CN101164251A - 用于卫星通信的可展开的相控阵天线 - Google Patents
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Abstract
用于通信卫星的相控阵天线当卫星在定点时可从收缩条件展开成展开条件，该天线包括：六边形的基底部件(12)以及在收缩条件下互相堆叠在基底部件(12)上的多个可展开的天线板(14)，每个天线板(14.1－14.6)通过相应的翻板铰链装置(16.1－16.6)被连接到基底部件的相应侧面边缘区域，铰链具有相对彼此偏移的枢轴点(18)，这样，当展开时，天线板(14)可以从堆栈中一个接一个顺序地铰接到每个板与相应的基底侧面边缘区域相邻的位置，以提供扩展的平面二维区域。
Description
技术领域
本发明涉及相控阵天线，具体地但不专门用于通信卫星。
背景技术
在通信卫星上的天线结构通常包括刚性反射器，直径高达约2.5米，或更复杂的结构，例如跨度高达9米的可展开的线网格反射器。阵列可以仅仅作为发射天线、仅仅作为接收天线、或作为组合式发射/接收天线运行。
相控阵天线通常作为紧凑的静止的结构使用，用于多波束的电磁能量的灵活定向、快速反应跟踪雷达和电信天线。它们在机械上是静止的，但可以电子地重新配置成在规定的覆盖区域内发送或接收信号。例如，建立在地面上的卫星终端使用相控阵来跟踪低地球轨道卫星并与之通信，平板相控阵天线被用于针对家庭电视广播的卫星的接收。
相控阵天线被用作通信航空器上传统的反射器天线的替代物。例子包括Boeing Gapfiller军事卫星，使用固定的(非可展开的)分开的接收和发射X波段阵列(http://www.boeing.com/defense-space/space/bss/ factsheets/702/wgs/wgs factsheet.html)和Boeing Spaceway商用卫星系统，使用固定的Ka波段相控阵(http://www.boeing.com/ids /allsystemsgo/issues/wol1/num3/story06.html)。这些天线具有相对较小的孔径和固定的结构。
发明内容
在至少优选实施例中，用于通信卫星的可展开的平面相控阵天线系统具有大孔径设计，它在卫星定点在空间后被展开。较大的孔径易于在地球表面上生成较小直径的斑束，使得通过更高的频率重复使用等级来提高系统容量。较小的波束尺寸也对应于卫星发射机EIRP(有效各向同性辐射功率)和接收机灵敏度的增加，允许利用小的、低功率、低成本的终端来工作。
本发明第一方面提供可从收缩条件展开到展开条件的相控阵天线，包括：基底部件，至少部分具有由多个边缘区域限定的多边形截面外形；和多个天线板，每个天线板通过相应的铰链装置被连接到所述基底部件的所述边缘区域中的相应一个，这样，在所述收缩条件下，两个或更多个天线板相互堆叠在基底部件上，并且铰链装置使得天线板可以从堆栈中一个接一个顺序地铰接到每个板与相应的基底边缘区域相邻的位置，以提供所述展开条件，其中所述相控阵天线产生一个扩展的区域。
基底部件的顶面优选地提供另一个天线板。为了天线正确地工作，天线板和基底部件优选地可以呈现平的二维表面，否则在辐射器单元之间会出现不想要的相位增量。在展开的条件下，天线板的上表面可以与基底部件的上表面对准，然而，微小的台阶或不连续性可以通过信号处理来校正。
