CN103022691B - 一种新型“动中通”低轮廓平板天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型“动中通”低轮廓平板天线系统，包括天线辐射系统、射频极化系统、天线终端机械驱动系统、卫星指向、捕获、跟踪系统及室内单元。本发明的天线系统同时具有接收和发送水平极化信号、垂直极化信号的能力，在两块平板天线上实现了双频段、双极化的双工工作模式，在保证天线系统功能的同时大大减小了天线系统的体积和重量，而且本发明通过射频极化系统和天线终端机械系统混合电机和电子扫描，既能有效降低低轮廓平板天线系统的成本，又能保证对星的精度，卫星指向、捕获、跟踪系统对移动终端所在位置进行检测并通过天线终端机械驱动系统的精确控制，大大地提高了天线系统的对星、跟星精度，在行驶中保持通信的畅通。

Description

一种新型“动中通”低轮廓平板天线系统

技术领域

本发明涉及通信领域的一种卫星移动通信平板阵列天线终端系统，特别是一种适用于低轮廓卫星移动通信的设备系统。

背景技术

在卫星通信领域、特别是在静止状态使用的情况下，大多使用抛物面碟形天线，这类天线价格低廉，因而具有很大的市场。然而，由于卫星的距离遥远，不仅要求天线有很大的增益，而且需要有极高的对星精度。对于运动状态，而非静止状态下的应用（如，车船载或机载），要能在行驶中保持通信的畅通，系统就要复杂得多。

车载（船载或机载）卫星移动通信系统通常又称为“动中通”。动中通以往大多采用抛物面碟形天线，其致命缺点是轮廓高（即高度高），体积大、重量重、在行驶中阻力大、对星捕星速度慢，因而不适合在高速行驶的情况下使用。相对而言，平板天线具有低轮廓的优势，特别适合在高速行驶的载体上使用。平板天线通常包含有一块或多块平面辐射板及波束形成网络，每块板上有若干个辐射单元（211），波束形成网络可采用不同的技术（波导、电缆、微带、悬带线等）来实现。

为了使平板天线终端设备中的平板天线形成的电磁波束在运动中始终能对准卫星，一般可采用以下三种不同的方式来加以控制：完全用电机控制，又称全机械扫描；完全用电子控制（即用相移法实现），又称全电子扫描；混合电机与电子控制，又称混合扫描。通常，采用电机控制的系统成本最低廉；用相移法实现的系统因用到许多复杂的电子元器件，价格最昂贵；而用混合法实现的系统在成本、复杂性、轮廓高度和捕星速度方面则介于前两者之间。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种采用混合扫描技术实现在移动中对卫星进行对星及跟踪的新型“动中通”低轮廓平板天线系统。

本发明解决其问题所采用的技术方案是：

一种新型“动中通”低轮廓平板天线系统，其特征在于包括：

天线辐射系统，用于接收或发送卫星辐射信号，对卫星辐射信号进行合并接收或分散发送；所述天线辐射系统包括第一平板天线和第二平板天线，所述第一平板天线用于发送和接收卫星辐射信号，第二平板天线只用于接收卫星辐射信号，其中第一、第二平板天线均包括用于传输水平极化信号的水平极化信号传输通道和用于传输垂直极化信号的垂直极化信号传输通道； 

射频极化系统，与天线辐射系统连接，用于产生极化辐射信号或对辐射信号进行极化匹配，将高频辐射信号转换成模拟信号；

天线终端机械驱动系统，用于驱动天线辐射系统、控制天线辐射系统在俯仰面和方位面上的对星位置； 

卫星指向、捕获、跟踪系统，用于检测终端所在位置，并通过控制天线终端机械驱动系统对天线辐射系统进行控制及调节；

室内单元，用于接收经处理后的卫星信号数据、设定对星参数及控制天线系统的运行，所述室内单元分别与射频极化系统和卫星指向、捕获、跟踪系统连接。

本发明一种新型“动中通”低轮廓平板天线系统，采用双频段工作概念，其中天线辐射系统内的第一平板天线能同时发射和接收卫星辐射信号，与完全独立分开工作的天线相比，可使天线的尺寸明显减少，在第一平板天线的基础上设置有只用于接收卫星辐射信号的第二平板天线，不仅能有效提高天线的增益，而且不会使天线轮廓的高度增高，其中只有第一平板天线用于发射信号，这样不会因为两个平板天线同时发射信号而造成信号干扰，而在接收信号时，通过两个平板天线对信号进行接收，能提高信号的接收效率和接收信号的强度。第一、第二平板天线包括用于传输水平极化信号的水平极化信号传输通道和用于传输垂直极化信号的垂直极化信号传输通道，这让天线辐射系统同时具有接收和发送水平极化信号、垂直极化信号的能力，在两块平板天线上实现了双频段、双极化的双工工作模式，在保证天线系统功能的同时大大减少了天线系统的体积和重量，十分适合在车载卫星移动通信系统等高速行驶载体中使用。而且本发明通过射频极化系统和天线终端机械系统实现并混合电机和电子扫描，即混合扫描，既能有效降低低轮廓平板天线系统的成本，又能保证对星的精度，而且本发明通过卫星指向、捕获、跟踪系统对移动终端所在位置进行检测，并通过控制天线终端机械驱动系统精确控制，让平板天线准确对星，大大地提高了天线系统的对星、跟星精度，在行驶中保持通信的畅通。

进一步，所述第一平板天线置于第二平板天线的前方。这样的优点为，当平板天线发生倾斜时，所述第一平板天线发射的电磁波束不会因为受到遮挡而发生衰减，能保证天线系统所发射信号的质量。

