CN103022699B - 星载反射面稀疏相控阵多波束天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种星载反射面稀疏相控阵多波束天线，属于天线技术领域。包括偏置抛物反射面、馈源阵列和总控制电路；馈源阵列的馈电幅度和相位由总控制电路来控制，馈源阵列辐射出的电磁波经过偏置抛物反射面进行汇聚，然后辐射到空间中。本发明所需天线馈源单元较少，波束可以相控，可广泛应用于星载通信、探测、定位系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种星载反射面稀疏相控阵多波束天线，属于天线技术领域。
背景技术
随着信息技术的发展，星载信息系统在未来社会的发展中起着越来越重要的应用，一个性能良好的星载通信、探测、定位系统对天线有较高的要求。
星载多波束天线是一种能产生两个以上锐波束的天线，这些锐波束能以高增益覆盖特定空域，多波束天线可以实现多次频率复用，使通信容量大为增加、提高卫星发射的EIRP、抗干扰性，天线在轨生存能力强。近年来，地球同步轨道卫星数目越来越多，星载多波束天线的应用也越来越广泛。传统星载多波束天线一般采用二个以上非相控馈源和反射面组合而成，但其波束空间覆盖率低、波束指向不变。一般相控阵天线是一种平面型、波束指向变化快速的阵列天线，大型相控阵馈电网络复杂、实现难度大、成本高。
发明内容
本发明针对现有技术的上述缺陷，结合星载多波束天线的需求，基于相控阵和反射面天线的原理，提出一种星载反射面稀疏相控阵多波束天线。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的星载反射面稀疏相控阵多波束天线，包括偏置抛物反射面、馈源阵列和总控制电路，馈源阵列的馈电幅度和相位由总控制电路来控制，馈源阵列辐射出的电磁波经过偏置抛物反射面进行汇聚，然后辐射到空间中；
总控制电路包括控制电路a、控制电路b、控制电路c、控制电路d、控制电路e、控制电路f、控制电路g；
偏置抛物反射面为金属或者碳纤维加工而成，偏置抛物反射面的偏置角为θ；馈源阵列含有7个馈源子阵列，每个馈源子阵列又由七个子馈源组成；
子馈源可以是圆锥喇叭天线、螺旋天线或介质棒天线；相邻馈源子阵列辐射口面中心之间连线构成正三角形，相邻子馈源辐射口面中心连线也构成正三角形；每个子馈源接有收发组件(T/R)，收发组件(T/R)由总控制电路实时控制。
所述的偏置抛物反射面的材料为铝，表面镀金处理；
所述的子馈源是圆锥喇叭天线，材料为铜，表面镀金处理；圆锥喇叭天线的馈电端口与收发组件(T/R)通过电缆连接，收发组件(T/R)再由总控制电路实时控制；
所述的偏置抛物反射面的焦距F=(0.5～1)φ，φ为偏置抛物反射面的辐射口径，即将偏置抛物反射面进行投影所得到的圆的直径；
所述的馈源阵列与水平面成倾角放置，使偏置抛物反射面的焦点与馈源阵列的辐射口面中心重合；所述的倾角为90°-θ。
有益效果
本发明的天线工作带宽优于3GHz(24GHz～38GHz频带内)或相对带宽12.5％，驻波小于1.2，增益大于44dB；7个馈源子阵列中位于中心的那个馈源子阵列作为馈源相控扫描时，波束指向-5°～5°，增益变化小于1dB；除位于中心的那个馈源子阵列外，另外6个馈源子阵列作为馈源相控扫描时，波束指向2.5°～12.5°，增益变化小于1dB；波束扫描角余量充足，当卫星位于地球同步轨道时，天线波束可以快速扫描以整个地球为边界的视场角约等于17°锥角空域；
本发明是基于相控阵和反射面多波束天线理论提出的，具有相控阵天线快速扫描的特性；相对于传统非相控反射面多波束天线，在覆盖同等立体角提前下，所需馈源数量大大减少，降低了星载天线成本；反射面采用偏置形式，保证了良好的驻波特性，提高了天线辐射效率；
