CN101207235B - 移动卫星通信相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动卫星通信相控阵天线，它涉及通信领域中移动卫星通信系统高性能卫星通信天线装置。它由接收阵列、发射阵列、馈电网络、接收射频组件、发射射频组件、伺服跟踪及波束控制系统、天线座等部件组成。它采用一维相控阵扫描天线的形式，方位面机械跟踪与俯仰面相控阵电扫描跟踪相结合的跟踪方式，采用非平面阵列形式结构构成，完成信号的接收和发射。本发明还具有跟踪速度快、电气性能好、轮廓低等特点。本发明特别适用于移动卫星通信系统中高性能卫星通信天线的制造。

Description

移动卫星通信相控阵天线

技术领域

本发明涉及通信领域中的一种移动卫星通信相控阵天线，特别适用于移动卫星通信系统中高性能卫星通信天线的制造。

背景技术

目前在移动卫星通信通信系统中使用的天线有以下几种结构形式，在性能上虽各有特点，但均存在某种不足。

1、反射面天线是目前卫星通信天线的主要形式，但是其结构体积大、重量重，不便于安装。由于反射面天线需要两维机械跟踪，在移动卫星通信使用条件下，其跟踪速度慢，很难保证跟踪性能。

2、低轮廓多组阵列天线采用多组阵列方法，实现低轮廓，各组阵列之间可以进行相位调整，但主要缺点有：天线效率低、电气性能差；跟踪速度慢；长时间丢失信号后，不能很快恢复；使用寿命短，可靠性差。

发明内容

本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种采用一维相控阵扫描天线的形式、非平面阵列形式结构构成的移动卫星通信相控阵天线，并且本发明还具有跟踪速度快、电气性能好、轮廓低、可靠性高等特点。

本发明的目的是这样实现的：本发明包括接收阵列1、发射阵列2、馈电网络3、接收射频组件4、发射射频组件5、伺服跟踪及波束控制系统6、天线座7，所述的接收阵列1或发射阵列2由M层的子阵列8构成，M层的子阵列8叠成排列安装，每层的子阵列8由N个天线单元9构成，其中M、N为自然数，N个天线单元9设置在每层的子阵列8的平板上，子阵列8的平板安装在馈电网络3上，天线单元9的馈电端口与馈电网络3的输入或输出端口连接，天线单元9进行信号的接收与发射，馈电网络3将天线单元9接收或发射的信号进行合路或分路；所述的馈电网络3分别与接收射频组件4、发射射频组件5连接，其将合路信号输入到接收射频组件4或接收发射射频组件5输出的分路信号；接收射频组件4、发射射频组件5分别通过电缆与接收或发射设备连接；接收射频组件4输出的跟踪信号与伺服跟踪及波束控制系统6连接，伺服跟踪及波束控制系统6输出的控制信号与接收射频组件4、发射射频组件5连接，由伺服跟踪及波束控制系统6进行跟踪控制；馈电网络3、接收射频组件4、发射射频组件5、伺服跟踪及波束控制系统6安装在天线座7上，天线座7固定在载体上，进行方位转动。

本发明接收阵列1或发射阵列2采用非平面阵列形式结构构成，接收阵列1或发射阵列2由M层的子阵列8构成，M层的子阵列8法向与水平面夹角为α，α根据俯仰面的波束扫描范围确定；每层的子阵列8由N个天线单元9构成，天线单元9为具有两个极化正交端口的双线极化单元。

本发明馈电网络3接收时由微带合路器10-1至10-P、低噪放电路11-1至11-P、合路器12组成，P为大于1的自然数，微带合路器10-1至10-P的输入端与天线单元9连接，其输出端分别串接低噪放电路11-1至11-P后与合路器12连接，合路器12输出端与接收射频组件4连接；所述的微带合路器10-1至10-P将天线单元9输入的信号进行合路后输入低噪放电路11-1至11-P，低噪放电路11-1至11-P将合路信号放大后输入至合路器12，合路器12将低噪放电路11-1至11-P输出信号合路后输出至接收射频组件4；所述的馈电网络3发射时由分路器构成，分路器输入端与发射射频组件5连接，分路器输出端与天线单元9连接，分路器将发射射频组件5输入的信号分路后输入至天线单元9。

本发明接收射频组件4由接收极化调整模块13-1至13-L、接收移相模块14-1至14-L、第一合路下变频模块15-1、第二合路下变频模块15-2、跟踪网络16组成，L为大于1的自然数，所述的接收极化调整模块13-1至13-L的垂直极化分量输入端与水平极化分量输入端分别与馈电网络3连接，接收极化调整模块13-1至13-L的输出端分别串接接收移相模块14-1至14-L后与第一合路下变频模块15-1或第二合路下变频模块15-2的输入端连接，第一合路下变频模块15-1或第二合路下变频模块15-2的输出端与跟踪网络16输入端连接，跟踪网络16一路输出接收信号通过接收电缆与接收设备连接，另一路输出跟踪信号与伺服跟踪及波束控制系统6连接；所述的接收极化调整模块13-1至13-L将馈电网络3输入的垂直极化分量与水平极化分量根据伺服跟踪及波束控制系统6输出的控制信号进行调整，使接收阵列1进行自动极化调整，接收极化调整模块13-1至13-L调整后的信号输入接收移相模块，接收移相模块根据伺服跟踪及波束控制系统6输出的控制信号进行移相，将移相后的信号输入至第一合路下变频模块15-1或第二合路下变频模块15-2，合路下变频模块将接收移相模块14-1至14-L的输入信号进行合路及下变频后输入至跟踪网络16，跟踪网络16一路输出接收信号，另一路输出跟踪信号。

本发明发射射频组件5由发射极化调整模块17-1至17-K、发射移相模块18-1至18-K、上变频分路模块19组成，K为大于1的自然数；所述的发射极化调整模块17-1至17-K的垂直极化分量输出端与水平极化分量输出端分别与馈电网络3连接，发射极化调整模块17-1至17-K的输入端分别串接发射移相模块18-1至18-K后与上变频分路模块19的输出端连接，上变频分路模块19的输入端通过发射电缆与发射设备连接，发射极化调整模块17-1至17-K、发射移相模块18-1至18-K的控制端分别与伺服跟踪及波束控制系统6连接；所述的上变频分路模块19通过发射电缆将发射设备输入的信号进行上变频及分路后分别输入至发射移相模块18-1至18-K，发射移相模块18-1至18-K根据伺服跟踪及波束控制系统6输出的控制信号进行移相，将移相后的信号输入至发射极化调整模块17-1至17-K的输入端，发射极化调整模块17-1至17-K根据伺服跟踪及波束控制系统6输出的控制信号进行调整，调整后输出的垂直极化分量与水平极化分量输入至馈电网络3，使发射阵列2进行自动极化调整。

本发明伺服跟踪及波束控制系统6由接收波束控制电路20、发射波束控制电路21、伺服控制电路22、跟踪接收机23、综合跟踪处理系统24组成，所述的接收波束控制电路20输出端与接收射频组件4的控制端连接，其输入端与综合跟踪处理系统24的接收控制出端连接；所述的发射波束控制电路21输出端与发射射频组件5的控制端连接，其输入端与综合跟踪处理系统24的发射控制出端连接；综合跟踪处理系统24的跟踪信号输入端串接跟踪接收机23后与接收射频组件4连接，综合跟踪处理系统24的伺服信号出端串接伺服控制电路22后与天线座7连接；所述的跟踪接收机23将接收射频组件4的跟踪信号接收后，输入至综合跟踪处理系统24，综合跟踪处理系统24将跟踪信号处理后，分三路分别输入至接收波束控制电路20、发射波束控制电路21、伺服控制电路22，接收波束控制电路20产生控制信号控制接收射频组件4，发射波束控制电路21产生控制信号控制发射射频组件5，伺服控制电路22产生控制信号控制天线座7。

本发明相比背景技术有如下优点：

1、本发明接收阵列1、发射阵列2采用非平面阵列形式结构构成，可以实现较好的电气性能和低轮廓，体积小，便于安装在各种移动载体上。本发明接收阵列1、发射阵列2俯仰方向采用相控阵跟踪，因此跟踪速度快，可保证快速移动载体的跟踪性能要求。

2、本发明的接收射频组件4、发射射频组件5中都设置有极化调整电路，可以实现极化角自动调整功能。

3、本发明的电路采用集成化、小型化和模块化设计，可实现天线系统的高性能、高可靠性。

附图说明

图1是本发明的电原理组成框图。

图2是本发明接收阵列1或发射阵列2的结构示意图。

图3是本发明子阵列8的结构示意图。

图4是本发明馈电网络3接收时的电原理组成框图。

图5是本发明接收射频组件4的电原理组成框图。

图6是本发明发射射频组件5的电原理组成框图。

图7是本发明伺服跟踪及波束控制系统6的电原理组成框图。

具体实施方式

参照图1至图7，本发明由接收阵列1、发射阵列2、馈电网络3、接收射频模块4、发射射频模块5、伺服跟踪及波束控制系统6、天线座7组成，图1是本发明的电原理组成框图，实施例按图1连接线路。

