CN105514618B - 一种机械式自动极化调节装置及动中通天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械式自动极化调节装置及动中通天线系统。调节装置包括：转换调节组件和正交模耦合器。转换调节组件包括壳体、用于调整极化角度的极化探针以及与主控计算机电连接并用于控制极化探针转动的电机；壳体上设有与正交模耦合器连通的圆波导及用于接收发射机传来的电磁波信号的矩形波导，极化探针固定在电机的输出轴上，极化探针设在壳体内的圆波导中，极化探针贯穿矩形波导。本发明采用正交模耦合器以及具有极化调节器和同轴‑波导转换器功能的转换调节组件，同时采用电机控制极化探针转动，使得调节装置适用范围得到扩大。

Description

一种机械式自动极化调节装置及动中通天线系统

技术领域

本发明的机械式自动极化调节装置及动中通天线系统属于无线通信系统中的卫星移动通信(即“动中通”)领域，用于自动调节卫星移动通信地面站天线(即“动中通天线”)线极化电磁波信号的极化方向，与卫星转发器上/下行信号极化匹配，使动中通天线得以精准跟踪卫星。

背景技术

卫星通信是以人造卫星作为中继站的无线电通信，由卫星和地球站两部分组成。通常，卫星通信系统分为两大类，一是固定卫星通信系统，指借助于空间卫星转发器、在地球表面固定位置(地球站)与一个或多个卫星间的无线通信方式，如边远地区的卫星电视教育，固定卫星通信采用静中通天线；二是移动卫星通信系统(即动中通系统)，指借助于空间卫星转发器、在地面移动站与固定地面站或移动站与移动站之间提供的通信链路，如远洋轮船实时接收卫视节目，移动卫星通信采用动中通天线。移动卫星通信系统中，地面移动站载体(如车辆、轮船、飞机等)运动过程会出现摇摆、颠簸、转弯等状况，载体上天线的姿态也随之不断变化；由于同步轨道卫星转发器收、发电磁波信号的极化方向是恒定的，地面站动中通天线姿态的任何变化必然造成与转发器间电磁波的极化失配，即转发器与动中通天线工作极化存在一个极化角度，降低电磁波能量传输效率，结果是导致卫通信号电平剧烈波动、天线不能锁定卫星或出现严重的邻星干扰效应。因此，动中通天线在通信过程中必须保持与转发器的极化匹配，自动极化跟踪技术也成为移动卫星通信系统的关键技术之一。

自动极化跟踪装置即用于实现与转发器极化的自动匹配。基于通信卫星星位参数、载体经纬度及天线内置陀螺仪输出的姿态信息，动中通天线主控计算机计算出天线当前极化角度，并发出指令驱动自动极化跟踪装置将电磁波分解为幅度不同的水平和垂直两种正交极化信号分量，经过独立馈电网络传输后，幅度受控的正交极化信号最终在向自由空间辐射前合成为一个线极化波，且极化角与转发器固有的极化角度相同；此时，主极化信号强度最大、而相对正交的极化分量(通常是干扰信号)得到有效抑制。实际应用中，有电调式和机械式两大类自动极化跟踪装置；电调式自动极化跟踪装置采用LNA、可调衰减器、可调移相器及合路器等电子器件控制正交信号电平的高低；机械式自动极化跟踪装置由正交模耦合器、极化调节器、波导同轴转换器和电机等主要功能部件构成，由电机转动极化调节器来控制两路极化垂直正交的电磁波信号幅度。自动极化跟踪装置的主要性能指标是：工作频段宽度，对两路正交极化信号幅度的控制精度，交叉极化隔离度，传输损耗等。

图1给出了一种机械式馈源旋转极化控制装置工作原理示意图。该技术利用了反射面天线及其馈源的圆对称性辐射机理和卫星转发器上/下行电磁波信号极化相互垂直正交的特点，通过主控计算机直接控制极化电机的转动达到自动极化跟踪目的。跟踪工作模式时，主控计算机根据姿态传感器输出和星位、经纬度地理信息参数计算出天线的当前极化角，与转发器固有极化角度比较得出动态条件下的极化角误差值，以此驱动极化电机带动馈源反向旋转一定角度，补偿该极化误差。卫星通信中的上/下行信号相互正交，若旋转馈源至主极化与发射频段信号匹配时、其正交极化自动与接收频段信号的极化方向一致，且相互具有较高的隔离度。该装置是通过极化电机直接转动馈源进行极化角匹配，仅适用于体积较大的圆口径反射面动中通天线，不能在诸如平板天线、环焦天线等低轮廓、非圆口径的动中通天线上使用，应用范围严重受限。

