CN102437425A

CN102437425A - 一种“动中通”卫星移动通信天线

Info

Publication number: CN102437425A
Application number: CN2011102739531A
Authority: CN
Inventors: 葛俊祥; 周俊萍; 陈苏婷; 李家强; 王友保
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2011-09-16
Filing date: 2011-09-16
Publication date: 2012-05-02

Abstract

一种“动中通”卫星移动通信天线，属于卫星通信微波天线和信号处理领域。该卫星移动通信天线包括机械伺服系统驱动的天线径向移动底盘、相控阵天线阵列、相控阵天线馈电系统及俯仰角调节支架和人工左手超材料天线罩，其中相控阵天线阵列与天线径向移动底盘之间由俯仰角调节支架相连，同时俯仰角调节支架或天线径向移动底盘上附有相控阵天线馈电系统，人工左手超材料天线罩加载于相控阵天线阵列之上。在精密电子跟踪中采用低成本、少单元相控阵天线阵列，通过增加人工超材料天线罩技术提高相控阵天线增益，以达到高质量卫星移动通信的目的。

Description

一种“动中通”卫星移动通信天线

技术领域

本发明涉及一种“动中通”卫星移动通信天线，属于卫星通信微波天线和信号处理领域。

背景技术

近年来，“动中通”作为一项卫星移动通信技术在国内外受到高度重视。由于“动中通”可以实现卫星终端运动状态下不间断接收卫星信号或向卫星发射信号，实现卫星移动通信，因而在防灾救灾、卫星车载接收与传输、军用卫星移动通信等方面具有重要的研究意义和应用前景。

比较国内外“动中通”卫星移动通信天线技术的研究和开发，国外一般都采用技术水平要求高的天线跟踪方式，产品价格都非常昂贵。而国内大多采用比较成熟的机械跟踪方式，虽然具有一定的价格优势，但存在天线性能方面的明显不足。综合国内外各种“动中通”卫星移动通信天线技术，具体缺点主要表现如下：

(1)为方便天线运动状态下的自动跟踪调整，天线常被设计成小口径面和轻量化。通常“动中通”卫星移动通信天线的口径尺寸小，天线单元阵列数少。因此，“动中通”卫星移动通信天线增益比普通固定式卫星通信天线一般要低5-10dB以上。低增益的天线将大大降低卫星通信系统的灵敏度和通信质量。 (2) 载体在起伏路面和急转弯道上行驶时，载体上的卫星天线俯仰角和方位角易引起剧烈变化，如果跟踪响应速度或精度不够，天线指向将偏离卫星而发生通信中断。单靠机械伺服机构调整跟踪是难以在高增益天线（波束角非常窄）下实现卫星移动通信的自动跟踪。而单纯依靠复杂的相控阵天线技术，在高增益天线条件下，天线单元数的增加将大大提高天线生产成本，而且项控阵天线的跟踪角也有限。 (3) 目前卫星天线跟踪系统中的跟踪角参考量主要依赖于GPS、经纬仪、捷联惯导系统测量。我国自主研发的北斗卫星导航系统已开始进入实用阶段。因此，“动中通”卫星移动通信系统研究开发中，还有待于充分地利用我国的北斗系统，发挥北斗的作用。

发明内容

本发明提出了一种“动中通” 卫星移动通信天线的设计方案，可以保证“动中通”卫星移动通信天线在载体剧烈运动条件下，完成天线高增益、窄波束下的高速和高精度跟踪。

本发明为解决其技术问题采用如下设计方案：

一种“动中通”卫星移动通信天线，包括机械伺服系统驱动的天线径向移动底盘、相控阵天线阵列、相控阵天线馈电系统及俯仰角调节支架和人工左手超材料天线罩，其中天线径向移动底盘为由机械伺服系统驱动的圆盘结构，能360度旋转调节方位角；相控阵天线阵列与天线径向移动底盘之间由俯仰角调节支架相连，同时俯仰角调节支架或天线径向移动底盘上附有相控阵天线馈电系统，通过机械伺服系统调节俯仰角支架高度改变天线俯仰角度；人工左手超材料天线罩加载于相控阵天线阵列之上，用于天线性能的改善。