多边形截面形状可以具有任何形状，但优选地是正多边形。它可以是三角形、矩形、五边形等等，但在一个优选的形式中，从天线设计的电特性考虑，它是具有六条边的六边形。天线板可以具有与基底部件相同的截面，并被堆叠在基底部件的顶部，以便在长度方向上呈现均匀的截面。在天线构成必须通过地球大气层发射的通信卫星的一部分的场合下，这是特别想要的。然而，视需要，天线板可以具有不同的截面。在一个优选形式中，每个板的外部边缘具有城堞形的外形，这样，辐射器单元的子阵列可以具有最佳配置。
优选地，天线板的形状和尺寸被确定为：在展开的条件下，天线板的边缘与相应的基底边缘区域共端相邻。这允许天线的电连续性，并实现跨越边缘的电连接。从基底边缘区域延伸的每个板的边缘可被放置为与相邻板的对应边缘紧邻；这样，天线的区域在展开后是闭合的。
在替换的结构中，可以提供一组附加的天线板，每个附加的天线板被铰接到以上最先提到的天线板之一，这样，天线板从收缩条件被展开，首先，第一天线板被移动到展开的位置，随后附加天线板从位于第一天线板的顶部的位置被枢转到展开的位置。这样，可以提供具有非常大的面积的天线。
在展开的位置，天线优选地提供大约圆形闭合的区域，这样，天线提供最佳的大孔径。
在铰接第一天线板的优选方式下，每个天线板藉助于铰链装置被耦合到基底部件，所述铰链装置具有相对于天线板在天线单元的收缩堆栈中的位置被放置的枢轴点，使得在铰链旋转到展开条件后天线板进行180°旋转和平移运动，在完全展开的位置下到达基底部件的顶部的平面。
铰链优选地具有“翻板(back-flap)”结构，支撑框架从枢轴点延伸到天线板部件的下面；这样，它不干扰天线的电特性。铰链的枢轴优选地被形成为拉长的套筒和销装置，以保证枢轴点保持完全精确地放置。
天线板的堆栈可包括在基底部件一侧的所有板。替换地，一个或多个天线板可以在收缩时被放在基底部件的相反侧。这可以是天线打算用于无线通信的情形，其中基底部件藉助于吊臂部件被耦合到服务模块，以避免与吊臂部件冲突。
在优选的配置中，天线在发射阶段被放置在卫星服务模块的顶部，但当卫星定点时，天线在收缩条件下藉助于吊臂部件旋转90°到天线展开的位置。在这种情形下，包括展开的太阳能阵列的整个服务模块能够相对于天线旋转(每24小时一次)。这样的安排是已知的，例如是在Communications Satellites，The Technology of SpaceCommunications，1987，由Heinemann出版，作者J.L.Blonstein，p.147中描述的。天线指向地球，而服务模块太阳能阵列指向太阳。太阳能阵列被固定到服务模块，而且不相对于服务模块旋转。在优选的配置中，基底单元必须在收起板可被展开之前相对于把它连接到服务模块的吊臂旋转90°。吊臂阻止一个板从基底单元的后面展开。最简单的安排是把“遗漏的”板直接从基底单元的前面折叠。更多的板可以堆叠在基底单元的前面，但翻板铰链的设计意味着机械铰链部分(可能是导电的)凸出在天线工作面的前面，由此破坏辐射方向图。本发明避免机械部分凸出在天线孔径的前面。
再一方面，本发明提供通信卫星，包括服务模块和藉助于吊臂部件被耦合到服务模块的相控阵天线，服务模块包括太阳能板，相控阵天线可从收缩条件展开成展开条件，其中在收缩条件下，天线被放置在服务模块的顶部，并且吊臂部件包括可旋转的装置，使得天线在展开时可以相对于服务模块旋转，并且天线包括多个天线板，使得在所述收缩条件下，两个或多个天线板互相堆叠，其中为了展开，天线首先藉助于吊臂部件移动到远离服务模块的位置，然后，天线板被移动到展开条件，其中相控阵天线提供扩展的区域。