进一步，所述第一、第二平板天线的信号发射/接收的法向与水平面的夹角为α，α根据俯仰面的波束扫描范围确定。平板天线可以通过对信号进行相移来调整信号发射和接收的角度，实现平板天线的电扫描，因此本发明通过射频极化系统对辐射信号的相位进行调节，即可可控制发射/接收信号的方向，实现预倾斜，其角度根据俯仰面的波束扫描范围确定，由于大多数卫星设置于赤道，而在中国地区属于北半球，卫星大多处于俯仰面的20°至70°的范围内，为了让平板天线能更快速地扫描该范围，便采用电扫描的方法对天线的发射信号进行预倾斜，这样通过机械转动使平板天线转动的角度将就会减小，同时天线转动的轮廓就会更低。因此，使平板天线的发射/接收信号的法向与平面夹角为α，便实现了预倾斜，从而能有效降低天线系统的高度，并加快天线对星的扫描速度。

优选地，所述第一、第二平板天线的信号发射/接收的法向与水平面的夹角为41°。对于扫描中心而言，通过预倾斜和机械旋转实现上述的扫描范围，当预倾斜的角度在45度时，其轮廓最低，然而采用45度预倾斜的平板天线进行扫描时，副瓣电平会增加，对于垂直极化尤其如此，为此，本发明的俯仰角扫描采用41度预倾角，既能满足低轮廓，又能保证扫描范围和扫描的精确度。

进一步，射频极化系统包括分别与第一平板天线和第二平板天线相对应的两个接收极化器、一个发送极化器、水平移相器、垂直移相器、时间延时模块、下变频器和高功率放大器；所述第一平板天线和第二平板天线内分别设置有水平低噪声放大器和垂直低噪声放大器，所述水平极化信号传输通道和垂直极化信号传输通道分别通过水平低噪声放大器和垂直低噪声放大器与接收极化器的信号输入端连接，两个接收极化器的输出端与时间延时模块的输入端连接，所述时间延时模块的输出端经过下变频器连接至室内单元的信号输入端；所述室内单元的信号输出端连接至发送极化器，水平移相器和垂直移相器的输入端连接至发送极化器的输出端，而水平移相器和垂直移相器的输出端则分别连接至第一平板天线的水平极化信号传输通道和垂直极化信号传输通道上。当发射信号时，室内单元的信号输出端输出的信号经高功率放大器放大后传输至极化器进行信号的极化，并分别通过水平移相器和垂直移相器产生水平极化信号和垂直极化信号，所述水平极化信号和垂直极化信号分别通过水平极化信号传输通道和垂直极化信号传输通道向外辐射。当接收信号时，平板天线的水平极化信号传输通道和垂直极化信号传输通道分别接收来自卫星的水平极化信号和垂直极化信号，并分别通过水平低噪声放大器和垂直低噪声放大器进行过滤及信号放大后连接至接收极化器，所述接收极化器对水平极化信号和垂直极化信号进行处理合并，将合并信号传输至时间延时模块，所述时间延时模块用于将两个平板天线的传输信号进行进一步合并处理，所述合并信号通过下变频器降频为一般模拟信号传输至室内单元。

进一步，所述第一平板天线和第二平板天线内的水平极化信号传输通道和垂直极化信号传输通道分别设置有用于选择平板天线发送、接收工作状态的双工器。所述双工器为受室内单元控制的通道选择开关，用于选择所述平板天线为发射工作状态还是接收工作状态，第一平板天线中的双工器的一端与平板天线内信号传输通道连接，另一端分别连接接收极化器或移相器，发射信号时，双工器选择信号传输通道与移相器连接，接收信号时，双工器选择信号传输通道与接收极化器连接；其中第二平板天线内的信号传输通道也设置有双工器，所述双工器与接收极化器连接，由于第二平板天线只用于接收信号，因此该双工器用于控制第二平板天线是否接收信号，当第一平板天线发射信号时，第二平板天线内的双工器断开信号传输，当两块平板天线接收信号时，第二平板天线内的双工器将信号传输通道和接收极化器连接起来。

进一步，所述射频极化系统还包括二进制功率检测器，所述二进制功率检测器的检测端与下变频器连接，输出端与室内单元的数据输入端连接。所述二进制功率检测器用于检测下变频器的功率转换信息，并形成二进制数字信号传输至室内单元，该设计让室内单元获知卫星辐射信号的接收情况，并根据信号情况对系统进行调整。

进一步，所述第一、第二平板天线采用多层复合结构，包括由多个辐射单元组成的天线辐射层、采用悬浮带状线进行功率分配或合并的第一功率信号配置层和采用波导进行功率分配或合并的第二功率信号配置层，所述天线辐射层、第一功率信号配置层和第二功率信号配置层依次相继连接，其中第一功率信号配置层包括至少一层悬浮带状线配置层，所述第二功率信号配置层包括至少一层波导配置层。悬浮带状线配置层通过悬浮带状线将各个辐射单元接收的辐射信号进行合并，波导配置层通过波导对悬浮带状线配置层的合并信号进一步地合并，最终形成一路信号输出至射频极化系统，悬浮带状线具有良好的柔软性，厚度十分小，能大大降低天线辐射板的厚度，实现天线的低轮廓，射频信号通过矩形波导实现了对信号的分配或合并，波导具有低损耗的特点，采用波导对信号进行分配或合并形成波束网络，能有效降低信号的损耗，使天线辐射板的精度大大提高，本发明通过悬浮带状线配置层和波导配置层对辐射信号进行配置或合并，采用平板分层结构，与传统抛物面碟形天线相比不仅轮廓低、体积小、重量轻，而且结合了悬浮带状线及波导两种技术，不仅能有效减小天线的厚度，实现低轮廓，而且能保证天线的精度，提高系统的性能。采用天线辐射阵列，该结构让系统具有网格形的辐射单元，这些辐射单元之间的距离很小，因而对星的角度比较大，功率损耗比较小，剖面高度比较低，旁瓣特性也比较好，特别适合于在车载（或船载）卫星移动通信系统，即“动中通”中使用，能在行驶状态下保持对卫星的指向、捕获和跟踪，有效提高天线终端的发射、接收效率，确保通信的畅通。

进一步，所述相邻两层的悬浮带状线配置层之间通过激励探针相互连接。所述激励探针为同轴TEM转换装置，其作用为连接相邻两层悬浮带状线配置层，由于悬浮带状线在俯仰面上对信号进行分配或合并，需要在方位面对两层的悬浮带状线进行连接，通过激励探针进行连接，能有效提高系统的EIRP和G/T值，因为与其它类型的功率分配网络相比，这种实现方式的功率损耗最小，能提高天线辐射板的精度。

进一步，所述天线终端机械驱动系统包括固定平台、用于驱动第一、第二平板天线在方位面上转动的水平转动系统和在俯仰面上调整平板天线角度的俯仰面驱动系统，所述天线辐射系统分别与水平转动系统和俯仰面驱动系统相连。

进一步，所述固定平台安装在移动设备上，水平转动系统固定在固定平台上，所述水平转动系统包括转动平台支座、转动支撑平台、用于驱动转动平台支座转动的水平传动组件、用于控制水平传动组件的水平转动电机和水平转动电机控制器，所述平板天线安装在转动支撑平台上，所述水平转动电机控制器、水平转动电机、水平传动组件和转动平台支座相继连接；所述俯仰面驱动系统包括用于带动平板天线在俯仰角方向转动的俯仰角转动机构、用于驱动控制俯仰角转动机构运动的俯仰角转动电机和俯仰角电机控制器，所述俯仰角电机控制器、俯仰角转动电机、俯仰角转动机构相继连接。上述水平转动电机控制器和俯仰角电机控制器直接受控于卫星指向、捕获、跟踪系统，在移动的过程中通过水平转动电机控制器和俯仰角电机控制器对水平转动系统和水平转动系统进行控制，控制平板天线在水平方向的转动角度和俯仰角转动的角度，从而实现让平板天线精确地对准卫星。

进一步，还包括用于保护低轮廓卫星天线的天线外壳，所述天线终端设备、固定平台、水平转动系统和俯仰面驱动系统设置于天线外壳内，所述天线外壳包括由ABS塑料制成的基座盒和设置于基座盒上的天线罩，所述天线罩包括使用玻璃纤维制成的天线罩外层和设置于天线罩内层的纸蜂窝层。天线罩的作用是对整个天线终端起保护作用，使之能在Ku频段正常工作，一方面对信号的衰减要小，另一方面能改善交叉极化性能，而且能与整个天线系统的其他部分相匹配。

进一步，所述第一平板天线、第二平板天线分别通过滚动轴承安装在俯仰面驱动系统上，其中第二平板天线上的转动轴比第一平板天线的转动轴要高。该设计可让两块平板天线指向高仰角时，两板之间的距离更接近，而当仰角较低时，两板之间的距离变得更远。这样，当平板天线指向高仰角时，副瓣电平比较低，而当平板天线指向低仰角时，前板对后板的遮挡会比较小，从而可提高接收增益。

进一步，所述天线辐射系统和射频极化系统均设置在天线终端机械驱动系统上。其中射频极化系统设置于水平转动系统上，当天线终端在方位面上转动时，天线辐射系统和射频极化系统同步转动，天线辐射系统和射频极化系统可通过波导固定连接，免除了线缆和连接线，不仅节省了材料，而且减少了由于传输引起的系统误差。

进一步，所述俯仰角转动机构包括分别设置在两个平板天线轴侧的第一皮带轮和第二皮带轮，和安装在俯仰角转动电机转子上的驱动轮，所述第一皮带轮、第二皮带轮分别通过皮带同时连接在驱动轮上，驱动轮通过皮带带动第一皮带轮和第二皮带轮转动，第一皮带轮和第二皮带轮的转速比为1：1。第一皮带轮和第二皮带轮的转速比为1：1，能让两块平板天线同步转动，让天线的指向更加准确。

进一步，卫星指向、捕获、跟踪系统包括用于提供天线终端当前的GPS地理位置信息和GPS航向信息的GPS系统、用于提供运动载体惯性信息的惯性测量单元、用于检测卫星功率信号大小的功率检测器和中央处理单元，所述中央处理单元分别与GPS系统、惯性测量单元、功率检测器和室内单元连接，所述中央处理单元还通过数据总线分别连接至天线终端机械驱动系统中的驱动电机，通过获取GPS地理位置信息、GPS航向信息、运动载体惯性信息和卫星功率信息获取卫星的准确位置，并通过控制天线终端机械驱动系统对天线辐射系统进行调节，让第一、第二平板天线能准确对星。中央处理单元通过GPS系统、惯性测量单元、功率检测器获取GPS地理位置信息、GPS航向信息、运动载体惯性信息和卫星功率信息，并根据这些信息控制天线实现卫星的准确指向，特别适用于混合电机与电子扫描结合的低轮廓天线终端，不仅能有效降低成本，而且准确性高，能在行驶的状态下保持对卫星的指向、捕获和跟踪，有效提高天线终端的发射、接收效率，确保通信的畅通。

进一步，所述卫星指向、捕获、跟踪系统还包括用于提供天线当前航向信息的磁罗盘，所述磁罗盘与中央处理单元连接提供持续的航向信号。当GPS系统检测不到当前运动载体的GPS航向信息时，通过磁罗盘获取航向信息，并根据该信息对卫星的位置进行估算，让天线依然能指向卫星，减少系统偏差，当 GPS航向信息恢复时，系统能迅速恢复工作状态。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

图1是本发明新型“动中通”低轮廓平板天线系统的整体系统框图。

图2是本发明天线辐射系统中平板天线的结构框图。

图3是本发明天线辐射系统及射频极化系统的系统连接结构框图。

图4是本发明射频极化系统中发送极化器及移相器的结构示意图。

图5是本发明天线终端机械驱动系统的系统结构框图。

图6是本发明天线终端机械驱动系统的整体结构示意图。

图7是本发明转动平台支座与转动支撑平台的安装示意图。

图8是本发明水平驱动系统的驱动示意图。

图9是图8 A处的放大图。

图10是本发明天线终端机械驱动系统的侧面视图。

图11是本发明俯仰面驱动系统的结构示意图。

图12是本发明天线罩的结构示意图。

图13是本发明卫星指向、捕获、跟踪系统的系统连接原理框图。

图14是本发明卫星指向、捕获、跟踪系统的工作流程图。

具体实施方式

参照图1所示，本发明的一种新型“动中通”低轮廓平板天线系统,是一种在Ku波段上实现“动中通”的双阵列收/发天线系统,主要由以下几个子系统组成，参照图1所示，包括天线辐射系统1、射频极化系统3、天线终端机械驱动系统4、卫星指向、捕获、跟踪系统5和室内单元6。所述天线辐射系统1与射频极化系统3连接，射频极化系统3通过天线辐射系统1接收或发送卫星辐射信号，天线辐射系统1和射频极化系统3安装在天线终端机械驱动系统4上，天线终端机械驱动系统4用于驱动天线辐射系统1指向卫星所在位置，所述天线终端机械驱动系统4安装在移动终端上，如设置于汽车，船只或飞机的表面。室内单元6与射频极化系统3连接，射频极化系统3用于对高频的天线辐射信号进行接收降频处理，并传输至室内单元6，而室内单元6也通过射频极化系统3产生射频极化信号，并通过天线辐射系统1进行辐射发送。

为了让天线辐射系统1准确地对星，需要对天线辐射系统1进行精确的机械控制，并调节射频极化系统3，使其更好地对信号进行接收或发送，还设置有卫星指向、捕获、跟踪系统5，所述卫星指向、捕获、跟踪系统5分别与射频极化系统3和天线终端机械驱动系统4连接，通过检测当前移动终端的航向、惯性信息，对射频辐射系统和天线终端机械驱动系统4进行控制及调整，使其准确对星。

以下对各个子系统进行详细的描述：

参照图1所示，本发明中天线辐射系统1设置有两块平板天线，分别为第一平板天线11和第二平板天线12，设置有两块平板天线能有效提高天线的增益、提高信号的接收效率，而为了保证发射信号时，信号不会受到干扰，其中第一平板天线11具有发送和接收卫星辐射信号的能力，而第二平板天线12只具有接收卫星辐射信号的能力。本发明在一块平板天线上即可实现信号的接收和发送，与完全独立分开工作的天线相比，可有效减少平板天线的数量，减少天线系统的体积，而且采用平板天线具有低轮廓的优点，适合于在移动终端上使用。尽管第一平板天线11和第二平板天线12的功能不完全相同，但为了简化设计并降低加工成本，第一平板天线11和第二平板天线12具有相同的结构，而为了实现天线系统的双频段、双极化的双工操作模式，参照图2所示，为其中一块平板天线的结构框图，所述第一平板天线11和第二平板天线12均包括用于传输水平极化信号的水平极化信号传输通道22和用于传输垂直极化信号的垂直极化信号传输通道23，让第一、第二平板天线11、12具有传输水平、垂直极化卫星辐射信号的能力，大大扩展了天线传输、及发送信号的能力，提高了天线系统的实用性。

更具体地，参照图2所示，所述平板天线为由多层板状结构复合而成，该设置能有效减小平板天线的体积，降低天线系统的轮廓高度，其中平板天线包括天线辐射层21、水平极化信号传输通道22、垂直极化信号传输通道23，其中天线辐射层21为由多个辐射单元211排列而成的天线辐射阵列，所述水平极化信号传输通道22和垂直极化信号传输通道23分别与所述的辐射单元211连接，每个辐射单元211能对卫星辐射信号进行接收，其中接收到水平极化信号传输至水平极化信号传输通道22，接收到的垂直极化信号传输至垂直极化信号传输通道23，而发送时，则通过水平极化信号传输通道22或垂直极化信号传输通道23向辐射单元211辐射出各自的信号，其中水平极化信号传输通道22和垂直极化信号传输通道23的结构相同，用于对多个辐射单元211的接收、发送信号进行合并或分配，区别在于辐射单元211设置有不同的谐振端口，连接至水平极化谐振端口的为水平极化信号传输通道22，连接至垂直极化谐振端口的为垂直极化信号传输通道23，由于两个通道结构相同，因此以下只针对一个信号传输通道进行描述。

所述水平极化信号传输通道22或垂直极化信号传输通道23包括由一个以上悬浮带状线配置层241组成的第一功率信号配置层24、由一个以上波导配置层251组成的第二功率信号配置层25、双工器26和低噪声放大器，其中设置于水平极化信号传输通道22内的为水平低噪声放大器27，设置于垂直极化信号传输通道23内的为垂直低噪声放大器28，所述天线辐射层21、第一功率信号配置层24、第二功率信号配置层25、双工器26和低噪声放大器依次相继连接，所述低噪声放大器的信号输出端连接至射频极化系统3。所述低噪声放大器用于对输出信号进行低噪声放大处理，对信号进行滤波，得出更加纯净的信号。所述双工器26相当于一个单刀双闸开关，用于选择平板天线处于发送或接收状态，其具体工作过程将在下文结合射频极化系统3加以说明。

所述悬浮带状线配置层241和波导配置层251的层数可根据辐射单元211的数量进行调节，该设计能提高天线辐射系统1生产组装的效率和提高卫星信号合并/分配的效率，悬浮带状线配置层241通过悬浮带状线将各个辐射单元211接收的辐射信号进行合并，波导配置层251通过波导对悬浮带状线配置层241的合并信号进一步地合并，最终形成一路信号输出至射频极化系统3，悬浮带状线具有良好的柔软性，厚度十分小，能大大降低天线辐射板的厚度，实现天线的低轮廓，波导配置层251内通过矩形波导实现对信号的分配或合并，波导具有低损耗的特点，采用波导对信号进行分配或合并形成波束网络，能有效降低信号的损耗，使天线辐射板的精度大大增加，本发明通过悬浮带状线配置层241和波导配置层251对辐射信号进行配置或合并，采用平板分层结构，与传统抛物面碟形天线相比不仅轮廓低、体积小、重量轻，而且结合了悬浮带状线及波导两种技术，不仅能有效降低天线的厚度，实现低轮廓，而且能保证天线的精度，提高系统的性能。采用天线辐射阵列，该结构让系统具有网格形的辐射单元211，这些辐射单元211之间的距离很小，因而对星的角度比较大，功率损耗比较小，剖面高度比较低，旁瓣特性也比较好，特别适合于在车载（或船载）卫星移动通信系统，即“动中通”中使用，能在行驶状态下保持对卫星的指向、捕获和跟踪，确保通信的畅通，有效提高天线终端的发射、接收效率，保持通信的畅通。

作为上述的进一步改进，所述相邻两层的悬浮带状线配置层241之间通过激励探针相互连接。所述激励探针为同轴TEM转换装置，其作用为连接相邻两层悬浮带状线配置层241，由于悬浮带状线在俯仰面上对信号进行分配或合并，需要在方位面对两层的悬浮带状线进行连接，通过激励探针连接，能有效提高系统的EIRP和G/T值，因为与其它类型的功率分配网络相比，这种实现方式的功率损耗最小，能提高天线辐射板的精度。

参照图3所示，射频极化系统3用于接收来自天线辐射系统1的卫星极化辐射信号或向天线辐射系统1发送卫星极化辐射信号，其包括极化接收模块和极化发送模块，其中极化接收模块包括分别与第一平板天线11、第二平板天线12对应的两个接收极化器31、依次相继连接的时间延时模块32和下变频器33，下变频器33的输出端连接至室内单元6，所述两个接收极化器31分别置于第一平板天线11和第二平板天线12的最下层，其输出端连接至时间延时模块32的输入端，还包括二进制功率检测器56，所述二进制功率检测器56与下变频器33连接，所述接收极化器31的输入端分别与水平低噪声放大器27和垂直低噪声放大器28的极化信号输出端连接，接收信号时，平板天线的水平极化信号传输通道22和垂直极化信号传输通道23分别接收来自卫星的水平极化信号和垂直极化信号，分别对来自辐射单元211的接收信号进行层层合并，并分别通过水平低噪声放大器27和垂直低噪声放大器28进行过滤及信号放大后连接至接收极化器31，所述接收极化器31对水平极化信号和垂直极化信号进行处理合并，将合并信号传输至时间延时模块32，所述时间延时模块32用于将第一、第二平板天线11、12的输出传输信号进行进一步合并处理，所述合并信号通过下变频器33降频为一般模拟信号传输至室内单元6的信号输入端。

所述极化发送模块包括高功率放大器34、发送极化器35、水平移相器36和垂直移相器37，所述室内单元6的信号输出端、高功率放大器34、发送极化器35依次相继连接，其中发送极化器35的输出端分别连接有水平移相器36和垂直移相器37，所述水平移相器36和垂直移相器37分别用于传输水平极化信号和垂直极化信号，其中水平移相器36的信号输出端连接至第一平板天线11内水平极化信号传输通道22内的双工器26上，所述垂直移相器37连接至第一平板天线11内垂直极化信号传输通道23的双工器26上，以第一平板天线11内水平极化信号传输通道22的双工器26为例，所述双工器26的一端与第二功率信号配置层25连接，而另一端分别与水平移相器36和水平低噪声放大器27连接，发射信号时，双工器26选择信号传输通道与移相器连接，接收信号时，双工器26选择信号传输通道与接收极化器31连接；其中第二平板天线12内的双工器26与接收极化器31连接，由于第二平板天线12只用于接收信号，因此该双工器26用于控制第二平板天线12是否接收信号，当第一平板天线11发射信号时，第二平板天线12内的双工器26断开信号传输，当接收信号时，第二平板天线12内的双工器26连接信号传输通道和接收极化器31。

当发送信号时，水平极化信号传输通道22和垂直极化信号传输通道23内的双工器26分别选择连通水平移相器36、垂直移相器37，室内单元6的信号输出端输出的信号经高功率放大器34放大后传输至极化器进行信号的极化，并分别通过水平移相器36和垂直移相器37产生水平极化信号和垂直极化信号，所述水平极化信号和垂直极化信号分别通过水平极化信号传输通道22和垂直极化信号传输通道23传输至天线辐射层21进行辐射，其中所述高功率放大器34由高功率放大控制器341控制。

进一步，参照图4所示，所述发送极化器35为方形波导光圈式极化器，采用波导极化技术的方形波导光圈式极化器，其结构紧凑、坚固，具有极好的电性能，所述发送极化器35连接有极化控制电机351，所述极化控制电机351用于控制极化器的旋转角度，从而对极化信号进行控制。所述接收极化器31为电子极化器，采用电子极化器能有效减少平板天线的体积并降低天线系统的轮廓高度。

在发射极化信号中，对极化信号的相位控制十分重要，它至少需要补偿由天线罩71引起的水平极化信号和垂直极化信号之间的相位差，因此，所述垂直移相器37为可变移相器，水平移相器36为固定移相器，所述可变移相器由相位控制电机371和滑动波导组成，所述相位控制电机371控制滑动波导在传输波导中的位置，从而对垂直极化信号的相位进行调节，补偿由天线罩71引起的相位差。