另一种机械式极化跟踪器装置如图2所示。该装置采用前、后两端正交模耦合器布局方式，分别连接天线和接收设备，且正交模耦合器内置调相机构，圆波导关节旋转调节电磁波极化角度。工作原理：动中通天线接收任意极化角电磁波信号，分解为幅度不同的垂直和水平两种正交极化分量、同时进入极化跟踪装置，正交信号经前端正交模耦合器迭加成线极化波，圆波导关节带动后端正交模耦合器旋转、找出与空间电磁波极化角相对应位置，后端正交模耦合器则将已完成极化矢量合成的信号输出至接收机。该装置中，为保持极化跟踪器两个输入端口到输出端口间具有相同的电长度，需通过调相机构修正两个输入极化信号分量的相位差。该装置采用了类似销钉、介质片等调相机构来抵消交叉极化分量，对频率变化较敏感。不能满足卫星通信全频段范围内对正交极化信号更高的抑制要求，或者是符合卫通极化隔离度指标的工作频段受限。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术缺陷，提供了一种适用范围广的机械式自动极化调节装置及动中通天线系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种机械式自动极化调节装置包括：

转换调节组件，用于将发射机传来的电磁波信号由同轴线传输转换为标准波导并调整其极化角度；

正交模耦合器，用于将转换调节组件传来的已调整极化角度的电磁波分解成水平和垂直分量并输出；

转换调节组件包括壳体、用于调整极化角度的极化探针以及与主控计算机电连接并用于控制极化探针转动的电机；壳体上设有与正交模耦合器连通的圆波导及用于接收发射机传来的电磁波信号的矩形波导，极化探针固定在电机的输出轴上，极化探针设在壳体内的圆波导中，极化探针贯穿矩形波导。

进一步地，极化探针包括金属棒和匹配块，金属棒一端固定在电机的输出轴上，匹配块固定在金属棒的另一端，匹配块设在圆波导内。

进一步地，匹配块的前端设有起到阻抗匹配作用的三级台阶。

进一步地，电机输出轴通过一联轴器固定连接金属棒。

进一步地，矩形波导入口内设有用于拓宽频带的第一平台和第二平台，第二平台高于第一平台，极化探针贯穿第二平台。

进一步地，正交模耦合器包括与壳体的圆波导连通的公共端、导出水平极化电磁波的第一出口段及导出垂直极化电磁波的第二出口段，第一出口段的横截面逐渐变小，第一出口段与公共端连通，第二出口段与公共端通过侧壁耦合缝连通，侧壁耦合缝平行于公共端电磁波输入方向。

进一步地，第二出口段包括平行于第一出口段的输出段和用于对垂直极化电磁波进行宽带匹配的侧壁阶梯匹配段，侧壁阶梯匹配段与输出段相互连通，侧壁阶梯匹配段垂直于输出段，侧壁耦合缝设在侧壁阶梯匹配段与公共端连接处。

进一步地，侧壁耦合缝设在侧壁阶梯匹配段的底端，侧壁阶梯匹配段内设有一侧壁匹配块。

本实用信息还公开了一种动中通天线系统，其包括极化馈电网络、电连接传感器和定位仪的主控计算机以及连接卫星放大器的旋转关节，其还包括以上公开的极化调节装置，旋转关节与壳体的矩形波导连接，主控计算机与电机电连接，正交模耦合器的输出端连接极化馈电网络。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本发明采用正交模耦合器以及具有极化调节器和同轴-波导转换器功能的转换调节组件，同时采用电机控制极化探针转动，使得调节装置适用范围得到扩大；

2)本发明能够实时调节动中通天线发射通道传输信号的极化方向，使之与卫星转发器的上行信号极化角匹配，实时性好，性能佳；

3)由于采用波导正交模耦合器，使得垂直和水平两路信号之间的隔离度显著提高，从而抑制了正交极化干扰信号，提高了天线的交叉极化隔离度，抑制正交极化干扰信号；

4)通过电机控制探针转动极化的方式，使得极化控制精度得到保证，同时由于实现方式较为方便，提高了系统的稳定性；

6)转换调节组件具有同轴-波导转换功能，该设计便于探针穿过与电机相连，同时能保证射频信号的正常传输；

7)由于全部采用波导器件，驻波比较小，同时功率容量显著提升。

附图说明

图1为现有技术的机械式馈源旋转极化控制方案示意图；

图2为现有技术的机械式极化跟踪器方案示意图；

图3为机械式自动极化调节装置方案示意图；

图4为机械式自动极化调节装置装配立体图；

图5为机械式自动极化调节装置内部结构立体图；

图6为转换调节组件的壳体立体图；

图7为转换调节组件的壳体沿矩形波导剖开的立体图，其中极化探针置于壳体内；

图8为转换调节组件的壳体沿中轴剖开的立体图，其中极化探针置于壳体内；

图9为正交模耦合器的立体图；

图10为正交模耦合器的内部结构图；

图11为动中通天线系统框架示意图。

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明。

本发明第一实施例的具体结构如图3至图10所示。

如图3和图4所示，机械式自动极化调节装置包括转换调节组件10和正交模耦合器20。转换调节组件10用于将发射机传来的电磁波信号由同轴线传输转换为标准波导并调整其极化角度。正交模耦合器20用于将转换调节组件10传来的已调整极化角度的电磁波分解成水平和垂直分量并输出。

如图5和图6所示，转换调节组件10包括壳体11、用于调整极化角度的极化探针12以及与主控计算机电连接并用于控制极化探针12转动的电机13。壳体11上设有与正交模耦合器20连通的圆波导112及用于接收发射机传来的电磁波信号的矩形波导111。极化探针12贯穿矩形波导111。矩形波导111为标准WR75波导端口。

如图5和图8所示，极化探针12固定在电机13的输出轴上，极化探针12设在壳体11内的圆波导112中。极化探针12包括金属棒121和匹配块122。金属棒121一端固定在电机13的输出轴上，匹配块122固定在金属棒121的另一端。匹配块122设在圆波导112内。匹配块122的前端设有起到阻抗匹配作用的三级台阶。电机13输出轴通过联轴器14固定连接金属棒121。联轴器14用于连接电机13的转轴和金属棒121，保证电机13转轴与金属棒121位置同心、转动同步。电机13采用步进电机，带编码器和控制线缆。

如图7所示，矩形波导111内设有用于拓宽频带的第一平台113和第二平台114。第二平台114高于第一平台113。极化探针12贯穿第二平台114。

如图9和图10所示，正交模耦合器20包括与壳体11的圆波导112连通的公共端23、导出水平极化电磁波的第一出口段21及导出垂直极化电磁波的第二出口段22。第一出口段21的横截面逐渐变小。第一出口段21与公共端23连通，第二出口段22与公共端23通过侧壁耦合缝224连通，侧壁耦合缝224平行于公共端23电磁波输入方向。

如图5和图10所示，第二出口段22包括平行于第一出口段21的输出段222和用于对垂直极化电磁波进行宽带匹配的侧壁阶梯匹配段221。侧壁阶梯匹配段221与输出段222相互连通，侧壁阶梯匹配段221垂直于输出段222，侧壁耦合缝224设在侧壁阶梯匹配段221与公共端23连接处。侧壁耦合缝224设在侧壁阶梯匹配段221的底端，侧壁阶梯匹配段221内设有侧壁匹配块223。

动中通天线发射机输出信号由壳体11的矩形波导111进入，经过模式变换，矩形波导111中的TE10波转换为同轴线TEM波，再由极化探针12耦合转换成圆波导112主模TE11，进入圆波导112。圆波导112只让主模TE11通过，金属棒121位于圆波导112中心，金属棒121的前端为三级台阶匹配块122，起到阻抗匹配作用，且对垂直于台阶方向的电场模式呈通过效应，而对平行于台阶方向的模式呈短路效应。极化探针12旋转过程中，电场方向始终与匹配块122侧边平行，因此可实现对圆波导112中电场极化方向的改变，转动金属棒121和匹配块122即能与任意极化角匹配。电机13服从控制指令带动极化探针12旋转至与空间转发器接收极化相同角度位置，发射的线极化电磁波信号以此极化角度进入正交模耦合器20。

进入正交模耦合器20的公共端23内的线极化波含TE10和TE01两种正交电磁波模式信息，从正交模耦合器20输出后分解为幅度不等的垂直极化和水平极化分量。本装置中，第一出口段21尺寸逐渐减小成为一个矩形波导，以使得只有水平极化电磁波通过，由于边界条件改变缓慢，高次模得以充分抑制，分离出的主模水平极化电磁波分量可自然匹配。垂直极化电磁波通过侧壁耦合缝224进入第二出口段22的侧壁阶梯匹配段221，在侧壁阶梯匹配段221作用下，垂直极化电磁波获得良好的宽带匹配性能，同样以矩形波导主模方式输出。第二出口段22的侧壁阶梯匹配段221与输出段222采用弯折通道连通，既可减小整体体积，也易于调整两种极化电磁波的相位差，使之满足动中通天线系统的相位补偿需求。

第二实施例为一种动中通天线系统，其系统框图如图11所示。动中通天线系统包括极化馈电网络、电连接传感器32和定位仪33的主控计算机31以及连接卫星放大器35的旋转关节36。动中通天线系统还包括第一实施例的极化调节装置。旋转关节36与壳体11的矩形波导111连接，主控计算机31与电机13电连接。正交模耦合器20的输出端连接极化馈电网络。

如图11所示，跟踪状态下，卫星调制解调器34输出L波段信号，经卫星放大器35(BUC)变频、放大转换成Ku波段发射载波。通过旋转关节36，Ku波段发射电磁波由矩形波导111(图5)传输到转换调节组件10中，经过模式转换，进入圆波导112(图5)中。载体运动中姿态变化时，主控计算机31接收来至传感器32的实时姿态信息，结合定位仪33(北斗/GPS)接收的地理和星位参数，计算出当前天线与卫星转发器极化方向的偏差角，发出补偿控制指令，通过SPI总线驱动电机13旋转，并由联轴器14带动极化探针12(图5)转动至相应角度位置，正交模耦合器20则将入射波分离为垂直极化和水平极化两路正交信号，从第一出口段21和第二出口段22(图9和图10)输出。由于极化探针12(图5)的旋转角度包含垂直、水平两种正交极化电磁波分量的幅度信息，因此正交模耦合器20两端口输出信号的幅度是不同的，其比例大小受控于电机13旋转角度、即天线与卫星转发器间的极化偏差角。正交模耦合器20分解信号分别沿垂直极化馈电网络38和水平极化馈电网络37传输至天线辐射单元39，在发射到自由空间前合成为线极化波，而此线极化波的极化角度与卫星转发器上行极化角一致，因此实现极化的自动调节。

以上陈述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。

Claims (7)

1.一种机械式自动极化调节装置，其特征在于，包括：

转换调节组件，用于将发射机传来的电磁波信号由同轴线传输转换为标准波导并调整其极化角度；

正交模耦合器，用于将转换调节组件传来的已调整极化角度的电磁波分解成水平和垂直分量并输出；

所述转换调节组件包括壳体、用于调整极化角度的极化探针以及与主控计算机电连接并用于控制极化探针转动的电机；所述壳体上设有与正交模耦合器连通的圆波导及用于接收发射机传来的电磁波信号的矩形波导，所述极化探针固定在所述电机的输出轴上，所述极化探针设在壳体内的圆波导中，所述极化探针贯穿矩形波导；

所述正交模耦合器包括与所述壳体的圆波导连通的公共端、导出并匹配水平极化电磁波的第一出口段及导出并匹配垂直极化电磁波的第二出口段，所述第一出口段与公共端连通，所述第一出口段的横截面逐渐变小，所述第二出口段与公共端通过侧壁耦合缝连通，所述侧壁耦合缝平行于公共端电磁波输入方向；所述第二出口段包括平行于第一出口段的输出段和用于对垂直极化电磁波进行宽带匹配的侧壁阶梯匹配段，所述第二出口段的侧壁阶梯匹配段与输出段采用弯折通道连通，所述侧壁阶梯匹配段垂直于所述输出段，所述侧壁耦合缝设在侧壁阶梯匹配段与公共端连接处。

2.如权利要求1所述的机械式自动极化调节装置，其特征在于，所述极化探针包括金属棒和匹配块，所述金属棒一端固定在电机的输出轴上，所述匹配块固定在金属棒的另一端，所述匹配块设在圆波导内。

3.如权利要求2所述的机械式自动极化调节装置，其特征在于，所述匹配块的前端设有起到阻抗匹配作用的三级台阶。

4.如权利要求2所述的机械式自动极化调节装置，其特征在于，所述电机输出轴通过一联轴器固定连接金属棒。

5.如权利要求1所述的机械式自动极化调节装置，其特征在于，所述矩形波导内设有用于拓宽频带的第一平台和第二平台，所述第二平台高于第一平台，所述极化探针贯穿第二平台。

6.如权利要求1所述的机械式自动极化调节装置，其特征在于，所述侧壁耦合缝设在所述侧壁阶梯匹配段的底端，所述侧壁阶梯匹配段内设有一侧壁匹配块。

7.一种动中通天线系统，包括极化馈电网络、电连接传感器和定位仪的主控计算机以及连接卫星放大器的旋转关节，其特征在于，还包括权利要求1至6任一项所述的极化调节装置，所述旋转关节与壳体的矩形波导连接，所述主控计算机与所述电机电连接，所述正交模耦合器的输出端连接极化馈电网络。