所述的接收阵列1或发射阵列2由M层的子阵列8构成，M层的子阵列8叠成排列安装，每层的子阵列8由N个天线单元9构成，其中M、N为自然数，N个天线单元9设置在每层的子阵列8的平板上，子阵列8的平板安装在馈电网络3上。本发明接收阵列1或发射阵列2采用非平面阵列形式结构构成，接收阵列1或发射阵列2由M层的子阵列8构成，M层的子阵列8法向与水平面夹角为α，α根据俯仰面的波束扫描范围确定，如图2所示，为保证俯仰角的覆盖范围，实施例α夹角为45°。为保证扫描范围，实施例子阵列8层与层之间间距d为0.6倍工作波长。每层的子阵列8由N个天线单元9构成，天线单元9为具有两个极化正交端口的双线极化单元，如图3所示，实施例接收阵列1或发射阵列2采用M为16层的子阵列8，每层的子阵列8采用N为64个天线单元9，每层的子阵列8形成64个单元的线阵，因此在方位面形成窄波束，完成信号的接收和发射。实施例接收阵列1或发射阵列2的结构采用M层的子阵列8的印制板制作，每层印制板上制作N个微带形式的天线单元9，与馈电网络3制作成整体结构。

本发明馈电网络3的作用是进行信号的合路与分路，接收时由微带合路器10-1至10-P、低噪放电路11-1至11-P、合路器12组成，P为大于1的自然数，图4是本发明馈电网络3接收时的电原理组成框图，实施例按图4连接线路，采用P为4个八合一微带合路器10、P为4个低噪放电路11-1至11-P和1个四合一合路器12完成信号合路。本发明馈电网络3发射时由分路器构成，分路器输入端与发射射频组件5连接，分路器输出端与天线单元9连接，分路器将发射射频组件5输入的信号分路后输入至天线单元9。实施例馈电网络3中的微带合路器10-1至10-P、低噪放电路11-1至11-P、合路器12各部件结构采用微带电路形式，整体结构制作在M层的子阵列8的印制板上。

本发明接收射频组件4的作用是进行极化控制调整和移相调整，它由接收极化调整模块13-1至13-L、接收移相模块14-1至14-L、第一合路下变频模块15-1、第二合路下变频模块15-2、跟踪网络16组成，L为大于1的自然数，图5是本发明接收射频组件4的电原理组成框图，实施例按图5连接线路。接收极化调整模块13-1至13-L的作用是将馈电网络3输入的垂直极化分量与水平极化分量根据伺服跟踪及波束控制系统6输出的控制信号进行调整，使接收阵列1进行自动极化调整，接收移相模块的作用是根据伺服跟踪及波束控制系统6输出的控制信号进行移相，合路下变频模块的作用是进行合路及下变频，跟踪网络16的作用是一路输出接收信号，另一路输出跟踪信号。实施例采用L为16个极化调整模块、L为16个接收移相模块、2个合路下变频模块和1个跟踪网络16完成极化控制调整和移相调整。实施例接收射频组件4中的极化调整模块、接收移相模块、合路下变频模块、跟踪网络各部件结构采用相应的电路、模块化设计的屏蔽盒，安装在天线座7上。

本发明发射射频组件5的作用是进行极化控制调整和移相调整，它由发射极化调整模块17-1至17-K、发射移相模块18-1至18-K、上变频分路模块19组成，K为大于1的自然数，图6是本发明发射射频组件5的电原理组成框图，实施例按图6连接线路。发射极化调整模块17-1至17-K的作用是将输入到馈电网络3的垂直极化分量与水平极化分量根据伺服跟踪及波束控制系统6输出的控制信号进行调整，使发射阵列2进行自动极化调整，发射移相模块18的作用是根据伺服跟踪及波束控制系统6输出的控制信号进行移相，上变频分路模块19的作用是进行上变频及分路。实施例采用K为16个极化调整模块、K为16个发射移相模块和1个上变频分路模块完成极化控制调整和移相调整。实施例发射射频组件5中的发射极化调整模块、发射移相模块、上变频分路模块各部件结构采用相应的电路、模块化设计的屏蔽盒，安装在天线座7上。