参照图5至图11所示，所述天线终端机械驱动系统4用于驱动并控制天线辐射系统1在俯仰面和方位面上的对星位置，其中包括固定在移动终端上的固定平台43，设置于固定平台43上、用于驱动第一、第二平板天线11、12在方位面上转动的水平转动系统41和在俯仰面上调整平板天线角度的俯仰面驱动系统42，所述水平转动系统41包括转动平台支座411、转动支撑平台412、用于驱动转动平台支座411转动的水平传动组件413、用于控制水平传动组件413的水平转动电机414和水平转动电机控制器415，所述平板天线安装在转动支撑平台412上，所述水平转动电机控制器415、水平转动电机414、水平传动组件413和转动平台支座411相继连接；所述俯仰面驱动系统42包括用于带动平板天线在俯仰角方向转动的俯仰角转动机构421、用于驱动控制俯仰角转动机构421运动的俯仰角转动电机422和俯仰角电机控制器423，所述俯仰角电机控制器423、俯仰角转动电机422、俯仰角转动机构421相继连接。上述水平转动电机控制器415和俯仰角电机控制器423直接受控于卫星指向、捕获、跟踪系统5。

优选地，所述天线辐射系统1和射频极化系统3均设置在天线终端机械驱动系统4上。其中射频极化系统3设置于水平转动系统41上，当天线终端在方位面上转动时，天线辐射系统1和射频极化系统3同步转动，天线辐射系统1和射频极化系统3可通过波导固定连接，免除了线缆和连接线，不仅节省了材料，而且减少了由于传输引起的系统误差，提高系统的精确度。

更具体地，所述转动平台支座411为安装在固定平台43上的转动金属环，所述金属环的外侧面设置有轮齿400，所述水平传动组件413包括带轮401和传动皮带402，所述传动皮带402的一端安装在带轮401上，另一端连接至水平转动电机414的转子上，所述带轮401上设置有与带轮401同步转动的传动齿轮403，所述传动齿轮403与金属环的轮齿400啮合连接。当水平转动电机414转动时，通过电机的转子带动传动皮带402转动，传动皮带402带动带轮401转动，让带轮401上的传动齿轮403控制金属环的转动，从而实现控制转动平台支座411在水平方向的转动。该设置不仅在转动时其受力更加平均，运行更加稳定，而且通过特有的传动系统对金属环的转动角度进行控制，与一般的控制方式相比其相应速度快，而且精确度高。

更具体地，参照图11所示，第一、第二平板天线11、12分别通过两个铝质支架416安装在转动支撑平台412上，铝质支架416上设置有滚珠轴承，平板天线的转动轴通过滚珠轴承安装在铝质支架416上；所述俯仰角转动机构421包括分别设置在两个平板天线轴侧的第一皮带轮111和第二皮带轮121，和安装在俯仰角转动电机422转子上的驱动轮424，所述第一皮带轮111、第二皮带轮121分别通过皮带同时连接在驱动轮424上，驱动轮424通过皮带带动第一皮带轮111和第二皮带轮121转动，第一皮带轮111和第二皮带轮121的转速比为1：1，该设置能让两块平板天线同步转动，让天线的指向更加准确。

参照图10所示，所述第一平板天线11置于第二平板天线12的前方。这样的优点为，当平板天线发生倾斜时，所述第一平板天线11发射的电磁波束不会因为受到遮挡而发生衰减，能保证天线系统所发射信号的质量。所述第二平板天线12上的转动轴比第一平板天线11的转动轴要高，即第二皮带轮121比第一皮带轮111所在的位置要高。该设计可让两块平板天线指向高仰角时，让两板之间的距离更接近，而当仰角较低时，两板之间的距离变得更远。这样，当平板天线指向高仰角时，副瓣电平比较低，而当平板天线指向低仰角时，前板对后板的遮挡会比较小，从而可提高接收增益。

进一步地，所述第一、第二平板天线11、12的信号发射/接收的法向与水平面的夹角为α，α根据俯仰面的波束扫描范围确定。平板天线可以通过对信号进行相移来调整信号发射和接收的角度，实现平板天线的电扫描，因此本发明通过射频极化系统3对辐射信号的相位进行调节，即可控制发射/接收信号的方向，实现预倾斜，其角度根据俯仰面的波束扫描范围确定，由于大多数卫星设置于赤道，而在中国地区属于北半球，卫星大多处于俯仰面的20°至70°的范围内，为了让平板天线能更快速地扫描该范围，便采用电扫描的方法对天线的发射信号进行预倾斜，这样通过机械转动使平板天线转动的角度将就会减小，同时天线转动的轮廓就会更低。因此，使平板天线的发射/接收信号的法向与平面夹角为α，便实现了预倾斜，从而能有效降低天线系统的高度，并加快天线对星的扫描速度。。

优选地，所述第一、第二平板天线11、12的信号发射/接收的法向与水平面的夹角为41°。对于扫描中心而言，通过预倾斜和机械旋转实现上述的扫描范围，当预倾斜的角度在45度时，其轮廓最低，然而当采用45度的预倾斜的平板天线进行扫描时，副瓣电平会增加，对于垂直极化尤其如此，为此，本发明的俯仰角扫描采用41度预倾角，既能满足低轮廓，又能保证扫描范围和扫描的精确度。

参照图12所示，本发明低轮廓平板天线系统还包括用于对平板天线、射频极化系统3和天线终端机械驱动系统4进行保护的天线外壳7，所述天线辐射系统1、射频极化系统3、固定平台43、水平转动系统41和俯仰面驱动系统42设置于天线外壳7内，所述天线外壳7包括由ABS塑料制成的基座盒72和设置于基座盒72上的天线罩71，所述天线罩71包括使用玻璃纤维制成的天线罩71外层和设置于天线罩71内层的纸蜂窝层。天线罩71的作用是对整个天线终端起保护作用，使之能在Ku频段正常工作，一方面对信号的衰减要小，另一方面能改善交叉极化性能，而且能与整个天线系统的其他部分相匹配。