所述的相控阵天线阵列采用多组分布结构。

本发明的有益效果如下：

在精密电子跟踪中采用低成本、少单元、小口径相控阵天线，通过增加人工左手超材料天线罩技术提高相控阵天线增益，以达到高质量卫星移动通信的目的。

附图说明

图1是本发明基于底盘水平360°旋转、天线支架仰俯调节的机械粗跟踪与相控阵电子精密跟踪一体化的布局图。

图2是结合人工左手超材料相控阵天线罩技术的示意图。

图1和图2中：1、相控阵天线阵列；2、机械伺服系统驱动的天线径向移动底盘；3、相控阵天线馈电系统及俯仰角调节支架；4、人工左手超材料天线罩。

图3是左手超材料结构设计示意图，其中：1、金属导体；2、聚四氟乙烯板材。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。

如图1所示，天线径向移动底盘为由机械伺服系统驱动的圆盘结构，可360度旋转；相控阵天线阵列与天线径向移动底盘间由俯仰角调节支架连接，俯仰角调节支架可调节天线的俯仰角；相控阵天线阵列表层附有人工左手超材料天线罩。

(a)相控阵天线阵列采用多组分布结构，降低天线整体高度，增加天线方向角控制机动性；

(b)利用人工左手超材料特有的电磁特性设计具有波束聚合作用小口径相控阵天线罩，减少天线阵元数量，实现天线的高增益和小型化。

(c)获取卫星及天线的方位信息后，利用两组机械伺服系统分别控制天线径向移动底盘360°水平方位转动和天线阵列俯仰角调节，实现一定角误差范围内的机械粗调跟踪。

(d)相控阵天线电子精确微调，直到卫星接收器接收到的卫星信号强度最大为止。

卫星的搜索过程具体来说可以分为如下两步进行：（1）粗调：当天线载体由于各种运动使得天线发生方向变化时，通过北斗卫星检测到的载体经纬度和预知卫星经纬度信息，计算得到卫星相对于载体的变化方向角和俯仰角，利用机械伺服系统驱动天线径向移动底盘及俯仰角调节支架快速调节使天线转到卫星的方向角和俯仰角附近。（2）微调：粗调之后，再在卫星俯仰角和方位角附近进行相控阵天线电子精确微调，直到卫星接收器接收到的卫星信号强度最大为止。考虑到坐标变换等存在误差，在这里根据卫星返回的卫星信号强度和信噪比来确定天线是否对准卫星。

图2 为结合人工左手超材料相控阵天线罩技术的结构示意图。天线顶部封内嵌人工左手超材料薄膜。该左手超材料薄膜可使天线x方向波束宽度基本保持不变，y方向波束宽度变窄，从而弥补y方向由于天线单元的不足波束变宽问题，使得天线增益得以提高。人工左手超材料的引入可使天线的聚焦性和方向性更好，并可改善天线的部分性能。若选用损耗小的人工左手超材料且保证良好的波阻抗匹配，天线的增益更可改善10dB左右。人工左手超材料覆层相当于凸透镜，使电磁波只能够在垂直方向附近的小角度内传播，其它方向的传播被限制。这将显著改善天线方向性，提高天线的增益。

图3是左手超材料的设计结构示意图。本左手超材料可采用在低介质板材（如聚四氟乙烯）表面分布设计具有一定宽度的金属导体，通过设计金属导体的宽度wi及金属导体间距d-i可以设计出具有不同聚焦特性的人工左手超材料天线罩。

Claims

1.一种“动中通”卫星移动通信天线，其特征在于包括机械伺服系统驱动的天线径向移动底盘、相控阵天线阵列、相控阵天线馈电系统及俯仰角调节支架和人工左手超材料天线罩，其中天线径向移动底盘为由机械伺服系统驱动的圆盘结构，能360度旋转调节方位角；相控阵天线阵列与天线径向移动底盘之间由俯仰角调节支架相连，同时俯仰角调节支架或天线径向移动底盘上附有相控阵天线馈电系统，通过机械伺服系统调节俯仰角支架高度改变天线俯仰角度；人工左手超材料天线罩加载于相控阵天线阵列之上，用于天线性能的改善。

2.根据权利要求1所述的一种“动中通”卫星移动通信天线，其特征在于所述的相控阵天线阵列采用多组分布结构。