CN1018495B - C波段卫星地面接收站微带天线 - Google Patents

Abstract

C波段卫星地面接收站微带天线，采取了微带线与同轴线并用、边馈与底馈相结合的并联馈电网络和介质覆盖等技术措施，使得天线在展宽频带、提高效率、降低成本等方面有所突破，该天线的特点是平面结构，体积小，重量轻，可以折叠拆装、搬运方便、调试简单，安装场地不限，还可同有源器件兼容，成为有源阵列，用它可组成便携式卫星地面接收站天线，非常适用于流动性的单位，具有广泛的应用前景。

Description

本发明属于通讯卫星地面接收站接收天线的技术改进。

随着卫星事业的发展，利用卫星转发广播电视节目，并且进行通讯、导航、定时等业务，将会逐步进入机关、单位，甚至家庭。传统的接收天线是抛物面型天线。由于它体积庞大，造价昂贵，安装和使用受到一定条件的限制，尤其是对一些流动性的用户则更为突出。

微带天线是七十年代中期发展起来的一门新学科高技术。可供对比的用来接收C波段卫星广播电视节目的平面型阵列天线尚未发现，国外目前主要发展了Ku、L和S波段的微带天线。

本发明的目的是研制一种体积小、重量轻、造价低、便于运输、安装使用的C波段卫星电视接收站（STVRO）微带天线。

本发明的技术方案为：

天线阵列包含1024个矩形微带辐射元，由16个8×8元子阵组成，为拆运方便，又将天线阵列分成4个各自独立的16×16元大子阵列。采用微带线与同轴线并用，边馈与底馈结合的并联馈电网络，其中8×8元子阵列利用微带线并联馈电;各8×8子阵间用同轴电缆并联馈电，以便展宽频带，减少馈电损耗。另外，8×8 元子阵列采用微带线并联边馈，与同轴微带转换插座和总馈线中点相接，底馈输出，微带线同辐射元一起加工成型。16×16元大子阵列用四根等长同轴电缆和三个同轴二功分器，对四个8×8元子阵列并联馈电;四个各自独立的16×16大元子阵列，同样用四根等长同轴电缆和三个同轴二功分器并联馈电。等长同轴电缆的加工精度≤0.5毫米，以保证由此产生的各单元子阵列之间相位误差在所允许的范围之内。

参数计算是将传输线法和空腔模型法结合，在充分考虑导带厚度效应、伸长效应和色散效应后，按照所设计的计算程序和提出的解析式对辐射元及阵列的阻抗、方向图等电气性能及其几何尺寸等参数进行数值计算的。包括谐振频率，辐射元宽度、输入导纳、确定了辐射元加工尺寸及原始输入的参数：中心频率，基板厚度、介电常数、损耗正切角，导带厚度等。

微带天线基板材料的选取，直接关系到天线性能和价格的降低，考虑到本发明的微带天线只收不发，对旁瓣电平要求不严，在选用基板较厚，相对介电常数较低的材料时，带宽、效率和交叉极化的电平性能就比较好，对制造公差要求也较低。为此，我们选用的是聚四氟乙烯玻璃布双面敷铜板。要求介电常数的公差不能超过0.028，厚度的公差不能超过0.01毫米，热膨胀系数不能超过5×10^-5/℃。其基本参数介电常数＝2.8，损耗正切角为 1×10^-4～1×10^-3，敷铜板厚度一般为0.035毫米，基板厚度为2毫米。

为了保护天线阵面和改善天线增益、效率和带宽等电气性能，设置了覆加介质盖板的技术措施，选用环氧酚醛玻璃布层压板为材料。在满足增益等技术指标的前提下，缩小天线阵列口径面积，降低制造成本，介质盖板的厚度在≤1/4λg（λg为介质中的波长）的范围内选取，距天线阵面的矩离约为1/2λ。我们选取的盖板厚度为3毫米，它距天线阵面间的距离为40.5毫米。结果使频带增益提高的幅度达0.5～2.0dB，关于使用空气介质材料，由于介电常数和损耗低的特点，在试制技术过关的情况下，其应用可会使效果更为理想。

本发明的微带天线阵列的制作工艺，采用计算机控制刻漆膜的方法，直接获得1∶1正相原图，并且把这种原图不经翻板当作原版底片使用，保证了设计公差+0.003毫米～+0.013毫米的满意效果。然后选用价格低的锡铅合金做为电镀抗蚀金属，再用氧化铜蚀刻剂进行蚀刻，获得公差在0.05～0.01毫米范围的加工精度。