对于每个天线板，板的上表面连同基底的上表面一起提供相控阵天线的辐射器单元的阵列。辐射器单元可被安排在具有某个几何形状的子阵列。每个板的外部边缘具有城堞形外形，这样辐射器单元的子阵列可以具有最佳的六边形形状。视需要，子阵列可以扩展超出板的边缘到达基底部件和相邻板。
每个板的下表面具有适当的电导体和用于耦合辐射器单元的部件。这样的导轨在展开条件下通过适当设计的电触点跨越邻接的边缘被耦合到基底部件。例如，每个板部件和基底部件的相邻边缘可以具有载有弹簧的或例如具有吊臂设计的凸起的电触点，这样，它们可以以某些弹簧力接触，保持电接触。替换地，它们可以进行锁扣式适配连接。然而，实际上，在Ka波段频率，简单的靠近(电容性)连接可能是足够的。本发明的铰链结构的优点在于：它对于展开板相对于基底单元的放置提供很大的机械刚度。这有利于实现多个多销连接器方案，因为阳接头和阴接头可以精确对准。
附图说明
现在将参考附图描述本发明的优选实施例，其中：
图1A、1B和1C是本发明的第一实施例的透视图，包括具有在收缩条件下的可展开天线以及在展开和未展开状态下的太阳能板的太空飞船；
图2A到2F是显示在天线展开时顺序的步骤的透视图；
图3A到3C是本发明的第二实施例的透视图，图3A显示在收缩位置下通信卫星的天线，图3B显示处于从卫星服务模块体升高的位置的天线，以及图3C显示完全展开的天线阵列；
图4是显示形成大约圆形闭合表面的天线板的展开阵列的平面图；
图5显示每个天线单元的结构性细节；以及
图6以示意图方式显示中央基底单元的截面图，天线板通过铰链连接到中央单元。
具体实施方式
在本发明的优选实施例中，相控阵天线包括多个天线板，它们被铰链连接在一起，当在展开之前收起时被折叠。在展开时阵列被打开，形成连续的大平面天线孔径。每个天线板包括多个工作的天线。每个工作的天线的组成取决于阵列的功能，是发射/接收、仅仅接收还是仅仅发射。
现在参照图1和2，第一实施例包括通信卫星，它具有服务模块体2和可展开的天线4，可展开的天线4在收缩条件下被放置成与服务模块体2同轴。服务模块体和天线具有六边形截面。天线借助于吊臂6被安装到服务模块体。吊臂6通过允许在两个平面上旋转的旋转关节8被耦合到天线4，下面将会清楚。支承部件10被提供来把天线保持在所示的位置。服务模块体2具有太阳能板11。
天线包括基底部件12和各个天线板14的堆栈，一个天线板14.1被安装在基底12的顶部，其余的五个天线板14.2到14.6被安装在基底的底下。基底12的截面形状由侧面或边缘区域12.1到12.6限定。每个板通过相应的铰链16.1到16.6被安装到基底12的各个侧面。每个铰链具有被固定到基底的一个侧面的枢轴18，该枢轴18包括含有可旋转销(未示出)的延长套筒。框架20从可旋转销延伸到相应的板14。如图所示，该框架与一个四边形部分成一个角度，另一个四边形部分可被固定到天线板的后面(未示出)。
如图1所示，在初始步骤，在天线展开之前，太阳能板11首先被展开到完全伸展的位置，如图1B所示，然后支承部件10落下，如图1C所示。
如图2所示，展开天线的方法首先将收缩的天线堆栈4移动到从服务模块体2升高的位置，并藉助于被附着到吊臂6的旋转关节旋转90°(见图1A、图1B和图2A)。
如图2B所示，第一天线板14.1初始位于服务模块体部件4的顶部，它藉助于被安装在基底边缘区域12.1处的铰链16.1(图1C)被铰接到所示位置，其中板14.1与基底的顶面24共面地伸展，基底与板的相应边缘12.1、26紧靠在一起并且共端邻接。在这个位置，被形成为邻近电容性触点的电触点27沿边缘12.1、26放置，并被电耦合。应当注意，板14.1被安装在基底部件4的顶部，因为如果不这样的话，吊臂部件6将被放置成跨过天线板的工作表面，恶化天线特性，