本发明天线波束可以相控，可广泛应用于星载通信、探测、定位系统。
附图说明
图1是本发明的天线的结构示意图；
图2是本发明实施例中馈源阵列辐射口面排布示意图；
图3是本发明实施例中子馈源结构示意图；
图4是本发明实施例馈源子阵列控制方式示意图；
图5是本发明实施例馈源阵列控制方式示意图；
图6是本发明实施例星载天线波束对地球覆盖效果示意图；
图7是本发明子馈源在f0±1.5GHz电压驻波比曲线；
图8是本发明中心馈源子阵列在f0-1.5GHz频点相扫方向图；
图9是本发明中心馈源子阵列在f0频点相扫方向图；
图10是本发明中心馈源子阵列在f0+1.5GHz频点相扫方向图；
图11是本发明边缘馈源子阵列在f0-1.5GHz频点相扫方向图；
图12是本发明边缘馈源子阵列在f0频点相扫方向图；
图13是本发明边缘馈源子阵列在f0+1.5GHz频点相扫方向图；
图中：
1—偏置抛物反射面
2—馈源阵列
21—中心馈源子阵列
22～27—边缘馈源子阵列
28—馈源子阵列相扫波束范围圆
29—馈源阵列相扫波束范围圆
3—偏置抛物反射面与馈源阵列在xoy面内投影
4—馈源阵列控制电路
5—子馈源辐射口面
6—子馈源馈电端口
7—地球
H1—偏置抛物反射面静距
H2—偏置抛物反射面垂直高度
F—偏置抛物反射面焦距
θ—偏置反射面的偏置角
φ—偏置抛物反射面辐射口径。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
实施例
星载反射面稀疏相控阵多波束天线，如图1所示，包括偏置抛物反射面1、馈源阵列2和总控制电路4，馈源阵列2的馈电幅度和相位由总控制电路4来控制，馈源阵列2辐射出的电磁波经过偏置抛物反射面1进行汇聚，然后辐射到空间中；从偏置抛物反射面1辐射出的电磁波的方向为+Z轴方向；偏置抛物反射面1和馈源阵列2在X0Y面的投影为两个圆，其中，偏置抛物反射面1的投影的圆的直径为φ；其中，偏置抛物反射面1的焦距为F，偏置抛物反射面1的静距为H1，偏置抛物反射面1的垂直高度为H2；偏置抛物反射面1的偏置角为θ；
如图5所示，总控制电路4包括控制电路a、控制电路b、控制电路c、控制电路d、控制电路e、控制电路f、控制电路g；
偏置抛物反射面1为金属加工而成；
如图2所示，馈源阵列2含有7个馈源子阵列，分别为馈源子阵列21、馈源子阵列22、馈源子阵列23、馈源子阵列24、馈源子阵列25、馈源子阵列26、馈源子阵列27，馈源子阵列21由控制电路a进行控制，依次类推，馈源子阵列27由控制电路g进行控制；
每个馈源子阵列又由七个子馈源组成；子馈源是圆锥喇叭天线；相邻馈源子阵列辐射口面中心之间连线构成正三角形，相邻子馈源辐射口面中心连线也构成正三角形；每个子馈源接有收发组件(T/R)，收发组件(T/R)由总控制电路4实时控制；材料为铜，表面镀金处理；圆锥喇叭天线的馈电端口与收发组件(T/R)通过电缆连接；
如图3所示，子馈源的主体为金属腔，金属腔从上往下由圆锥、圆柱、方圆过渡结构和长方体构成；金属腔的上端面为辐射口面5，金属腔的下端面为馈电端口6；辐射口面5的截面积大于馈电端口6的截面积；
所述的偏置抛物反射面1的材料为铝，表面镀金处理；
所述的偏置抛物反射面1的焦距F=(0.5～1)φ；
所述的馈源阵列2与水平面成倾角放置，使偏置抛物反射面1的焦点与馈源阵列2的辐射口面中心重合；所述的倾角为90°-θ；
如图4所示，正六边形的六个顶点上均匀布置了六个子馈源，正六边形的中心分布了一个子馈源；每个子馈源上都接有一个收发组件T/R；