由于本发明的天线，平面型是其基本特点之一，为保证各子阵列主波束指向同一方向，避免偏斜而引起增益下降，对安装平面的不平度其精度要求在0.5毫米范围之内。（对1.8米×1.8米口 径面积来说）。为了避免极化及指向增益损失，地面天线必须增加极化角跟踪装置，同方位、俯仰角一起组成角度跟踪系统。在结构设计上用等变形原理，使阵列平面的不平度限制在要求范围之内。为此配套设计了一种手控极化、方位、俯仰角度跟踪装置，如附图3所示。

本发明的特点及效果是显著的。与抛物面型天线相比，C波段卫星地面接收站微带天线，除了平面结构，体积小、重量轻、可以折叠拆装运输方便，调试安装方便，又不受场地限制而外，还可同有源器件兼容，用它组成便携式卫星地面接收站（STVRO），非常适用于铁路、油田、地质、矿山、森林、牧区、岛屿及部队等流动性大的单位和边陲地区接受卫星电视节目。随着通讯卫星技术的发展，C波段卫星地面接受站微带天线还有着更加广泛的用途和发展前景，如通信、导航、定时等项业务，特别是逐步深入到家庭中去。

下面就结合附图作一简要说明。

附图1是所设计的天线矩形辐射元结构及辐射机理示意图。它是由贴在具有金属接地板的介质基板上的矩形金属片及其一体的微带线所构成。图中1为矩形辐射元，2为微带线，3为介质基板，4为接地板，5为辐射缝隙，b图和c图为辐射元的侧视图和顶视图。为矩形辐射元的长度L≌λg/2。按照传输线模型，我们可以将辐 射元看成L-λg/2的一段传输线，辐射主要从开路端的两条平行缝隙产生。而空腔模型则把矩形元与接地板之间的空间，处理上下为电壁，四周为磁壁的漏波谐振空腔。辐射是由四周的等效磁流产生。△λ表示伸长效应。

附图2是8×8元子阵结构示意图。F为总馈电点，64个辐射元之间用微带线并联馈电，等辐同相激励，子阵口径面积为45×45平方厘米。

附图3是微带面阵与介质盖板组合天线结构示意图。6为介质盖板，其厚度及与阵面距离分别为：厚度t＝λg/4，间距d＝λ/2。

附图4为手控极化、方位、俯仰三维角度跟踪装置示意图。在俯仰运动中采用丝杠镙母机构，控制镙杆（9）的移动由镙母（10）和镙母架（11）调节。方位转动盘（7）和极化转动盘（8）都具有转动和定中心的作用，两个盘上都有紧锁机构可固定其相对位置。

按本发明制作的样机，经测试，其技术指标数据如下：

中心频率：4.00GHz

天线带宽：≥350MHz

天线增益：34.4～35.5dB

天线效率：45.7%

旁瓣电平：E面：（-10.88～-21.31）dB

H面：（-10.37～-13.01）dB

极化方式：线极化

跟踪方式：手控

口径面积：1.8×1.8平方米

收视图象质量：达三级

Claims (3)

1、一种C波段卫星地面接收站天线，是由矩形微带辐射元、馈电网络、介质盖板和角度跟踪系统组成，本发明的特征在于：

a.矩形辐射元是由贴在具有金属接地板的介质基板上的矩形金属片及其一体的微带线所构成；

b.馈电网络采用微带线与同轴线并用，边馈与底馈结合的并联馈电网络，即子阵内用微带线并联馈电，各子阵间用同轴电缆并联馈电，子阵采用微带线并联边馈，与同轴微带转换插座和总馈线中点相接，底馈输出；

c.介质盖板的厚度为1/4λg，其距天线阵面间的距离为1/2λ；

d.角度跟踪系统为手控极化、方位和俯仰三维角度跟踪装置。

2、根据权利要求1所述的天线，其特征在于：介质盖板材料为环氧酚醛玻璃布层压板，厚度为3毫米，距天线阵面距离为40.5毫米。

3、根据权利要求1所述的天线，其特征在于：微带天线阵列是由16个8×8元子阵组成，又可将天线阵列分成4个各自独立的16×16元大子阵。

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