然后，如图2C到2G所示，基底后面的堆栈中的天线板顺序地铰接到与板14.1共面的位置，沿基底部件12的顺序边缘排列。从基底伸展的每个板的侧边缘28与相邻板的邻近边缘28共端。结果是在完全展开的条件下，如图2G所示，包括基底顶部在内共7个六边形图案，形成闭合表面区域，轮廓上非常近似圆形，它提供用于通信的相控阵天线的最佳结构。天线板的每个上表面和基底上表面承载相控阵天线的辐射器单元的阵列。
在完全展开条件下，旋转关节8允许天线和服务模块彼此相对旋转，这样，太阳能电池指向太阳，而天线仍旧指向地球。这样的布置是已知的，例如是在Communications Satellites，The Technology ofSpace Communications，1987，由Heinemann出版，作者J.L.Blonstein，p.147中描述的。唯一的旋转是在天线与服务模块之间，电能沿连接这两个结构的吊臂行进。与在一对太阳能板与传统的卫星服务模块体之间的双复合旋转的电连接相比，它只需要一个简单的电旋转关节(例如，+-DC，50伏)。在优选的配置中，基底单元必须在收起板可被展开之前相对于将它连接到服务模块的臂旋转90°。所述臂阻挡一个板从基底单元的后面展开。最简单的布置是使“遗漏的”板直接从基底单元的前面折叠。
用于天线板的铰链布局的细节示意地显示于图6，其中堆栈的两个天线板14.5、14.6通过相应的翻板铰链部件16.5、16.6被连接到基底单元12的相应侧面12.5和12.6。铰链沿基底单元12的枢轴点对于每个单元是不同的，对于铰链16.5，枢轴点被显示为60，对于铰链16.6，枢轴点被显示为62。枢轴点的精确位置取决于板在堆栈中的位置，这样，当发生铰接操作时，板从堆栈中铰接到与基底单元的顶部边缘相邻的位置。因此，每个板铰链具有独特的偏移尺寸，相对于在堆栈中的相邻板的铰链增加半个板的厚度。参照图6，A＝B＝板有效收起厚度的0.5。铰链结构保证在孔径前面没有铰链线，否则会干扰RF辐射。当板处在展开条件时，沿板和基底部件的共端边缘的电连接器为辐射器单元(未示出)提供电耦合。简单的鲁棒的铰链式样提供精确的边缘对准和板间的电互连，如上面描述的。
现在参照图3、4和5所示的第二实施例，通信卫星包括服务模块体部件42，在收缩条件下天线44与体部件42同轴地安装，见图3A。吊臂部件46把天线耦合到体部件。天线包括基底部件48、被安装在基底部件48一侧的个体天线板50的堆栈以及被安装在基底部件的相反一侧的单个天线板50.1。如图3B所示，在展开天线时的第一步骤是藉助于吊臂46将天线44移动到相对于体部件42旋转90°的位置。天线板50.1到50.6然后从堆栈沿基底部件48的各个边缘顺序地铰接，以便以与以上参照图2描述的相同方式提供图3C所示的配置。具体地，每个板50与基底的顶面共面地延伸，基底与板的相应边缘54、56紧靠在一起并且彼此共端邻接。从基底伸展的每个板的侧边缘58与相邻板的邻近边缘58共端邻接。在图4中更具体地示出了这种结构。
应当指出，第二实施例的天线板不是正六边形，但它们的外边缘60具有城堞形(castellation)62。这允许如图4所示，辐射单元64的相控阵排列成六边形子阵列66。每个子阵列66包括十九个排列成六边形结构的辐射单元64。用于每个天线板的子阵列占据外部城堞形62，并延伸到中心基底部件48的相邻边缘区域54，以便保持正六边形结构。可以看到，中心基底部件48也具有类似的由六边形子阵列66组成的阵列。结果，提供由七个平板组成的阵列，每个平板具有六边形子阵列的结构，子阵列都具有相同的形状和尺寸。结果是最佳结构的相控阵天线，对于大孔径具有近似的圆形，辐射单元的六边形阵列提供最佳波束成形特性。