本发明低轮廓平板天线系统由于是应用于移动终端上的，因此在移动时需要卫星指向、捕获、跟踪系统5不断对天线系统进行控制，使其能准确对星，这需要对系统的机械转动方向、输出极化信号的功率、相位进行自适应的控制，其中天线终端机械驱动系统4需要对天线辐射系统1的俯仰面和方位面上的指向进行控制，其分别通过水平转动电机414和俯仰角转动电机422来实现的，而在极化系统中，通过高功率放大控制器341、极化控制电机351和相位控制电机371对极化信号的功率、相位进行控制，根据移动终端的位置对天线辐射信号进行调整。

参照图13所示，本发明卫星指向、捕获、跟踪系统5包括用于提供天线终端当前的GPS地理位置信息和GPS航向信息的GPS系统52、用于提供运动载体惯性信息的惯性测量单元54、用于检测卫星功率信号大小的功率检测器56和中央处理单元51，所述中央处理单元51分别与GPS系统52、惯性测量单元54、功率检测器56和室内单元6连接，所述中央处理单元51还通过数据总线分别通过各自的电机控制器连接水平转动电机414、俯仰角转动电机422、极化控制电机351、相位控制电机371，通过微机控制器连接高功率放大控制器341，对天线系统进行控制，卫星指向、捕获、跟踪系统5工作时，通过获取GPS地理位置信息、GPS航向信息、运动载体惯性信息和卫星功率信息获取卫星的准确位置，并通过控制天线终端机械驱动系统4对天线辐射系统1进行调节，让第一、第二平板天线11、12能准确对星。中央处理单元51通过GPS系统52、惯性测量单元54、功率检测器56获取GPS地理位置信息、GPS航向信息、运动载体惯性信息和卫星功率信息，并根据这些信息控制天线实现卫星的准确指向，特别适用于混合电机与电子扫描结合的低轮廓天线终端，不仅能有效降低成本，而且准确性高，能在行驶的状态下保持对卫星的指向、捕获和跟踪，有效提高天线终端的发射、接收效率，确保通信的畅通。

进一步，所述卫星指向、捕获、跟踪系统5还包括用于提供天线当前航向信息的磁罗盘53，所述磁罗盘53与中央处理单元51连接提供持续的航向信号。当GPS系统52检测不到当前运动载体的GPS航向信息时，通过磁罗盘53获取航向信息，并根据该信息对卫星的位置进行估算，让天线依然能指向卫星，减少系统偏差，当 GPS航向信息恢复时，系统能迅速恢复工作状态。

参照图14所示，卫星指向、捕获、跟踪系统5的具体操作过程如下：卫星指向、捕获、跟踪系统5通过GPS系统52获取移动终端所在的GPS地理位置信息和GPS航向信息，通过惯性测量单元54获取当前移动终端的运动载体惯性信息，通过卡尔曼滤波器计算获得天线的准确航向信息，所述卡尔曼滤波器是一组数学计算公式，它通过迭代计算方法来估计一种过程的状态，使均方差最小。在滤波器的每一次迭代过程中，根据来自GPS系统52和惯性测量单元54的测量值，对状态进行一次重新估算，从GPS系统52和惯性测量单元54读出的频率有很大不同，GPS系统52是1Hz，惯性测量单元54则是100Hz。既然卡尔曼滤波器采用了较高的频率100Hz ，于是滤波器每秒钟便进行100次迭代运算。由于在这些迭代过程中并没有得到从GPS系统52读出的数据，因而就认为该数值就等于在上一次迭代时由惯性测量单元54提供的航向值。此过程不断持续下去，直到读出新的GPS数据为止。

得到准确的航向信息后，中央处理单元51通过总线接口58分别通过天线终端机械驱动系统4、天线辐射系统1内的各个电机控制器控制天线辐射系统1的转向和天线辐射信号的功率、相位等信号参数，使其能准确对星，天线辐射系统1准确对星后，卫星指向、捕获、跟踪系统5通过最大功率算法估算指向误差及对天线进行微调实现对卫星的捕获及跟踪，其中中央处理单元51每10毫秒对天线坐标的卫星的位置和极化进行一次计算，并将数据送至电机控制器，即可控制天线的指向，并对惯性运动进行补偿，在对惯性运动进行补偿的同时，通过最大功率计算方法算出误差，具体地，所述最大功率计算方法为通过在卫星理论指向位置点附近进行少量偏移，测量由此引起的功率变化，并估算指向误差，根据误差微调天线的指向位置，最终可实现精确指向。由于运动载体在行驶的过程中需要不断对天线的位置进行调整，因此在处理过程中产生的误差将不断地积累，其结果是导致天线只能指向卫星的理论位置附近，而不能准确地指向卫星。最大功率计算方法是根据接收到的信号功率电平来修正所产生的指向误差，即在每个方向轴上进行少量的偏移变化，然后观察所检测的功率信号是增加还是减少，不仅在方位角和俯仰角上进行少量偏移，而且在天线的移相器中也进行少量的偏移，这样能大大改善接收效果，通过稍微改变移相器的相位，同时平板天线接收信号的电相位也相应改变，通过其检测的功率误差即可估算出天线的误差，进行修正，让天线始终对准卫星信号功率最大的方位，从而实现准确的指向和对卫星的捕获、跟踪。

还包括供用户进行操作的用户操作界面8，所述用户操作界面8通过室内单元6与卫星指向、捕获、跟踪系统5进行连接，用户可以通过用户操作界面8获取系统的控制信息，中央处理单元51通过局域网与用户端连接，用户通过局域网对系统进行控制和参数的设置。用户可通过用户操作界面直接输入所需指向的卫星的相关参数，控制天线辐射系统1的指向。 

进一步，当天线指向卫星时，功率检测器56所检测的卫星功率信息高于由实验确定的预设门限值且锁定卫星时，便认为天线已经位于安全的发射区域，这时才打开射频功率放大器的开关，允许天线发射信号，否则禁止发射。该设计能有效避免天线对相邻卫星的影响，提高系统的稳定性和实用性。