本发明伺服跟踪及波束控制系统6的作用是接收跟踪信号和产生伺服跟踪及波束控制信号。它由接收波束控制电路20、发射波束控制电路21、伺服控制电路22、跟踪接收机23、综合跟踪处理系统24组成，图7是本发明伺服跟踪及波束控制系统6的电原理组成框图，实施例按图7连接线路。跟踪接收机23的作用是接收接收射频组件4的跟踪信号，综合跟踪处理系统24作用是处理跟踪信号并分三路分别输入至接收波束控制电路20、发射波束控制电路21、伺服控制电路22，接收波束控制电路20的作用是产生控制信号控制接收射频组件4，发射波束控制电路21的作用是产生控制信号控制发射射频组件5，伺服控制电路22的作用是产生控制信号控制天线座7。实施例接收波束控制电路20、发射波束控制电路21、伺服控制电路22、跟踪接收机23、综合跟踪处理系统24各部件结构采用相应的电路、模块化设计的电路板，安装在天线座7上。

本发明天线座7采用一维方位天线座，固定在载体上，进行方位转动。实施例采用自制的天线座，安装接收阵列1、发射阵列2、馈电网络3、接收射频组件4、发射射频组件5、伺服跟踪及波束控制系统6各部件，组装成本发明。

本发明的跟踪工作过程如下：

1、综合跟踪处理系统24首先解算出俯仰方向的波达角，然后通过接收波束控制电路20控制接收射频组件4的相位，使接收阵列1的波束在俯仰方向扫描并对准卫星。

2、接收阵列1方位进行快速机械扫描，同时检测跟踪接收机23的电平值，当达到电平门限值，切换到自跟踪方式，进行信号的接收和发射。

3、跟踪过程中如果被遮挡或失锁，超过一定时间，重复上述过程。

4、在载体移动过程中，随时进行跟踪，保证正常通信。

5、在跟踪得以实现的基础上，综合跟踪处理系统24通过接收波束控制电路20控制接收阵列1的相位分布，使接收阵列1在俯仰方向对准卫星；通过控制发射波束控制电路21控制发射阵列2的相位分布，使发射阵列2在俯仰方向对准卫星；通过伺服控制电路22控制天线座7方位的机械转动，使整个天线在方位方向对准卫星。因此，通过由方位面的机械跟踪和俯仰面的相控阵波束扫描跟踪相结合的跟踪方式，可以使天线波束自动对准卫星，保证移动使用过程中进行卫星通信。

Claims (3)

1.一种移动卫星通信相控阵天线，它包括天线座(7)，其特征在于：还包括接收阵列(1)、发射阵列(2)、馈电网络(3)、接收射频组件(4)、发射射频组件(5)、伺服跟踪及波束控制系统(6)，所述的接收阵列(1)或发射阵列(2)采用非平面阵列形式结构构成，由M层的子阵列(8)构成，M层的子阵列(8)法向与水平面夹角为α，α根据俯仰面的波束扫描范围确定；M层的子阵列(8)叠成排列安装，每层的子阵列(8)由N个天线单元(9)构成，其中M、N为自然数，天线单元(9)为具有两个极化正交端口的双线极化单元，N个天线单元(9)设置在每层的子阵列(8)的平板上，子阵列(8)的平板安装在馈电网络(3)上，天线单元(9)的馈电端口与馈电网络(3)的输入或输出端口连接，天线单元(9)进行信号的接收与发射，馈电网络(3)将天线单元(9)接收或发射的信号进行合路或分路；所述的馈电网络(3)分别与接收射频组件(4)、发射射频组件(5)连接，其将合路信号输入到接收射频组件(4)或接收发射射频组件(5)输出的分路信号；接收射频组件(4)、发射射频组件(5)分别通过电缆与接收或发射设备连接；接收射频组件(4)输出的跟踪信号与伺服跟踪及波束控制系统(6)连接，伺服跟踪及波束控制系统(6)输出的控制信号与接收射频组件(4)、发射射频组件(5)连接，由伺服跟踪及波束控制系统(6)进行跟踪控制；馈电网络(3)、接收射频组件(4)、发射射频组件(5)、伺服跟踪及波束控制系统(6)安装在天线座(7)上，天线座(7)固定在载体上，进行方位转动；

所述的接收射频组件(4)由接收极化调整模块(13-1至13-L)、接收移相模块(14-1至14-L)、第一合路下变频模块(15-1)、第二合路下变频模块(15-2)、跟踪网络(16)组成，L为大于1的自然数，所述的接收极化调整模块(13-1至13-L)的垂直极化分量输入端与水平极化分量输入端分别与馈电网络(3)连接，接收极化调整模块(13-1至13-L)的输出端分别串接接收移相模块(14-1至14-L)后与第一合路下变频模块(15-1)或第二合路下变频模块(15-2)的输入端连接，第一合路下变频模块(15-1)或第二合路下变频模块(15-2)的输出端与跟踪网络(16)输入端连接，跟踪网络(16)一路输出接收信号通过接收电缆与接收设备连接，另一路输出跟踪信号与伺服跟踪及波束控制系统(6)连接；所述的接收极化调整模块(13-1至13-L)将馈电网络(3)输入的垂直极化分量与水平极化分量根据伺服跟踪及波束控制系统(6)输出的控制信号进行调整，使接收阵列(1)进行自动极化调整，接收极化调整模块(13-1至13-L)调整后的信号输入接收移相模块，接收移相模块根据伺服跟踪及波束控制系统(6)输出的控制信号进行移相，将移相后的信号输入至第一合路下变频模块(15-1)或第二合路下变频模块(15-2)，合路下变频模块将接收移相模块(14-1至14-L)的输入信号进行合路及下变频后输入至跟踪网络(16)，跟踪网络(16)一路输出接收信号，另一路输出跟踪信号；

所述的发射射频组件(5)由发射极化调整模块(17-1至17-K)、发射移相模块(18-1至18-K)、上变频分路模块(19)组成，K为大于1的自然数；所述的发射极化调整模块(17-1至17-K)的垂直极化分量输出端与水平极化分量输出端分别与馈电网络(3)连接，发射极化调整模块(17-1至17-K)的输入端分别串接发射移相模块(18-1至18-K)后与上变频分路模块(19)的输出端连接，上变频分路模块(19)的输入端通过发射电缆与发射设备连接，发射极化调整模块(17-1至17-K)、发射移相模块(18-1至18-K)的控制端分别与伺服跟踪及波束控制系统(6)连接；所述的上变频分路模块(19)通过发射电缆将发射设备输入的信号进行上变频及分路后分别输入至发射移相模块(18-1至18-K)，发射移相模块(18-1至18-K)根据伺服跟踪及波束控制系统(6)输出的控制信号进行移相，将移相后的信号输入至发射极化调整模块(17-1至17-K)的输入端，发射极化调整模块(17-1至17-K)根据伺服跟踪及波束控制系统(6)输出的控制信号进行调整，调整后输出的垂直极化分量与水平极化分量输入至馈电网络(3)，使发射阵列(2)进行自动极化调整。

2.根据权利要求1所述的移动卫星通信相控阵天线，其特征在于：所述的馈电网络(3)接收时由微带合路器(10-1至10-P)、低噪放电路(11-1至11-P)、合路器(12)组成，P为大于1的自然数，微带合路器(10-1至10-P)的输入端与天线单元(9)连接，其输出端分别串接低噪放电路(11-1至11-P)后与合路器(12)连接，合路器(12)输出端与接收射频组件(4)连接；所述的微带合路器(10-1至10-P)将天线单元(9)输入的信号进行合路后输入低噪放电路(11-1至11-P)，低噪放电路(11-1至11-P)将合路信号放大后输入至合路器(12)，合路器(12)将低噪放电路(11-1至11-P)输出信号合路后输出至接收射频组件(4)；所述的馈电网络(3)发射时由分路器构成，分路器输入端与发射射频组件(5)连接，分路器输出端与天线单元(9)连接，分路器将发射射频组件(5)输入的信号分路后输入至天线单元(9)。

3.根据权利要求1所述的移动卫星通信相控阵天线，其特征在于：所述的伺服跟踪及波束控制系统(6)由接收波束控制电路(20)、发射波束控制电路(21)、伺服控制电路(22)、跟踪接收机(23)、综合跟踪处理系统(24)组成，所述的接收波束控制电路(20)输出端与接收射频组件(4)的控制端连接，其输入端与综合跟踪处理系统(24)的接收控制出端连接；所述的发射波束控制电路(21)输出端与发射射频组件(5)的控制端连接，其输入端与综合跟踪处理系统(24)的发射控制出端连接；综合跟踪处理系统(24)的跟踪信号输入端串接跟踪接收机(23)后与接收射频组件(4)连接，综合跟踪处理系统(24)的伺服信号出端串接伺服控制电路(22)后与天线座(7)连接；所述的跟踪接收机(23)将接收射频组件(4)的跟踪信号接收后，输入至综合跟踪处理系统(24)，综合跟踪处理系统(24)将跟踪信号处理后，分三路分别输入至接收波束控制电路(20)、发射波束控制电路(21)、伺服控制电路(22)，接收波束控制电路(20)产生控制信号控制接收射频组件(4)，发射波束控制电路(21)产生控制信号控制发射射频组件(5)，伺服控制电路(22)产生控制信号控制天线座(7)。

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