当板处在它们的展开条件时，沿板和基底部件的共端边缘的电连接器(未示出)为辐射器单元提供电耦合。简单的鲁棒的铰链式样提供精确的边缘对准以及板间的电互连。
辐射单元的结构的细节显示于图5，其中电路72通过垂直于天线板表面的电连接器74被连接到每个辐射单元60。对于发射/接收阵列，每个子阵列66包括：一组19个辐射单元；功分器，使得这些单元能够被单个源以规定的功分比和相对相位被激励；低噪声放大器(LNA)78，用于低噪声信号接收；高功率放大器(HPA)80，用于信号发射；带通滤波器82，用于抑制来自HPA的不想要的带外发射；以及双工器84，用于把接收和发射路径合并成一条公共路径，以便连接到辐射单元组，和波束成形网络。对于仅仅发射的阵列，LNA和双工器可以省略。对于仅仅接收的阵列，HPA和带通滤波器可以省略，并且双工器由带通滤波器替代。
天线板是模块化设计(对于LNA、HPA、双工器和滤波器的组合体)和单结构单元(对于承载辐射单元的天线正面、波束成形器，加热管和支撑结构)的组合。这种布置导致成本降低(对于模块化组件)并且通过使用单结构单元而使总质量减小。
如上所述的本发明的相控阵天线提供以下优点：
-大的天线孔径使得能够生成小斑束，允许高度的频率重复使用和系统容量增大。小的波束也增强发射机EIRP和接收灵敏度，从而能够利用小的、低功率、低成本的终端来工作。
-单个相控阵可以代替多个传统的反射器天线。这个特性提供以下好处：
·更低的总天线质量。这意味着更低的飞船发射质量，带来附加的成本节省。替换地，天线质量降低可用来产生其它实用性。
·更紧凑的结构，比反射器天线结构占用更小的空间。同样，这有可能产生其他实用性。
·用单个相控阵替代多反射器天线，简化部署。
·更容易容纳在飞船发射运载工具内。
·潜在的成本降低(仅仅一个相控阵天线代替多个反射器天线)。
-高度的工作灵活性。
·由相控阵天线提供的覆盖范围可被重新配置，以匹配变化的业务量分布或新的任务要求。
·该阵列提供调节覆盖范围，补偿轨道倾斜的方法，由此提高卫星的有用寿命时间并补偿卫星指向误差，
-一种设计天线的方法，使得为定制用于不同任务的天线，只需要对通用设计作出小的改变。
-在组装、集成和地面测试期间和在轨道运行期间补偿天线失真的能力。
-与反射器天线相比，更不容易受到散射效应和由飞船结构造成的遮蔽的影响。
-平面阵列可以是将有源电子单元(HPA和LNA等等)和滤波器合并到组件中的自含单元。这使得更有效地实现全部有效负荷的组装、集成和测试。
-天线结构可被用作热辐射器。
在参照优选实施例描述本发明后，应当看到，实施例在所有的方面是示例性的，有可能作出修改和改变而不背离本发明的精神和范围。例如，在发明中可以使用不同的形状/尺寸和/或不同数目的天线板，以便实现本发明的技术效果。而且，除了通信卫星上的应用以外，本发明的可展开的相控阵天线也可以被用于地面通信系统，其中需要大的相控阵孔径但它必须可运输的或易于重新放置的。
Claims (20)
1.一种可从收缩条件展开到展开条件的相控阵天线，包括：基底部件，至少部分具有由多个边缘区域限定的多边形截面外形；和多个天线板，每个天线板通过相应的铰链装置被连接到所述基底部件的所述边缘区域中的相应一个，这样，在所述收缩条件下，两个或更多个天线板相互堆叠在基底部件上，并且铰链装置使得天线板可以从堆栈中一个接一个顺序地铰接到每个板与相应的基底边缘区域相邻的位置，以提供所述展开条件，其中所述相控阵天线提供扩展的区域。
