具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本申请各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本申请的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

本申请实施例中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

本申请实施例中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列部件或单元的系统、产品或设备没有限定于已列出的部件或单元，而是可选地还包括没有列出的部件或单元，或可选地还包括对于这些产品或设备固有的其它部件或单元。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

基于卫星和基于地面基站仍是目前实现高空上网的主要方式。具体来说，一种是通过卫星方式实现地空通讯，另一种则是基于ATG实现地空宽带通讯。其中，ATG需要沿飞行航路或特定空域架设地面基站，以向高空进行覆盖，即利用这些地面基站与飞机直接进行信息传输。

目前，ATG地面端基站天线采用的是传统基站的定向天线，不适合当前及未来的5G大规模MIMO天线；ATG应用场景中多径可能存在较大的俯仰角扩展，需要MIMO天线的单元不仅要满足方位面全向，还要满足俯仰面范围内较大的波束覆盖，然而在实际应用中，天线俯仰过大会造成顶部增益衰减，导致天线顶部覆盖区域出现盲区，同时大角度上仰会在天线下端出现较高的栅瓣，造成相邻宏站越区覆盖的问题。

因此，本发明实施例提供一种阵列天线和通信设备，采用广播波束N+1方式，设置有自适应扫描波束阵列和固定波束阵列，其中，N为自适应扫描波束阵列的广播扫描波束个数，1是固定波束阵列的固定广播波束；自适应扫描波束阵列和固定波束阵列之间的朝向具有一定角度，以使自适应扫描波束阵列覆盖垂直维度2°～22°空域，固定波束阵列覆盖垂直维度22°～90°空域；采用多个天线阵列进行组阵实现多波束赋形后，具有较高的增益，满足地空通信特殊传播环境下的信号覆盖质量。以下将通过多个实施例进行展开说明和介绍。

图1至图3为根据本发明实施例提供的一种阵列天线，包括：

底板；

安装在所述底板上，面向第一方向的自适应扫描波束阵列100，所述自适应扫描波束阵列100用于至少向第一垂直维度范围的空域发送自适应扫描广播波束；

安装在所述底板上，至少面向第二方向的固定波束阵列110，所述固定波束阵列110用于至少向第二垂直维度范围的空域发送固定广播波束；

需要说明的是，本实施例中固定波束阵列110和自适应扫描波束阵列100的面向方向，是指固定波束阵列110和自适应扫描波束阵列100的顶部所在平面的法向量指向。

具体的，在本实施例中，如图1中所示，固定波束阵列110位于顶端，自适应扫描波束阵列100位于非顶端，顶部的固定波束阵列110进行上倾放置，所述自适应扫描波束阵列100基于MIMO技术形成多波束赋型，每一个波束指向一个特定的位置且能够自适应跟踪任何移动用户，至少向第一垂直维度范围的空域发送自适应扫描广播波束，实现第一垂直维度范围的空域覆盖和连续性自适应跟踪，根据ATG场景的实际应用，当飞机距离地面基站较远时，由直视径占主导，利用数字信号处理技术和信号传输的空间特性，通过调整自适应扫描波束阵列100上信号的权值，这样发送去的信号的波形就具有一定的方向性，从而使天线的主波束自适应地跟踪用户主信号到达方向，可实现第二垂直维度范围的空域覆盖和连续性自适应跟踪，其中，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并降低对其他地面系统的干扰，使ATG通信设备实现波束智能自适应指向追踪、高增益和高隔离，从而可以显著克服信道衰落，降低误码率，提高通信质量；同时，顶部的固定波束阵列110进行上倾放置来增强天线顶部的增益，进而实现对顶部覆盖区域的补盲填充，其中，天线含倾角以后的正上方增益不小于10dBi。

在本实施例中，可以通过预先设定自适应扫描波束阵列100或固定波束阵列110的朝向，调整自适应扫描波束阵列100和固定波束阵列110中各天线阵元上信号的权值，以调整波束信号的方向，使其分别限定在第一垂直维度范围和第二垂直维度范围内，可以覆盖2°～90°垂直维度。

当飞机经过地面基站顶空时，现有技术中MIMO天线波束将不易实现预期的覆盖效果，通过采用天线选择技术，选择对顶部固定波束阵列110的振子单元阵列进行激励馈电，以至少向第二垂直维度范围的空域发送固定广播波束，实现对顶部区域补盲填充，扩大ATG作用覆盖范围以弥补ATG应用场景中现有MIMO天线性能的欠缺。

在上述实施例的基础上，作为一种可选的实施方式，所述第一垂直维度范围中的最大维度等于所述第二垂直维度范围中的最小维度，所述第一垂直维度范围和所述第二垂直维度范围叠加后至少覆盖2°～90°垂直维度。

具体的，在本实施例中，第一垂直维度范围为2°～22°垂直维度，第二垂直维度范围为22°～90°垂直维度。在本实施例中，所述第一垂直维度范围和所述第二垂直维度范围不重叠；在除本实施例外的其他实施例中，所述第一垂直维度范围和所述第二垂直维度范围可以有重叠部分，且所述第一垂直维度范围和所述第二垂直维度范围叠加后至少覆盖2°～90°垂直维度。

具体的，本实施例的阵列天线在ATG天线应用场景时，如在ATG对空覆盖300km小区半径内，地面公网4.9宏站的覆盖范围在ATG 0°～1.91°垂直维度的范围内，在ATG天线的5km范围内为地面公网4.9宏基站隔离带，ATG天线与地面公网4.9宏基站间存在地平面以向下0°～5°的下旁瓣抑制区。

当飞机距离地面基站较远时，即在2°～22°垂直维度的空域时，在由直视径占主导，若飞机在10km的高空中向ATG天线飞行，则在2°～22°垂直维度空域时，飞机与ATG天线的在水平方向距离在27～299.82km范围，利用数字信号处理技术和信号传输的空间特性，通过调整基站天线非顶端各天线阵元上信号的权值，这样发送去的信号的波形就具有一定的方向性，从而使天线的主波束自适应地跟踪用户主信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并降低对其他地面系统的干扰；当飞机经过22°～90°垂直维度的空域，即地面基站顶空时，飞机与ATG天线的在水平方向距离在0～27km范围，MIMO天线波束将不易实现预期的覆盖效果，通过采用天线选择技术，选择对顶部上倾放置的振子单元阵列进行激励馈电，实现对顶部区域补盲填充，以弥补ATG场景中MIMO天线性能的欠缺。

图4为本发明实施例的阵列天线对空覆盖的效果示意图，基于Massive MIMO技术，采用广播波束N+1方式，实现覆盖垂直维度2°～90°空域。其中，N为非顶部的自适应扫描波束阵列100发送的自适应扫描广播波束个数，最大可实现垂直维度2°～22°空域覆盖和连续性自适应跟踪；1为顶部固定波束阵列110发送的固定广播波束，其主要覆盖垂直维度22°～90°空域。

采用仿真软件MATLAB对本实施例的阵列天线进行仿真验证，如图5中所示，说明本实施例的方案具有较高的增益，满足地空通信特殊传播环境下的信号覆盖质量，同时解决了目前地面基站天线对空覆盖存在的垂直下旁瓣高电平对宏基站的信号干扰，垂直上旁瓣的零填补盲的技术问题。

在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施方式，所述自适应扫描波束阵列100包括一个或多个第一子阵单元10，多个所述第一子阵单元10呈阵列式设置；每个所述第一子阵单元10包括一个或多个辐射单元01，多个所述第一子阵单元10的多个所述辐射单元01通过功分器进行多合一组阵；

所述固定波束阵列110包括一个或多个第二子阵单元11，多个所述第二子阵单元11呈阵列式设置；每个所述第二子阵单元11包括一个或多个辐射单元01，每个所述第二子阵单元11的多个所述辐射单元01通过功分器进行多合一组阵。

具体的，在本实施例中，顶部的所述固定波束阵列110由多个双极化辐射单元01组成，按照n1行×m1列形式平行排列，其中n1≥1，m1≥1，需要说明的是，本实施例中提到的固定波束阵列110的第一子阵单元10，可以为单个振子(即辐射单元01)，也可以根据实际场景，配合功分器衍生为2合1或3合1等多振子单元，以达到提高顶部增益的目的；

进一步的，非顶部的所述自适应扫描波束阵列100由多个双极化辐射单元01组成，按照n2行×m2列形式排列，其中n2≥1，m2≥1，第二子阵单元11可为单个振子(即辐射单元01)，或根据实际场景，配合功分器衍生为多合一的多振子单元，例如2合1、3合1、4合1。

在上述实施例的基础上，作为一种可选的实施方式，如图2和图3中所示，所述底板包括金属底板、介质转接板06和多个射频连接器03；

所述自适应扫描波束阵列100和所述固定波束阵列110设于所述金属底板的第一面，所述介质转接板06设于所述金属底板的第二面；

多个所述射频连接器03设于所述介质转接板06上，每两个所述射频连接器03对应连接一个所述第一子阵单元10或所述第二子阵单元11。

具体的，在本实施例中，通过在金属底板第二面设置介质转接板06，并在介质转接板06上设置多个射频连接器03，每个所述第一子阵单元10或所述第二子阵单元11对应两个射频连接器03，所述第一子阵单元10或所述第二子阵单元11通过与介质转接板06和射频线缆07连接射频连接器03，如此能够提高所述自适应扫描波束阵列100和所述固定波束阵列110的结构紧凑性，优化天线的射频端口布置，便于天线整机组装、拆卸和维护。

在上述实施例的基础上，作为一种可选的实施方式，所述底板包括相对设置的第一底板04和第二底板05，所述自适应扫描波束阵列100设于所述第一底板04上，所述固定波束阵列110设于所述第二底板05上。其中，第二底板05可以与第一底板04平行放置，也可以具有一定角度倾斜放置，其放置方向需要配合自适应扫描波束阵列100和固定波束阵列110的安装方向，以使自适应扫描波束阵列100面向第一方向，固定波束阵列110至少面向第二方向。

在上述实施例的基础上，作为一种可选的实施方式，所述金属底板包括第一金属底板和第二金属底板；

多个所述第二子阵单元11中各所述辐射单元01垂直设于所述第二金属底板上，所述第二金属底板相对所述第一底板倾斜放置，以使所述固定波束阵列110面向第二方向；

多个所述第一子阵单元10中各所述辐射单元01垂直设于所述第一金属底板上，所述第一金属底板相对于所述第二金属底板水平放置，以使所述自适应扫描波束阵列100面向第一方向。

具体的，在本实施例中，如图1至图3中所示，为了使自适应扫描波束阵列100面向第一方向，固定波束阵列110至少面向第二方向，第一方向、第二方向能够满足垂直维度22°～90°空域覆盖，需要对顶部的固定波束阵列110安装方向进行倾斜设置，本实施例通过将所述第二子阵单元11中各所述辐射单元01所在的第二金属底板倾斜设置，以实现垂直维度22°～90°空域的覆盖。

在上述各实施例的基础上，作为另一种可选的实施方式，多个所述第一子阵单元10中各所述辐射单元01垂直于所述第一底板04设置，以使所述自适应扫描波束阵列100面向第一方向；

多个所述第二子阵单元11中各所述辐射单元01垂直于所述第二底板05设置，所述第二底板05相对所述第一底板倾斜放置，以使所述固定波束阵列110面向第二方向，此时第一底板04相对于第二底板05水平放置。

具体的，在本实施例中，如图6和图7中所示，当所述第一子阵单元10中各辐射单元01在第一底板04的垂直面上安装，第二子阵单元11中各所述辐射单元01在第二底板05的垂直面上安装时，为了使自适应扫描波束阵列100和固定波束阵列110的朝向不同，实现垂直维度2°～90°空域的覆盖，需要将第二底板05相对所述第一底板倾斜放置，如第二底板05上倾折弯放置，第一底板04相对第二底板05水平放置。

在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施方式，所述阵列天线还包括电机、传动装置和底板转轴；

所述第一底板04通过底板转轴连接所述第二底板05；

所述电机通过传动装置连接所述底板转轴，以调整所述第二底板05相对所述第一底板倾斜放置的角度。

具体的，在本实施例中，如图7中所示，通过设置电机，电机通过传动装置(如连杆，图中未示出)与顶部的底板转轴相连，其中底板转轴的两个叶片分别连接第一底板04和第二底板05，电机工作时，会通过传动装置带动底板转轴的旋转来实现顶部第二底板05机械倾角的调整。

本发明实施例中的顶部固定波束阵列110初始设置为相对于底部的自适应扫描波束阵列100倾斜放置，用来对顶部覆盖区域进行补盲填充；当顶部没有飞机时，可以调整底板转轴旋转，使顶部固定波束阵列110与非顶部自适应扫描波束阵列100的角度一致，实现增强底部阵列的等效全向辐射功率(equivalent isotropically radiated power，eirp)总功率，提升覆盖能力。

在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施方式，所述第二底板05包括依次排列的多个第二子底板，多个所述第二子底板将所述固定波束阵列110均分为多份；

所述底板转轴包括多个子底板转轴，每个所述子底板转轴连接一个所述第二子底板和所述第一底板04；

所述电机通过传动装置连接各所述子底板转轴，以分别调整各所述第二子底板相对所述第一底板倾斜放置的角度。

具体的，在本实施例中，如图8和图9中所示，图中第二子底板分为两份，即图中的A板和B板，A板和B板分别通过子底板转轴转动连接第一底板04，由于顶部固定波束阵列110中各阵子覆盖区域只占整体覆盖区域面积的较小比例，本实施例方案的特点在于所述顶部固定波束阵列110分为A板和B板左右两板，即顶部阵子垂直方向可以只有部分阵子旋转(A板或B板)，当一半的阵子旋转到和底部阵子相同方向，另一半阵子继续跟踪顶部区域的飞机并进行水平波束赋形。

具体的，本实施例中，单个电机通过传动装置连接各所述子底板转轴，或多个电机分别通过传动装置连接各所述子底板转轴。电机可以只设置一个，通过增加伞齿轮或万向节加上离合器等结构，分别对每个第二子底板进行控制，也可以为每个所述第二子底板配置一个电机，每个电机控制一个第二子底板的转动。

在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施方式，所述第一子阵单元10和所述第二子阵单元11中，各所述辐射单元01间的列间距为第一工作频率波长，各所述辐射单元01间的行间距为第二工作频率波长。

具体地，在本实施例中，第一工作频率波长为0.6～0.8工作频率波长，第二工作频率波长为0.4～0.6工作频率波长。

本发明实施例还提供一种通信设备，包括控制器，还包括如本发明上述各实施例中所述的阵列天线；

所述阵列天线用于通过所述自适应扫描波束阵列100和/或所述固定波束阵列110向空中设备发送广播波束；

所述控制器用于在空中设备处于所述阵列天线的所述第一垂直维度范围的空域时，控制所述自适应扫描波束阵列100向空中发送自适应扫描广播波束，在空中设备处于所述阵列天线的所述第二垂直维度范围的空域时，控制所述固定波束阵列110向空中发送固定广播波束。

在本实施例中，根据ATG场景的实际应用，当飞机距离地面基站较远时，由直视径占主导，利用数字信号处理技术和信号传输的空间特性，通过调整基站天线非顶端各天线阵元上信号的权值，这样发送去的信号的波形就具有一定的方向性，从而使天线的主波束自适应地跟踪用户主信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并降低对其他地面系统的干扰；当飞机经过地面基站顶空时，MIMO天线波束将不易实现预期的覆盖效果，通过采用天线选择技术，选择对顶部上倾放置的振子单元阵列进行激励馈电，实现对顶部区域补盲填充，以弥补ATG场景中MIMO天线性能的欠缺。

综上所述，本发明实施例提供的一种阵列天线和通信设备，采用广播波束N+1方式，设置有自适应扫描波束阵列100和固定波束阵列110，其中，N为自适应扫描波束阵列100的广播扫描波束个数，1是固定波束阵列110的固定广播波束；自适应扫描波束阵列100和固定波束阵列110之间的朝向具有一定角度，以使自适应扫描波束阵列100覆盖垂直维度2°～22°空域，固定波束阵列110覆盖垂直维度22°～90°空域；采用多个天线阵列进行组阵实现多波束赋形后，具有较高的增益，满足地空通信特殊传播环境下的信号覆盖质量；在具体应用到基站时，通过算法处理，可以对机载端进行自适应跟踪；基于MIMO技术还可以对合成波束进一步优化，解决了目前地面基站天线对空覆盖存在的垂直下旁瓣高电平对宏基站的信号干扰，垂直上旁瓣的零填补盲的技术问题，因此，具有较强的实用价值和现实意义。

本发明的各实施方式可以任意进行组合，以实现不同的技术效果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。