进一步，还包括用于检测某个卫星的模拟连续、窄带信号功率的信标检测器57，所述信标检测器57输出端与中央处理单元51连接。信标检测器57用于检测指定卫星的功率信号，在对卫星锁定后，进行最大功率计算时采用信标检测器57所检测的卫星功率信号能让天线更加精确地对准卫星。

进一步，还包括提供锁定信号、输出功率、状态信息的调制解调器55，所述调制解调器55与中央处理单元51连接。通过调制解调器55对卫星功率信号进行解调，能实现快速检测卫星信号的快速处理，并可方便实现对卫星的锁定。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种新型“动中通”低轮廓平板天线系统，其特征在于包括：

天线辐射系统（1），用于接收或发送卫星辐射信号，对卫星辐射信号进行合并接收或分散发送；所述天线辐射系统（1）包括第一平板天线（11）和第二平板天线（12），所述第一平板天线（11）用于发送和接收卫星辐射信号，第二平板天线（12）只用于接收卫星辐射信号，其中第一、第二平板天线（11、12）均包括用于传输水平极化信号的水平极化信号传输通道（22）和用于传输垂直极化信号的垂直极化信号传输通道（23）； 

射频极化系统（3），与天线辐射系统（1）连接，用于产生极化辐射信号或对辐射信号进行极化匹配，将高频辐射信号转换成模拟信号；

天线终端机械驱动系统（4），用于驱动天线辐射系统（1）、控制天线辐射系统（1）在俯仰面和方位面上的对星位置； 

卫星指向、捕获、跟踪系统（5），用于检测终端所在位置，并通过控制天线终端机械驱动系统（4）对天线辐射系统（1）进行控制及调节；

室内单元（6），用于接收经处理后的卫星信号数据、设定对星参数及控制天线系统的运行，所述室内单元（6）分别与射频极化系统（3）和卫星指向、捕获、跟踪系统（5）连接；

射频极化系统（3）包括分别与第一平板天线（11）和第二平板天线（12）相对应的两个接收极化器（31）、一个发送极化器（35）、水平移相器（36）、垂直移相器（37）、时间延时模块（32）、下变频器（33）和高功率放大器（34）；所述第一平板天线（11）和第二平板天线（12）内分别设置有水平低噪声放大器（27）和垂直低噪声放大器（28），所述水平极化信号传输通道（22）和垂直极化信号传输通道（23）分别通过水平低噪声放大器（27）和垂直低噪声放大器（28）与接收极化器（31）的信号输入端连接，两个接收极化器（31）的输出端与时间延时模块（32）的输入端连接，所述时间延时模块（32）的输出端经过下变频器（33）连接至室内单元（6）的信号输入端；所述室内单元（6）的信号输出端连接至发送极化器（35），水平移相器（36）和垂直移相器（37）的输入端连接至发送极化器（35）的输出端，而水平移相器（36）和垂直移相器（37）的输出端则分别连接至第一平板天线（11）的水平极化信号传输通道（22）和垂直极化信号传输通道（23）上；

所述第一、第二平板天线（11、12）的信号发射/接收的法向与水平面的夹角为α，α根据俯仰面的波束扫描范围确定。

2.根据权利要求1所述的一种新型“动中通”低轮廓平板天线系统，其特征在于：所述第一、第二平板天线（11、12）的信号发射/接收的法向与水平面的夹角为41°。

3.根据权利要求1所述的一种新型“动中通”低轮廓平板天线系统，其特征在于：所述第一平板天线（11）和第二平板天线（12）内的水平极化信号传输通道（22）和垂直极化信号传输通道（23）分别设置有用于选择平板天线发送、接收工作状态的双工器（26）。

4.根据权利要求1所述的一种新型“动中通”低轮廓平板天线系统，其特征在于：所述第一、第二平板天线（11、12）采用多层复合结构，包括由多个辐射单元（211）组成的天线辐射层（21）、采用悬浮带状线进行功率分配或合并的第一功率信号配置层（24）和采用波导进行功率分配或合并的第二功率信号配置层（25），所述天线辐射层（21）、第一功率信号配置层（24）和第二功率信号配置层（25）依次相继连接，其中第一功率信号配置层（24）包括至少一层悬浮带状线配置层（241），所述第二功率信号配置层（25）包括至少一层波导配置层（251）。

5.根据权利要求1所述的一种新型“动中通”低轮廓平板天线系统，其特征在于：所述天线终端机械驱动系统（4）包括固定平台（43）、用于驱动第一、第二平板天线（11、12）在方位面上转动的水平转动系统（41）和在俯仰面上调整平板天线角度的俯仰面驱动系统（42），所述天线辐射系统（1）分别与水平转动系统（41）和俯仰面驱动系统（42）。

6.根据权利要求5所述的一种新型“动中通”低轮廓平板天线系统，其特征在于：所述第一平板天线（11）、第二平板天线（12）分别通过滚动轴承安装在俯仰面驱动系统（42）上，其中第二平板天线（12）上的转动轴比第一平板天线（11）的转动轴要高。

7.根据权利要求1或6所述的一种新型“动中通”低轮廓平板天线系统，其特征在于：所述天线辐射系统（1）和射频极化系统（3）均设置在天线终端机械驱动系统（4）上。

8.根据权利要求1所述的一种新型“动中通”低轮廓平板天线系统，其特征在于：卫星指向、捕获、跟踪系统（5）包括用于提供天线终端当前的GPS地理位置信息和GPS航向信息的GPS系统（52）、用于提供运动载体惯性信息的惯性测量单元（54）、用于检测卫星功率大小的功率检测器（56）和中央处理单元（51），所述中央处理单元（51）分别与GPS系统（52）、惯性测量单元（54）、功率检测器（56）和室内单元（6）连接，所述中央处理单元（51）还通过数据总线分别连接至天线终端机械驱动系统（4）中的驱动电机，通过获取GPS地理位置信息、GPS航向信息、运动载体惯性信息和卫星功率信息获取卫星的准确位置，并通过控制天线终端机械驱动系统（4）对天线辐射系统（1）进行调节。