2.根据权利要求1的天线，其中每个天线板通常与所述基底部件具有相同的截面形状。
3.根据权利要求2的天线，其中每个天线板在形状上是六边形。
4.根据权利要求2的天线，其中每个天线板的外部边缘在展开时具有城堞形的外形。
5.根据任一前述权利要求的天线，其中至少一个天线板在收缩条件下被安装到所述基底部件的与所述堆栈相反的一侧。
6.根据任一前述权利要求的天线，其中天线板被布置为使得当它们从堆栈移动到完全展开的位置时，板的边缘与基底部件的相应边缘相邻并且共端。
7.根据任一前述权利要求的天线，其中从基底部件伸展的每个展开板的侧面边缘与相邻板的相应侧面边缘相邻。
8.根据任一前述权利要求的天线，其中每个天线板藉助于翻板铰链被耦合到所述基底部件，所述翻板铰链具有枢轴和框架，所述枢轴包括延长的套筒和在套筒中的可旋转销，所述框架从所述销延伸并被固定到天线板的后面。
9.根据任一前述权利要求的天线，其中每个天线板藉助于铰链被耦合到基底部件，其中铰链的安装点与板在收缩条件下在堆栈内的位置之间的关系满足：当铰链围绕枢轴点旋转时，在展开条件下的相应板与其它天线板共面。
10.根据权利要求9的天线，其中，对于在堆栈中的顺序堆叠的板，铰链的安装点递增堆栈中的天线板的厚度的一半。
11.根据任一前述权利要求的天线，包括电连接器装置，它在展开条件下沿每个板和所述基底部件的相邻边缘放置，从而实现在基底部件与在每个板内的天线单元之间的电连接。
12.根据任一前述权利要求的天线，其中相控阵的辐射单元被布置为规则排列的子阵列，优选地为六边形。
13.根据权利要求12的天线，其中在展开条件下每个板的外部边缘是城堞形的，子阵列延伸到城堞形中，与基底部件相邻的子阵列延伸到基底部件的边缘。
14.根据任一前述权利要求的天线，其中，基底部件的上表面提供中央天线板。
15.根据任一前述权利要求的相控阵天线，被包含在通信卫星中，该卫星具有包括太阳能电池板的服务模块，并且天线经由可旋转的关节被耦合到被安装到所述服务模块的吊臂部件，以允许在展开条件下天线和服务模块的相对旋转。
16.根据权利要求15的相控阵天线，其中至少一个天线板在收缩条件下被安装到所述基底部件与所述堆栈相反的一侧，以允许在所述吊臂部件的前面展开。
17.一种通信卫星，包括服务模块和藉助于吊臂部件被耦合到服务模块的相控阵天线，所述服务模块包括太阳能板，所述相控阵天线可从收缩条件展开到展开条件，其中在收缩条件下，所述天线被放置在所述服务模块的顶部，并且所述吊臂部件包括可旋转的装置，使得所述天线在展开时可以相对于所述服务模块旋转，并且所述天线包括多个天线板，使得在所述收缩条件下，两个或更多个天线板互相堆叠，其中为了展开，所述天线首先藉助于所述吊臂部件移动到远离所述服务模块的位置，然后，所述天线板被移动到展开条件，其中所述相控阵天线提供扩展的区域。
18.根据权利要求17的卫星，其中所述天线包括所述吊臂部件被安装到上面的基底部件，所述堆栈被安装在所述基底部件的一侧，以及其中至少一个天线板在收缩条件下被安装到基底部件的与所述堆栈相反的一侧，以允许在所述吊臂部件的前面展开。
19.基本上如在前面参照图1到6的任一个描述的相控阵天线。
20.基本上如在前面参照图1到6的任一个描述的卫星。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |