[发明专利]一种应用于临空通信的3D柔性覆盖方法

说明书

本发明公开了一种应用于临空通信的3D柔性覆盖方法，属于临空通信领域。该方法首先由某无人机搭载M×N个半波长的均匀平面阵列天线，在三维空间中，对平面阵列天线的波束指向向量进行分解，将耦合的俯仰角与方位角变换为u,v两个角，实现x轴和y轴两个方向上天线权系数的解耦；然后针对空地链路中给定任意大小形状的目标区域D，计算各边界点对应波束方向与阵列天线x轴和y轴两个正方向上的夹角范围；最后根据夹角范围，计算能够覆盖该夹角范围的波束包络，目标区域D内各点均获得较高的阵列增益。本发明对硬件要求较低，具有较低的计算复杂度，快速实现波束成形，实现了单个射频下波束同时覆盖地面任意区域。

技术领域

本发明属于临空通信领域，具体是指一种应用于临空通信的3D柔性覆盖方法。

背景技术

通信行业在现代社会发展中发挥着越来越重要的作用，随着工业社会的发展，对通信技术有了更高的要求，包括高速率、高覆盖、低延时以及低能耗等诸多需求。目前星基通信和地基通信是世界上两种主要通信系统，但是仍然越来越难以满足日益增长的通信需求。

星基通信有着较大的覆盖范围，但面临着成本较高，传播损耗大和传播延时高等问题；而地基通信无法实现偏远地区，例如远海和沙漠地区的覆盖，并且地面基站易受自然灾害的影响而瘫痪。

近年来，临近空间通信(Near Space Communication,NSC)受到了越来越广泛的关注，成为解决以上问题的有效手段。临近空间(Near space)通常是指20-100km的高空，包括大部分平流层、全部中间层和一部分电离层。利用临近空间飞行器进行通信，可以有效补充和完善现有的通信系统，是实现星基通信与地基通信连通的重要手段。与卫星通信相比，临空通信的传播延时更短，对发射器功率要求更低，并且其机动灵活，可以满足短期拥挤地区的通信需求，自然灾害情况下的应急通信服务，以及偏远地区的通信覆盖，实现快速部署，迅速建立应急通信网络。与地面通信系统相比，临空通信不易受自然灾害的影响，针对业务需求灵活地覆盖相应地区，尤其是山区、海洋以及沙漠等无法建立地面基站的偏远地区。在通信需求与日俱增的今天，临空通信受到世界各国越来越高的重视。

传统的通信系统中，通常在微波波段进行通信，但由于带宽限制，微波通信已无法满足未来高速率的通信需求，而毫米波通信以其良好的性质和前景受到了越来越广泛的关注和研究。毫米波30GHz-300GHz的频域带宽能够提供丰富的可利用的频谱资源；同时，毫米级的波长可以大大减小元器件的尺寸，从而实现在飞行器上搭载大规模相控天线阵列进行定向通信，这样大规模阵列天线形成的巨大波束增益能够有效抵抗信号的传播衰减。

在临空通信中，往往会出现特定区域大面积的通信需求，然而传统的波束赋形方法中，单个射频下的阵列天线只能形成一个较窄的波束，随着天线数量的增加，波束宽度会随之减小，这就限制了空间波束的覆盖范围，导致波束范围之外的通信质量无法得到保障。

发明内容

针对上述问题，本发明利用单射频下的平面阵列天线进行波束赋形，具体是一种应用于临空通信的3D柔性覆盖方法，能够实现任意形状大小区域的波束柔性覆盖。

具体步骤如下：

步骤一、某无人机搭载M×N个半波长的均匀平面阵列天线，所有天线共用一个射频；

基站将射频信号经相位转换器和功率放大器，由阵列天线发射出去。阵列天线的功率放大器具有相同的缩放比例，即各天线的权系数模长相等。

步骤二、在三维空间中，对平面阵列天线的波束指向向量进行分解，将耦合的俯仰角与方位角变换为u,v两个角，实现x轴和y轴两个方向上天线权系数的解耦；

波束指向向量为：