CN104393415A - 一种低剖面高度集成化卫星移动通信相控阵天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低剖面高度集成化卫星移动通信相控阵天线，所述的相控阵天线由天线骨架、天线单元、射频电路以及波控、电源设备等组成。本发明采用全平面结构形式，降低了天线高度的尺寸，提高了天线的集成度，其中天线单元采用超低剖面微带形式，射频电路、馈电网络以及波控、电源灯均采用瓦片式结构，有效利用空间尺寸，利用相控阵技术进行空间波束扫描，具有很高天线效率。
Description
技术领域
本发明涉及低剖面卫星通信、隐蔽性雷达、遥感遥测、导航等技术领域，具体为一种低剖面高度集成化卫星移动通信相控阵天线。本发明还特别适用于为车载、机载等低剖面卫星移动通信提供新型的卫通终端天线系统提供技术支持。
背景技术
随着天线技术的发展，在某些高机动场合，如高速火车、飞机、导弹等平台上安装低剖面的相控阵天线成为了一种趋势，也是目前诸多国内外科研单位和学者研究的重点课题之一。在以往的天线系统中，有许多天线形式可供选择，但这些形式对于适应于高机动平台却存在各种劣势，在某些要求苛刻的场合甚至不能使用这些传统的天线形式。同时，由于传统天线多采用了分离式设计思路，也不利于天线的集成装配等。以下为传统天线的特点：
1、传统的反射面天线，在过去的几十年中，不管是雷达还是通信、导航、遥感遥测等领域发挥了重大作用，在某些飞机上也安装了这类天线，这是因为这种天线具有高增益、制造成本低等特点，但是其体积笨重、拆装不便、跟踪速度慢等方面存在较大的劣势，逐渐已不能适应高机动性平台的需求。
2、传统阵列天线，随着技术的发展，在过去几年的时间里，这类天线发展迅速，特别是以波导阵列天线为代表的天线形式，具有合成效率高，加工方便，阵列波束合成灵活等优点，在各种平台中应用越来越广泛，但这类天线同样存在其机械跟踪方式方面存在波束指向容易偏离预定方向的缺点。
3、传统分离式或者砖块式相控阵天线，这种体制的天线在相控阵雷达领域，具有相当成熟的技术，并且在战术领域发挥了越来越大的作用，其电气性能相比于前两者具有不可替代的优势。但是在卫星通信领域的发展却相对缓慢，该类形式的卫星通信相控阵天线也只是分离器件式或者砖块式形式，存在着体积较大的缺点。
发明内容
本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处，提供一种低剖面高度集成化卫星移动通信相控阵天线系统，该系统具有剖面低、波束跟踪快等优点，具有很高的工程应用前景。
本发明所采用的技术方案为：
一种低剖面高度集成化卫星移动通信相控阵天线1，包括天线单元，其特征在于：还包括自上到下依次排布的天线阵列骨架层2、设有分腔的有源射频层3、收发功分网络层4、控制和电源层5和支撑底盘层6；所述的天线单元为低剖面的微带贴片天线单元7；多个微带贴片天线单元7按照设定的排布方式组成阵列并设置在天线阵列骨架层2的上表面。
其中，所述的有源射频层3的上表面设置有多个分腔，多个分腔与位于天线阵列骨架层2的上表面多个微带贴片天线单元7的位置分别一一上下相对应；每个分腔内均设置有有源电路模块，有源电路模块由双工器10、接收射频支路11和发射射频支路12组成；穿越天线阵列骨架层2的同轴探针的一端与微带贴片天线单元7的下表面相连接，同轴探针的另一端与双工器10的公共口相连接。
其中，所述的收发功分网络层4包括上下两层设置的接收功分网络层与发射功分网络层；接收功分网络层与发射功分网络层均采用微带印制板印制而成。
其中，控制和电源层5包括微带印制板和设置在微带印制板下表面的控制和电源器件，所述的控制和电源器件包括微型处理单元MCU14、现场可编程逻辑阵列FPGA15、快速可擦除读写芯片FLASH16以及线性LM系列电源转换芯片17。
其中，所述的支撑底盘层6为盘状结构，盘状结构的侧面设置有数字总口18和电源总口19。
其中，所述的有源射频层3的下表面贴覆散热管13。
其中，接收功分网络层与接收射频支路11通过SMP盲插的接头进行相连接；发射功分网络层与发射射频支路12通过SMP盲插的接头进行相连接。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1、本发明利用低剖面集成化结构，提高天线阵面的空间利用率，同时减小了整个系统的尺寸。
2、本发明利用集成式热管技术技术，有利于系统散热，避免由于阵面局部过热而影响了整个系统的性能。
3、本发明中，利用小型化的射频器件以及天线、控制单元，使得天线整个系统的性能得以提高。
4、本发明的射频控制、电源等外围设备均采用小型化的芯片技术，提高了系统的可靠性。
5、对该阵面采用层堆栈结构，在设计时，对于每一分系统均采用瓦片结构，采用分层结构易于实现射频电路的集成，降低高度。
附图说明
图1是本发明的三维图。
图2是本发明的分层结构示意图。
图3是本发明的有源射频层前视图。
图4是本发明的有源射频层背面的热管分布示意图。
图5是本发明的控制和电源层示意图。
图6是本发明支撑底盘层示意图。
具体实施方式
下面，结合图1-图6对本发明做进一步说明。
在一种低剖面高度集成化卫星移动通信相控阵天线1中，如图1所示，为一种层式结构。该相控阵天线由低剖面的微带贴片天线以及天线阵列骨架层2、分腔的有源射频层3、收发功分网络层4、控制和电源层5以及支撑底盘层6等组成。该系统中，前面所述的分系统采用分层的堆栈结构，按照一定的次序关系进行由上到下排布，中间通过电连接器和控制插槽、电源插槽进行连接。最后的支撑底盘6对整个系统起到支撑作用，如图2所示。
在一种低剖面高度集成化卫星移动通信相控阵天线1中，如图2所示，低剖面的微带贴片天线以及天线阵列骨架层2由若干个微带贴片天线单元7按照一定的排布方式组成阵列，并通过阵列骨架8进行支撑和固定。
在一种低剖面高度集成化卫星移动通信相控阵天线1中，如图3所示，分腔的有源射频电路层3内包括多个分腔设计的有源电路模块，每个模块中主要由双工器10、接收射频支路11以及发射射频支路12组成。该层由支撑架9对射频电路和元器件进行固定、分腔。在有源射频电路层3的背面设有螺旋排布的热管管道13，如图4所示，其中热管的聚集部分对应于散热较多的发射射频支路10的背面。
在一种低剖面高度集成化卫星移动通信相控阵天线1中，在有源射频电路层3的下层为收发功分网络层4，该层网络均采用微带印制板进行功分网络的印制，接收功分网络与发射功分网络分别处于收发功分网络层4的上下两层中，并通过SMP盲插的接头与有源射频电路层3的对应设备进行连接。
在一种低剖面高度集成化卫星移动通信相控阵天线1中，如图5所示，在收发功分网络层4的下层为控制和电源层5，该层网络也采用普通的微带印制板各个设备元件器件的排布，分别设有微型处理单元(MCU)14、现场可编程逻辑阵列(FPGA)15、快速可擦除读写芯片(FLASH)16以及线性LM系列电源转换芯片17等器件，其形式均为表贴形式。
在一种低剖面高度集成化卫星移动通信相控阵天线1中，如图6所示，在最底层为支撑底盘6。，实现整个系统的封装。最终由底盘侧面的数字总口18和电源总口19与外部的设备连接。
工作原理
