CN103560821A - 一种基于折叠平板天线的箱式便携卫星通信站 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于折叠平板天线的箱式便携卫星通信站，包括可折叠Ku频段平面阵列天线、四自由度天线支撑及调节机构、卫星通信终端组件、便携天线箱。可折叠Ku频段平面阵列天线指微带贴片平面反射阵列天线，通过调节介质板上的微带单元位置，预留出折叠空间。四自由度天线支撑及调节机构通过调节进行天线对星。通信天线终端组件包括便携电源、功率放大器、调制解调器、天线馈源及软波导管，用于收、发信号的调理。便携天线箱用于装载天线、支撑装置、终端组件，可背负，可拖行。本发明作为独立的卫星通信站，具有效率高、方向图可重构，体积小、质量轻，加工方便，成本低，便于携带等优点。

Description

一种基于折叠平板天线的箱式便携卫星通信站

技术领域

本发明涉及基于折叠平板天线的箱式便携卫星通信站，用于减小卫星通信地面站系统体积、质量，提高通信系统集成度，特别适用于户外可背负、可拖行等便携式卫星通信站。

背景技术

卫星通信天线是卫星地面站系统中的重要技术之一，用于收、发信号，从而与通信卫星构建星地数据链，是卫星地面站的射频单元和通信系统核心。卫星通信天线当前大多基于抛物面天线的设计原理及构型，体积、质量大，增益高，技术成熟且应用广泛。但随着卫星便携通信系统概念的提出，尤其卫星通信系统在救灾、救援、防暴等各类应急通信领域的大力推广，可背负、可携行的卫星通信系统的应用需求愈发突出。这对卫星通信天线的体积、质量及携带方式提出了更高要求，也使得研发高性能、低包络、小体积、低功耗的卫星通信天线设备迫在眉睫。传统的卫星通信用抛物面天线体积、质量大，难以折叠或拆装，这对系统集成带来了诸多不便；同时，由于决定天线性能的相位匹配精度与天线构型有着密切的关系，这对天线设计，尤其是加工成型的整个过程提出了较高要求，也大大提高了成本。

面对诸多技术不足，近年来国内外正在针对便携式低包络卫星通信天线技术开展探索与研究，但受制于微波技术、材料、工艺及成本等方面的发展现状，大多基于可拼装抛物面天线、波导裂缝阵天线以及相控阵天线等设计相应的卫星通信天线系统，依然无法很好的解决高性能、便携特性与低成本之间，天线的高精度对设计、加工水平要求过高之间的矛盾。总之，目前国内外还没有在性能、便携特性、设计加工标准、成本等方面兼顾的平板式Ku波段卫星通信天线。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有技术不足，提供一种基于折叠平板天线的箱式便携卫星通信站，该天线效率高、方向图可重构，体积小、质量轻，加工方便，成本低，天线系统便于携带。

本发明的技术解决方案是：一种基于折叠平板天线的箱式便携卫星通信站，其特征在于：由可折叠Ku频段平面阵列天线、四自由度天线支撑及调节机构、通信天线终端组件、便携天线箱组成，可折叠Ku频段平面阵列天线又包括反射面和折叠面，反射面为微带贴片平面反射面，反射面通过调节介质板上微带贴片阵列的位置，预留出折叠面折叠的占位空间；折叠面连接在四自由度天线支撑及调节机构上；便携天线箱将可折叠Ku频段平面阵列天线、四自由度天线支撑及调节机构、通信天线终端组件集成在箱中；

所述可折叠Ku频段平面阵列天线的反射面是平面结构，由两种无源微带谐振单元规则排列组成，两种单元在行与列之间都是同等间距排列的，且每四个同一种单元的中心处设置一个不同的单元，这个同等间距不超过最高工作频率自由空间波长的一半；两种单元均采用至少为双层环线的贴片结构，在同一种单元上，沿中央开同一方向的缝，两种单元上的缝相互垂直。

可折叠Ku频段平面阵列天线未使用时，折叠收藏于便携箱中，使用时，将平板天线展开，倾角通过四自由度天线支撑及调节机构调节。

在便携箱中安装有水平仪、指北针、刻度、倾角传感器，通过调节便携箱体底部的四个支撑点的高度保证便携箱水平。

所述的通信天线终端组件，包括小型便携电源、功率放大器、调制解调器、天线馈源及软波导管，放置于便携箱中。

所述的天线箱体用于户外，可背负、可拖行。

本发明与现有技术相比：在改变了传统卫星通信系统天线设计理念，改善了天线面构型、支撑旋转机构及便携站结构等基础上，构建了一种更加适合单兵携带与操作、效率更高的新型卫星通信天线系统，它具有以下优点：

