CN101615721B - 相控阵移动卫星接收天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平面结构的相控阵移动卫星接收天线，它涉及移动卫星通信系统中高效的通信信号接收装置。这种天线包括：接收天线阵列、馈电网络、跟踪接收系统、伺服控制系统、波束控制系统，以及天线座。它采用二维的相控阵电扫描跟踪与二维机械跟踪相结合的跟踪方式，实现快速搜索卫星和无间断的跟踪接收卫星信号。本发明具有效率高、低轮廓、搜索速度快、跟踪精度高、无间断接收卫星信号等特点，特别适用于移动卫星通信系统中高性能卫星通信地面移动接收天线的设计和制造。
Description
技术领域
本发明涉及移动卫星通信系统中高效的通信信号接收装置，特别适用于移动卫星通信系统中高性能相控阵地面移动卫星接收天线的设计和制造。
背景技术
相控阵天线具有快速转换天线波束指向的特点，克服了天线机械转动时惯性大、速度慢的不足。相控阵技术在各种军用雷达，包括各种机载、星载合成孔径雷达，以及多种军民两用、民用雷达，包括高性能气象雷达、空间载气象探测雷达中已有应用。但是相控阵天线在移动卫星通信系统还少有应用。
现有在移动卫星通信系统中使用的天线主要是反射面天线，其体积大，重量重，不便于安装。而且这种形式的天线扫描方式只能是两维机械扫描，速度慢，难以满足移动卫星通信在特定场合中对天线跟踪性能的要求。
发明内容
本发明避免了反射面天线在移动卫星通信系统中应用的缺陷，本发明的目的在于提供一种结构简单、使用方便、性能优良的相控阵移动卫星接收天线。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种相控阵移动卫星接收天线，整个接收天线装置包括：接收天线阵列1、馈电网络3、跟踪接收系统4、波束控制系统5、伺服控制系统9以及天线座6，其中，所述的接收天线阵列1的馈电端口连接馈电网络3的输入端，馈电网络3将接收天线阵列1的输出信号进行移相及合路；所述的馈电网络3的输出端与跟踪接收系统4相连，跟踪接收系统4处理后的合路信号连接任务接收设备20，跟踪接收系统4处理后的跟踪信号分别连接伺服控制系统9和波束控制系统5，由跟踪接收系统4进行跟踪控制；伺服控制系统9输出的控制信号连接天线座6，控制天线座6的机械转动，波束控制系统5输出的控制信号连接馈电网络3，控制相移实现电扫描；所述的馈电网络3、伺服控制系统9、波束控制系统5、跟踪接收系统4都安装在天线座6上，天线座6安装在固定载体上。
所述的相控阵移动卫星接收天线，所述的接收天线阵列1采用平面阵列形式，由M个天线子阵7按等距离在排列成平面阵，天线子阵7间距由电扫角度范围确定，每个天线子阵7包括N个辐射单元8，其中M、N均为自然数。
所述的相控阵移动卫星接收天线，天线馈电网络3包括：移相器组件2和多级合路器10，移相器组件2的输入端与天线子阵7连接，其输出端与多级合路器10连接，多级合路器10的输出端与接收跟踪系统4的输入连接；所述的移相器组件2将天线子阵7输入的信号进行相位调整然后输入多级合路器10，多级合路器10再进一步将移相后信号分配和叠加，形成和差信号，并输出至跟踪接收系统4。
所述的相控阵移动卫星接收天线，所述的跟踪接收系统4包括：高频前端分机11、跟踪解调分机12，馈电网络3的输出端连接高频前端分机11，高频前端分机11的一路输出端与任务接收设备20连接，另一路输出端连接跟踪解调分机12；跟踪解调分机12一路输出端连接波束控制系统5，另一路输出端连接伺服控制系统9，所述的高频前端分机11将馈电网络3输出的和差信号进行下变频、放大、滤波等处理后，一路输出接收信号，一路输出中频信号给跟踪解调分机12，跟踪解调分机12解调出方位、俯仰误差信号后再进行分析处理，并将处理后的跟踪信号分别输入波束控制系统5和伺服控制系统9，控制天线精确对准目标卫星，实现移动跟踪。
所述的相控阵移动卫星接收天线，所述的波束控制系统5包括移相驱动器16、波束控制单元17、运算控制器18和波束控制电源19，运算控制器18的输入端连接跟踪接收系统4，其输出端连接波束控制单元17，波束控制单元17的输出端并联N个移相驱动器16，N的数目与移相器组件2的数目相同，移相驱动器16的输出连接馈电网络3中的移相器组件2，波束控制电源19专给波束控制系统5供电；所述的运算控制器18将跟踪接收系统4输入的跟踪信号进行处理后，输入至波束控制单元17，波束控制单元17控制移相驱动器16驱动移相器组件2产生相移，实现波束指向变化。