在天线系统的收发系统工作时，一方面天线通过接收状态的程序跟踪，使天线波束始终对准所跟的卫星，另一方面天线通过自身的射频系统向卫星转发器发送信号。在该系统的底层上布有FPGA(现场可编程逻辑阵列)，FLASH(快速读写芯片)，MCU(微控制处理单元)以及LM系列电源转换芯片，分别实现实时信号的控制、处理、读写、以及电源供电的转换等功能。
其中射频信号通过接收或者发射馈电网络实现信号的合成与分配，并分别进入各自的下一级子设备中。在信号的接收通道，来自卫星的信号首先经过天线单元进行接收，并达到一定的匹配程度，接收后，信号经过频率双工器，将全带内的信号分别实现接收和发射支路的分频，接收带内的信号进入射频支路通道，先进行一级滤波器的滤波，进一步提高收发信号的隔离度，并分别通过两级低噪声放大器，数字移相器以及衰减器后进入射频网络进行信号合成。
在信号发射时，首先根据安装平台的惯导计算出波束所要指向的角度，并由MCU计算出所需α和β角，并对应于各个位置上的单元，转化成移相码，通过FPGA逻辑运算向各支路移相器发送具体的移相值。而发射激励则由调制解调器输出中频信号经上变频产生所需的激励信号，激励信号通过发射网络后进行信号分配，到达每一路发射支路的输入口，经移相器和衰减器后，进行信号相位和幅度的调整后，经由双工器对其进行滤波，以减小对接收支路的影响，最后由天线单元辐射出去。
Claims (7)
1.一种低剖面高度集成化卫星移动通信相控阵天线(1)，包括天线单元，其特征在于：还包括自上到下依次排布的天线阵列骨架层(2)、设有分腔的有源射频层(3)、收发功分网络层(4)、控制和电源层(5)和支撑底盘层(6)；所述的天线单元为低剖面的微带贴片天线单元(7)；多个微带贴片天线单元(7)按照设定的排布方式组成阵列并设置在天线阵列骨架层(2)的上表面。
2.根据权利要求1所述的一种低剖面高度集成化卫星移动通信相控阵天线，其特征在于：所述的有源射频层(3)的上表面设置有多个分腔，多个分腔与位于天线阵列骨架层(2)的上表面多个微带贴片天线单元(7)的位置分别一一上下相对应；每个分腔内均设置有有源电路模块，有源电路模块由双工器(10)、接收射频支路(11)和发射射频支路(12)组成；穿越天线阵列骨架层(2)的同轴探针的一端与微带贴片天线单元(7)的下表面相连接，同轴探针的另一端与双工器(10)的公共口相连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种低剖面高度集成化卫星移动通信相控阵天线，其特征在于：所述的收发功分网络层(4)包括上下两层设置的接收功分网络层与发射功分网络层；接收功分网络层与发射功分网络层均采用微带印制板印制而成。
4.根据权利要求1所述的一种低剖面高度集成化卫星移动通信相控阵天线，其特征在于：控制和电源层(5)包括微带印制板和设置在微带印制板下表面的控制和电源器件，所述的控制和电源器件包括微型处理单元MCU(14)、现场可编程逻辑阵列FPGA(15)、快速可擦除读写芯片FLASH(16)以及线性LM系列电源转换芯片(17)。
5.根据权利要求1所述的一种低剖面高度集成化卫星移动通信相控阵天线，其特征在于：所述的支撑底盘层(6)为盘状结构，盘状结构的侧面设置有数字总口(18)和电源总口(19)。
6.根据权利要求1或2所述的一种低剖面高度集成化卫星移动通信相控阵天线，其特征在于：所述的有源射频层(3)的下表面贴覆散热管(13)。
7.根据权利要求3所述的一种低剖面高度集成化卫星移动通信相控阵天线，其特征在于：接收功分网络层与接收射频支路(11)通过SMP盲插的接头进行相连接；发射功分网络层与发射射频支路(12)通过SMP盲插的接头进行相连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |