圖。當(dāng)本發(fā)明的定向地面站天線垂直放置時(shí)，垂直面方向圖的最大輻射方向相對(duì)天線面的法線有3至30度的傾角，為將最大輻射方向?qū)?zhǔn)最大覆蓋位置，需通過(guò)調(diào)整支架6向上設(shè)置一個(gè)3至30度的仰角。方向圖的傾角大小綜合考慮了中部覆蓋、下部干擾及極化失配損耗。當(dāng)方向圖傾角小于3度時(shí)，中部覆蓋效果較差；而方向圖傾角大于30度時(shí)，為將最大輻射方向?qū)?zhǔn)覆蓋區(qū)域邊緣，天線需上調(diào)30度以上的仰角，極化失配損耗會(huì)明顯增大。參見(jiàn)圖9，本發(fā)明的用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線在水平面有大于110度的波束寬度，且在整個(gè)波束范圍內(nèi)功率分配比較平穩(wěn)。參見(jiàn)圖8，本發(fā)明的用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線在垂直面上具有向下的傾角，為將最大輻射方向?qū)?zhǔn)覆蓋區(qū)域邊緣，需要通過(guò)調(diào)整支架6將天線向上調(diào)整一個(gè)仰角。通過(guò)本發(fā)明的陣列形式及饋電方法，垂直面方向圖的下降速率在覆蓋距離減小一倍時(shí)減小量小于6dB，從而使整個(gè)覆蓋范圍內(nèi)機(jī)載天線的接收電平比較平穩(wěn)；垂直面方向圖在上部沒(méi)有深的零陷，因此在客機(jī)飛行過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)掉線等問(wèn)題；通過(guò)設(shè)置合適的方向圖傾角，可以使方向圖避開(kāi)90度處的深度零陷，從而優(yōu)化中部覆蓋；方向圖下部的能量小于上部，且在靠近最大輻射方向的附近有一深度零陷，因此可以大幅減小定向地面站天線對(duì)下部地面移動(dòng)通信的干擾。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線的排列方法。三個(gè)扇區(qū)的所述用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線在圓環(huán)上等間距排列，每個(gè)扇區(qū)相對(duì)于其它兩個(gè)扇區(qū)分別旋轉(zhuǎn)120度和-120度，天線的輻射面朝向所述圓環(huán)外部，所述圓環(huán)的半徑為1至6米。參見(jiàn)圖10，本發(fā)明的定向地面站天線排列方式的實(shí)施例1是每個(gè)扇區(qū)設(shè)置一副所述用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線11。參見(jiàn)圖11和圖12，本發(fā)明的定向地面站天線排列方式的實(shí)施例2是每個(gè)扇區(qū)設(shè)置兩幅所述用于地空寬帶通信系統(tǒng)的定向地面站天線，每幅定向地面站天線11與相鄰扇區(qū)的臨近天線輻射面相互平行。圖11示出了具體的排列方法，定向地面站天線111與相鄰扇區(qū)的相鄰天線112平行，每個(gè)扇區(qū)相對(duì)于其它兩個(gè)扇區(qū)分別旋轉(zhuǎn)120度和-120度。這種排列方式既能節(jié)約天線安裝空間，又能方便地實(shí)現(xiàn)天線空間分集收發(fā)或MIMO。由于在航線密集區(qū)航線分布為網(wǎng)狀分布，因此希望地面站天線能在整個(gè)覆蓋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)均勻覆蓋，而不是單扇區(qū)的均勻覆蓋。本發(fā)明采用三個(gè)扇區(qū)的地面站天線來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)覆蓋區(qū)域的均勻覆蓋。三個(gè)扇區(qū)的定向地面站天線組成一個(gè)環(huán)形陣列，在水平面上實(shí)現(xiàn)接近全向的均勻覆蓋；在垂直面上，每幅天線后向的方向圖在中部合成，從而進(jìn)一步提高區(qū)域中部覆蓋的效果。通過(guò)這種排列方式，實(shí)現(xiàn)在整個(gè)站點(diǎn)覆蓋區(qū)域的均勻覆蓋。盡管上文對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明并不局限于此，本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明的原理進(jìn)行各種修改。因此，凡按照本發(fā)明原理所作的修改，都應(yīng)當(dāng)理解為落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。