所述的相控阵移动卫星接收天线，所述的伺服控制系统9包括控制微机13、伺服控制单元14和天线驱动模块15，控制微机13的输入端连接跟踪接收系统4，其输出端连接伺服控制单元14，再串联天线驱动模块15；所述的控制微机13将跟踪接收系统4输入的跟踪信号进行处理后，输入至伺服控制单元14，伺服控制单元14产生控制信号控制天线驱动模块15驱动天线座6实现方位、俯仰方向的机械转动。
使用本发明的有益效果在于：本发明涉及的相控阵移动卫星接收天线在保证高效、电性能优良的前提条件下，实现低轮廓、易于安装；采用相控阵技术，实现俯、仰面二维电控扫描，其扫描速度快，可靠性高。
附图说明
图1本发明专利的相控阵移动卫星接收天线的结构框图；
图2本发明专利的天线子阵结构示意图；
图3本发明专利的接收天线阵列结构示意图；
图4本发明专利的天线馈电网络结构示意图；
图5本发明专利的伺服控制系统、波束控制系统及跟踪接收系统示意图；
图6本发明专利的相控阵天线原理示意图；
接收天线阵列1、 移相器组件2、
馈电网络3、 跟踪接收系统4、
波束控制系统5、 天线座6、
天线子阵7、 辐射单元8、
伺服控制系统9、 多级合路器10、
高频前端分机11、 跟踪解调分机12、
控制微机13、 伺服控制单元14、
天线驱动模块15、 移相驱动器16、
波束控制单元17、 运算控制器18、
波束控制电源19、 接收设备20、
具体实施方式
下面通过具体实施例加以附图，对本实用新型进行详细描述。
如图1所示，本发明的相控阵移动卫星接收天线包括：接收天线阵列1、馈电网络3、跟踪接收系统4、波束控制系统5、伺服控制系统9以及天线座6，其中，所述的接收天线阵列1的馈电端口连接馈电网络3的输入端，馈电网络3将接收天线阵列1的输出信号进行移相及合路；所述的馈电网络3的输出端与跟踪接收系统4相连，跟踪接收系统4处理后的合路信号连接任务接收设备20；跟踪接收系统4处理后的跟踪信号分别连接伺服控制系统9和波束控制系统5，由跟踪接收机4进行跟踪控制；伺服控制系统9输出的控制信号连接天线座6，控制天线座6的机械转动，波束控制系统5输出的控制信号连接馈电网络3里的移相器组件2，控制相移实现电扫描；所述的馈电网络3、跟踪接收系统4、波束控制系统5、伺服控制系统9都安装在天线座6上，天线座6安装在固定载体上。
如图2至图4所示，接收天线阵列1采用平面阵列形式，由M个天线子阵7按等距离排列成平面阵，天线子阵7间距由电扫角度范围确定，每个天线子阵7包括N个辐射单元8，其中M、N均为自然数。馈电网络3包括：移相器组件2和多级合路器10。移相器组件2的输入端与天线子阵7连接，其输出端与多级合路器10连接，多级合路器10的输出与接收跟踪系统4的输入连接。所述的移相器组件2改变由天线子阵7输入的信号相位，然后送至多级合路器10，多级合路器10将改变相位后的天线子阵7输出信号形成和差信号，并输出至跟踪接收系统4。
如图5所示，跟踪接收系统4包括：高频前端分机11、跟踪解调分机12。馈电网络3的输出端连接高频前端分机11，高频前端分机11的一路输出端与任务接收设备20连接，另一路输出端连接跟踪解调分机12，跟踪解调分机12一路输出端连接波束控制系统5，另一路输出端连接伺服控制系统9；所述的高频前端分机11将馈电网络3输出的和差信号进行下变频、放大、滤波等处理后，一路输出接收信号，一路输出中频信号给跟踪解调分机12，跟踪解调分机12解调出方位、俯仰误差信号后再进行分析处理，将处理后的信息分别输入波束控制系统5和伺服控制系统9，控制天线精确对准目标卫星，实现移动跟踪。所述的波束控制系统5包括移相驱动器16、波束控制单元17、运算控制器18和波束控制电源19。运算控制器18的输入端连接跟踪接收系统4，其输出端连接波束控制单元17，波束控制单元17的输出端并联N个移相驱动器16，N的数目与移相器组件2的数目相同，移相驱动器16的输出连接馈电网络3中的移相器组件2，波束控制电源19专给波束控制系统5供电；所述的运算控制器18对跟踪接收系统4输出的跟踪信号处理后，输入至波束控制单元17，波束控制单元17产生移相信号控制移相驱动器16，移相驱动器16驱动移相器组件2产生相移，实现波束指向变化。所述的伺服控制系统9包括控制微机13、伺服控制单元14以及天线驱动模块15。控制微机13的输入端连接跟踪接收系统4的跟踪输出信号，其输出端连接伺服控制单元14，再串联天线驱动模块15。所述的控制微机13将跟踪接收系统4输出的跟踪信号进行处理后，输入至伺服控制单元14，伺服控制单元14产生的控制信号控制天线驱动模块15驱动天线座6进行方位、俯仰方向的机械转动。
以下叙述相控阵天线实现方法波束转换的基本原理，如图6所示。
天线单元的扫描方向上的方向图函数可以写为：
上式中
为天线单元之间的相位差，若
则θB为天线波束最大值指向。
令
它表示相邻天线单元接收到来自θ方向信号的相位差，称为相邻单元之间的“空间相位差”。
当|F(θ)|＝1时，可得天线方向图最大的指向角θB(即θ＝θB)，即
或
故改变阵内相邻单元之间的相位差
就可以改变天线波束最大值指向。如果
由移相器提供，那么这种天线就是相控阵天线了。现有移相器的转换速度已达到微秒级，这就决定了相控阵天线波束转换时间上的迅速。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种相控阵移动卫星接收天线，整个接收天线装置包括：接收天线阵列(1)、馈电网络(3)、跟踪接收系统(4)、波束控制系统(5)、伺服控制系统(9)和天线座(6)，所述的接收天线阵列(1)的馈电端口连接馈电网络(3)的输入端，馈电网络(3)将接收天线阵列(1)接收的信号进行移相及合路，并通过馈电网络(3)输出端与跟踪接收系统(4)的输入端相连；跟踪接收系统(4)处理后的输出信号包括合路信号和跟踪信号，其中合路信号连接任务接收设备，而跟踪信号连接伺服控制系统(9)和波束控制系统(5)，由跟踪接收系统(4)跟踪控制；伺服控制系统(9)输出的控制信号连接天线座(6)，控制天线座(6)的机械转动，波束控制系统(5)输出的控制信号连接馈电网络(3)，控制天线各辐射单元的移相从而实现天线电扫描；所述的馈电网络(3)、跟踪接收系统(4)、波束控制系统(5)、伺服控制系统(9)都安装在天线座(6)上，天线座(6)安装在固定载体上；其特征在于：所述的跟踪接收系统(4)包括：高频前端分机(11)和跟踪解调分机(12)，馈电网络(3)的输出端连接高频前端分机(11)，高频前端分机(11)的一路输出端与任务接收设备(20)连接，另一路输出端连接跟踪解调分机(12)；跟踪解调分机(12)一路输出端连接波束控制系统(5)，另一路输出端连接伺服控制系统(9)，所述的高频前端分机(11)将馈电网络(3)输出的和差信号进行下变频、放大、滤波处理后，一路输出接收信号给任务接收设备(20)，一路输出中频信号给跟踪解调分机(12)，跟踪解调分机(12)解调出方位、俯仰误差信号后再进行分析处理，并将处理后的跟踪信号分别输入波束控制系统(5)和伺服控制系统(9)，控制天线精确对准目标卫星，实现移动跟踪。
2.根据权利要求书1所述的相控阵移动卫星接收天线，其特征在于：所述的接收天线阵列(1)采用平面阵列形式，由M个天线子阵(7)按等距离排列成平面阵，天线子阵(7)间距由电扫角度范围确定，每个天线子阵(7)包括N个辐射单元(8)，其中M、N均为自然数。
3.根据权利要求书1所述的相控阵移动卫星接收天线，其特征在于：天线馈电网络(3)包括：移相器组件(2)和多级合路器(10)，移相器组件(2)的输入端即馈电网络(3)的输入端，与天线子阵(7)连接，其输出端与多级合路器(10)连接，多级合路器(10)的输出端即馈电网络(3)的输出端，与接收跟踪系统(4)的输入端连接，所述的移相器组件(2)将由天线子阵(7)输入的信号作相位调整，然后输送到多级合路器(10)，多级合路器(10)再进一步将信号整合，最后输出至跟踪接收系统(4)。
4.根据权利要求书1所述的相控阵移动卫星接收天线，其特征在于：所述的波束控制系统(5)包括移相驱动器(16)、波束控制单元(17)、运算控制器(18)和波束控制电源(19)，运算控制器(18)的输入端连接跟踪接收系统(4)中跟踪解调分机(12)的输出端，其输出端连接波束控制单元(17)，波束控制单元(17)的输出端并联N个移相驱动器(16)，N的数目与移相器组件(2)的数目相同，移相驱动器(16)的输出连接馈电网络(3)中的移相器组件(2)，波束控制电源(19)专给波束控制系统(5)供电，所述的运算控制器(18)对跟踪接收系统(4)输出的跟踪信号分析计算，并将结果送至波束控制单元(17)，波束控制单元(17)产生移相信号控制移相驱动器(16)驱动移相器组件(2)产生相移，最终实现天线波束指向变化。
5.根据权利要求书1所述的相控阵移动卫星接收天线，其特征在于：所述的伺服控制系统(9)包括控制微机(13)、伺服控制单元(14)、天线驱动模块(15)，控制微机(13)的输入端连接跟踪接收系统(4)，其输出端连接伺服控制单元(14)，再串联天线驱动模块(15)；所述的控制微机(13)将跟踪接收系统(4)输入的跟踪信号进行处理后，输入至伺服控制单元(14)，伺服控制单元(14)的输出信号指导天线驱动模块(15)控制天线座(6)实现方位、俯仰方向的机械转动。
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