所述的H2=550mm=φ，H1=50mm,焦距F=600mm，θ=24°。
子馈源的辐射口径为1λ0~2λ0，λ0为空气波长，可以工作在24GHz～38GHz范围内；
如图6所示，天线位于地球同步轨道上(距离地面约36000km)，七个馈源子阵列辐射波经过反射面后覆盖地球相应的区域，地球半径约6400km，天线波束扫描覆盖以整个地球为边界的视场角约等于17°锥角。
由图7可以看出，天线工作在f0±1.5GHz频段内，驻波比小于1.2；
由图8到图13可以看出，在f0-1.5GHz、f0和f0+1.5GHz频点上，中心馈源子阵列21相扫波束经反射面汇聚后的波束扫描范围为-5°～+5°，增益变化小于1dB，边缘馈源子阵列22-27相扫波束经反射面汇聚后的波束扫描范围为2.5°～12.5°，增益变化小于1dB，波束扫描角余量充足，当天线位于地球同步轨道时，天线可以快速扫描以整个地球为边界的视场角约等于17°锥角空域。
表1为馈源子阵列非相扫情况下，在f0-1.5GHz、f0和f0+1.5GHz频点给偏置抛物反射面1馈电时的增益，由表1可以看出，在f0-1.5GHz、f0和f0+1.5GHz频点上的中心馈源子阵列21和边缘馈源子阵列22-27分别馈电时增益均大于44dB。
表1为馈源子阵列非相扫情况下，在f0-1.5GHz、f0和f0+1.5GHz频点给偏置抛物反射面馈电时的增益
| 频率(GHz) | f0-1.5GHz | f0 | f0+1.5GHz |
| 中心馈源子阵列21馈电时增益(dB) | 44.2 | 44.6 | 45.1 |
| 边缘馈源子阵列22-27馈电时增益(dB) | 44.1 | 44.4 | 44.8 |
上述的馈源子阵列位于中心的那个为中心馈源子阵列，除位于中心的那个馈源子阵列外，另外6个馈源子阵列为边缘馈源子阵列。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。
Claims (4)
1.星载反射面稀疏相控阵多波束天线，其特征在于：包括偏置抛物反射面(1)、馈源阵列(2)和总控制电路(4)；馈源阵列(2)的馈电幅度和相位由总控制电路(4)来控制，馈源阵列(2)辐射出的电磁波经过偏置抛物反射面(1)进行汇聚，然后辐射到空间中；
总控制电路(4)包括控制电路a、控制电路b、控制电路c、控制电路d、控制电路e、控制电路f、控制电路g；
偏置抛物反射面(1)相对于馈源阵列(2)有偏置角；馈源阵列(2)含有7个馈源子阵列，每个馈源子阵列又由七个子馈源组成；
相邻馈源子阵列辐射口面中心之间连线构成正三角形，相邻子馈源辐射口面中心连线也构成正三角形；每个子馈源接有收发组件，收发组件由总控制电路(4)实时控制；
所述的子馈源是圆锥喇叭天线，材料为铜，表面镀金处理；圆锥喇叭天线的馈电端口与收发组件通过电缆连接；
所述的偏置抛物反射面(1)的焦距F＝(0.5～1)φ，φ为偏置抛物面辐射口径，即将偏置抛物反射面(1)进行投影所得到的圆的直径；
所述的馈源阵列(2)与水平面成倾角放置，使偏置抛物反射面(1)的焦点与馈源阵列(2)的辐射口面中心重合；所述的倾角为90°-θ，θ为偏置反射面的偏置角。
2.根据权利要求1所述的星载反射面稀疏相控阵多波束天线，其特征在于：偏置抛物反射面(1)为金属或者碳纤维加工而成。
3.根据权利要求1所述的星载反射面稀疏相控阵多波束天线，其特征在于：子馈源可以是圆锥喇叭天线、螺旋天线或介质棒天线。
4.根据权利要求1所述的星载反射面稀疏相控阵多波束天线，其特征在于：所述的偏置抛物反射面(1)的材料为铝，表面镀金处理。
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