（1）微带贴片平面反射阵天线采用空馈形式，相比大型强制馈电阵列天线无需功分器、T/R组件等，天线效率较高，一般情况>50%，同时具备大张角扫描的优点。平面反射阵天线是平板低剖面结构，采用印刷微带单元，同抛物面天线相比体积小、质量轻、容易折叠展开。又因为阵面的每个微带单元都是相位调节的因素，波束赋形相对容易。

（2）四自由度天线支撑及旋转机构可以支持天线折叠，质量小，精度高，保证了折叠天线面的对准精度，便与调试。

（3）本发明的系统便携箱内部结构合理，可以集成功率放大器、低噪声放大器、馈电网络以及调制解调器等，可以构成功能完整的卫星通信地面站。

（4）本发明的可背负、可拖行设计，使用方便、操作灵活，便于快速运输、快速搭建通信链路。

附图说明

图1为本发明的整体结构图；

图2为本发明的天线阵列图；

图3馈源到阵面各个单元的辐射图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

如图1所示，基于折叠平板天线的箱式便携卫星通信站，其主要包括可折叠Ku频段平面阵列天线1、四自由度天线支撑及调节机构2、卫星通信终端组件3、便携天线箱4。

可折叠Ku频段平面阵列天线1包括天线反射面和折叠面，天线为微带贴片平面反射阵天线，反射面通过调节介质板上微带贴片阵列的位置，预留出折叠面折叠的占位空间；由微带贴片阵列、天线折叠面板连接在四自由度天线支撑及调节机构2上。低包络平板天线安装于四自由度天线支撑及调节机构2的天线面固定框架中，作为卫星通信天线主反射面。

可折叠Ku频段平面阵列天线的反射面是平面结构，由大量无源微带谐振单元规则排列组成，天线阵列结构如图2所示，无源微带谐振单元包括两种单元，分别对应相应的收发频段。第一频率单元11在行与列之间都是同等间距排列的（相当于每相邻的四个单元都排列成正方形），这个间距D不能超过最高工作频率自由空间波长的一半。在每四个呈正方形阵列的第一频率单元11的中心处，都设置一个第二频率单元12。因为第二频率单元12是在四个第一频率单元11的阵列中心布置的，所以反向来说，第二频率单元12也是呈等行、列间距排列的，这个间距也是D，也是不能超过最高工作频率自由空间波长的一半。

对于两种频率单元本身的结构，采用至少为双层环线的贴片结构，环的形状可以为方形、圆形、十字形都可以，视物理空间的限制而定，在图2给出的实施例中，第一频率单元11采取的是双层的方形环线结构，第二频率单元12采取的是三层的环线结构，内两层为方形、外一层为十字的环线结构。至于环与环之间的间距、环线的粗细，这些都根据平板的大小，两种频率单元的数量，单元间距，反射阵口径大小限制和加工条件的限制等而作具体的调整。

为了实现双极化，在同一种频率的各单元上，沿中央开同一方向的缝，两种频率单元上的缝是相互垂直的（图2上是第一频率单元为水平缝，极化E2为X轴，第二频率单元为垂直缝，极化E1为Y轴。反之也可以）。对于两种缝的宽度没有要求，只要能加工出来就可以了。

微带平板反射阵天线的反射面是平面结构，由大量无源微带谐振单元规则排列组成，采用馈源照射的空馈方式。为了使微带平面反射阵天线具有最大的增益，需要对空间相位差进行补偿从而使每个单元的反射场在远区同相叠加。通过调节介质板上每个微带单元尺寸，调节反射系数相位，补偿馈源到阵面各个单元的空间相位差，使得反射波在特定方向上实现同相位叠加，形成笔形波束，达到高增益的目的。

馈源到阵面各个单元需要补偿的空间相位差，通过下述公式计算：

φ_i+k₀(R_i-r_i·r₀)+φ₀=2nπ

                              （1）

其中，φ_i为第i个单元的相位补偿，k₀为自由空间波长数，R_i为馈源到第i个谐振单元的位置矢量，r_i为阵列中心到第i个谐振单元的位置矢量，r₀为主波束（辐射的最大方向）的单位矢量，φ₀为馈源对应于第i个单元的相位，n为任意整数，由于相位的周期性产生，如图3所示。

对于正馈的平板反射阵天线，适当加大焦距与阵面半径比，可以降低阵面边缘入射角度。为减少馈源遮挡，本设计采用偏馈形式，在阵面的远端，电磁波入射角度较大，等同为垂直入射会带来较大误差。

相位补偿得到后，就可以调节介质板上每个微带单元尺寸，第一频率相位补偿是通过改变第一频率单元11的外环尺寸（L）来实现的。第二频率相位补偿是通过改变第二频率单元12的内环尺寸（L2）来实现的，因此要根据相位补偿量来设计这两个尺寸，通过仿真得到。

四自由度天线支撑及旋转机构2，由天线面固定框架、天线方位调节机构、天线俯仰调节曲柄滑块机构、馈源转动调节机构、支撑底座组成，通过调节各转动机构进行天线对星。四自由度天线支撑及旋转机构2上安装天线，可连同天线一起折叠放入便携箱4中。

通信天线终端组件3，包括小型便携电源、功率放大器、调制解调器、天线馈源及软波导管等，放置于便携箱4中。

使用时，将平板天线展开，并通过调节箱体中的水平仪、指北针、刻度、倾角传感器、馈源支撑杆，实现对星功能。平板天线接收部分卫星信号，信号被放大、变频、滤波后得到中频，中频信号被中频放大器放大后被解调进而传给数据处理部分；基带信号用载波调制后输出中频信号，被放大后经过本振上变频输出射频信号，混频器的射频信号被功放放大即通过天线发射出去。

便携天线箱4，具有体积小、质量轻，加工方便的特点，为实现高度集成化，需要将电源、功率放大器、调制解调器、天线馈源及软波导管等通信电子设备合理的进行位置排布，其中软波导管连接功率放大器，因而，功率放大器需放置在距离软波导管最近处，保证软波导管不弯曲，影响通信效果。考虑到电源长时间工作，需保证散热设计合理。同时在便携箱中为馈源杆留有位置，不使用时可将馈源杆收于箱体中，便携箱特别适用于户外可背负、可拖行等便携式卫星通信站。在便携箱底部设计有两个滑轮，便于拖行。

Claims (5)

1.一种基于折叠平板天线的箱式便携卫星通信站，其特征在于：由可折叠Ku频段平面阵列天线、四自由度天线支撑及调节机构、通信天线终端组件、便携天线箱组成，可折叠Ku频段平面阵列天线又包括反射面和折叠面，反射面为微带贴片平面反射面，反射面通过调节介质板上微带贴片阵列的位置，预留出折叠面折叠的占位空间；折叠面连接在四自由度天线支撑及调节机构上；便携天线箱将可折叠Ku频段平面阵列天线、四自由度天线支撑及调节机构、通信天线终端组件集成在箱中；

所述可折叠Ku频段平面阵列天线的反射面是平面结构，由两种无源微带谐振单元规则排列组成，两种单元在行与列之间都是同等间距排列的，且每四个同一种单元的中心处设置一个不同的单元，这个同等间距不超过最高工作频率自由空间波长的一半；两种单元均采用至少为双层环线的贴片结构，在同一种单元上，沿中央开同一方向的缝，两种单元上的缝相互垂直。

2.根据权利要求1所述的基于折叠平板天线的箱式便携卫星通信站，其特征在于：可折叠Ku频段平面阵列天线未使用时，折叠收藏于便携箱中，使用时，将平板天线展开，倾角通过四自由度天线支撑及调节机构调节。

3.根据权利要求1所述的基于折叠平板天线的箱式便携卫星通信站，其特征在于：在便携箱中安装有水平仪、指北针、刻度、倾角传感器，通过调节便携箱体底部的四个支撑点的高度保证便携箱水平。

4.根据权利要求1所述的基于折叠平板天线的箱式便携卫星通信站，其特征在于：所述的通信天线终端组件，包括小型便携电源、功率放大器、调制解调器、天线馈源及软波导管，放置于便携箱中。

5.根据权利要求1所述的基于折叠平板天线的箱式便携卫星通信站，其特征在于：所述的天线箱体用于户外，可背负、可拖行。

Images