CN105633584A - 基于星载多波束天线空间立体结构布局的对数周期馈源阵 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于星载多波束天线空间立体结构布局的对数周期馈源阵，由五组高频馈电单元、四组低频馈电单元和复合材料支撑组件组成；本发明在星上有限的空间布局要求下，通过立体结构布局和优化单元阵列分布，最大程度降低了天线之间对馈源阵电气性能的互耦影响，实现了天线宽频带、高增益的多波束覆盖要求；单元和支撑组件的结构形式简单、可靠性高，实现了良好的馈源阵刚重比要求；采用特殊的复合材料和巧妙的结构设计，在满足馈源阵主体结构强度的情况下，使支撑组件对组成的高、低频馈电单元电性能的遮挡影响降至最低，并可满足空间环境要求。

Description

基于星载多波束天线空间立体结构布局的对数周期馈源阵

技术领域

本发明涉及星载天线技术领域，具体为一种基于星载多波束天线空间立体结构布局的对数周期馈源阵。

背景技术

为适应卫星通信容量不断增加，以及通信卫星用户费用减小等需求，通信卫星设计者采取了多种措施，以满足这些要求。多波束天线就是适应这些要求而产生的技术。使用多波束天线，可以实现波束空间和极化隔离，达到多次频率复用，从而加大了可用带宽，使通信容量大幅度增加；使用多波束，还可以使单个波束的大面积地球覆盖成为只集中于几个波束内的较小区域的覆盖，从而增加了卫星向地球的辐射功率通量密度，可用较小口径的天线，提高用户使用通信卫星的经济效益。

自从20世纪70年代中发射INTELSAT(国际通信卫星)-IVA号使用多波束天线以来，星载多波束天线技术引起了国际广泛重视。几十年来，星载多波束天线有了长足的发展，从只有两个波束发展到十几个、几十个波束；从固定的多波束发展到可重构的多个区域波束和可扫描波束。

根据星载多波束天线的发展，相应的星载多波束天线馈源阵的技术也有很大的变化和进步，重量更轻、带宽更宽的馈源阵形式也有了多样化的发展。以往的馈源阵阵列方式均为平面布局时排列，其结构尺寸和占用空间较大，不利于星载天线有限空间布局的设计。

根据星载多波束天线的研制项目需求，申请人开展了星载多波束天线馈源阵方面的研究，实现了星载多波束天线馈源阵在星载多波束天线系统的首次应用。

发明内容

为实现星载多波束天线馈源阵在星载多波束天线系统的应用，本发明提出了一种基于星载多波束天线空间立体结构布局的对数周期馈源阵，适用于各类遥测、通信、侦查等星载天线且可组成大口径星载天线馈源系统。空间立体结构布局的对数周期馈源阵，通过使用若干副对数周期偶极子天线作为馈源阵的主要馈电组件，通过优化设计馈源阵中各个对数周期双极化天线的阵列排布方式，实现天线对特定区域的多波束覆盖。

本发明的技术方案为：

所述一种基于星载多波束天线空间立体结构布局的对数周期馈源阵，其特征在于：由五组高频馈电单元、四组低频馈电单元和复合材料支撑组件组成；高频馈电单元采用工作频段在3.6f0～fn的对数周期偶极子天线，低频馈电单元采用工作频段在f0～3.6f0的对数周期偶极子天线，f0和fn为对数周期馈源阵设计要求的工作频段低频端点和高频端点；

复合材料支撑组件由底板、支撑筒、中板以及高频单元安装板组成；支撑筒两端分别与底板和中板固定连接，高频单元安装板安装在中板上；

四组低频馈电单元底端与底板固定连接，四组低频馈电单元中部和中板连接，四组低频馈电单元分别处于支撑坐标系第一象限45°，第二象限135°，第三象限-135°，第四象限-45°位置，且四组低频馈电单元各自的中心处于第一圆周上，所述第一圆周的圆心在支撑筒中心轴线上；四组低频馈电单元分别朝向支撑筒中心轴线倾斜，且四组低频馈电单元朝向支撑筒中心轴线倾斜的倾斜角相同；所述支撑坐标系OXY的原点O在支撑筒中心轴线上，支撑坐标系XY平面垂直于支撑筒中心轴线；

五组高频馈电单元底端与高频单元安装板固定连接，其中四组高频馈电单元分别处于支撑坐标系OX正向、OY正向、OX负向、OY负向位置，且四组高频馈电单元各自的中心处于第二圆周上，所述第二圆周的圆心在支撑筒中心轴线上；还有一组高频馈电单元中心处于支撑筒中心轴线上；五组高频馈电单元平行于支撑筒中心轴线；支撑筒中心轴线上的高频馈电单元的安装位置高于其余四组高频馈电单元的安装位置。

进一步的优选方案，所述一种基于星载多波束天线空间立体结构布局的对数周期馈源阵，其特征在于：低频馈电单元朝向支撑筒中心轴线倾斜的倾斜角为1°～5°。

进一步的优选方案，所述一种基于星载多波束天线空间立体结构布局的对数周期馈源阵，其特征在于：支撑筒中心轴线上的高频馈电单元的安装位置与其余四组高频馈电单元的安装位置的高度差为1/20～1/10的高频馈电单元高度。

进一步的优选方案，所述一种基于星载多波束天线空间立体结构布局的对数周期馈源阵，其特征在于：中板以及高频单元安装板采用芳纶蜂窝夹层结构板制备；支撑筒采用芳纶氰酸酯复合材料制成；底板为碳纤维铝蜂窝夹层底板。

进一步的优选方案，所述一种基于星载多波束天线空间立体结构布局的对数周期馈源阵，其特征在于：所述对数周期偶极子天线由辐射振子、天线集合线、空气同轴内导体馈线组件组成；

所述辐射振子为金属型材；

所述天线集合线为横截面为五边形的金属空心型材，所述五边形由矩形和等腰三角形组成，其中等腰三角形的底边与矩形一边重合，所述等腰三角形顶角不大于90°；

辐射振子与天线集合线焊接固定；

所述空气同轴内导体馈线组件由金属内导体、阻抗变换段和同轴接头组成；金属内导体装在天线集合线内部，且不与天线集合线直接接触；金属内导体端部与阻抗变换段固定连接，阻抗变换段与同轴接头固定连接；所述阻抗变换段由变换段内导体和变换段介质组成；金属内导体、变换段内导体和同轴接头内导体连通；阻抗变换段实现金属内导体到同轴接头的阻抗变换。

进一步的优选方案，所述一种基于星载多波束天线空间立体结构布局的对数周期馈源阵，其特征在于：支撑筒为锥形桶。

进一步的优选方案，所述一种基于星载多波束天线空间立体结构布局的对数周期馈源阵，其特征在于：中板为方形板，中板四角有用于与低频馈电单元中部配合的凹槽，中板中央有圆形通孔；高频单元安装板为十字形板，十字形板中心有用于安装支撑筒中心轴线上的高频馈电单元的凸台；支撑筒壁面开有减轻孔和结构孔。

有益效果

本发明提出的基于星载多波束天线空间立体结构布局的对数周期馈源阵，在星上有限的空间布局要求下，通过立体结构布局和优化单元阵列分布，最大程度降低了天线之间对馈源阵电气性能的互耦影响，实现了天线宽频带、高增益的多波束覆盖要求；单元和支撑组件的结构形式简单、可靠性高，实现了良好的馈源阵刚重比要求；采用特殊的复合材料和巧妙的结构设计，在满足馈源阵主体结构强度的情况下，使支撑组件对组成的高、低频馈电单元电性能的遮挡影响降至最低(低介电系数)，并可满足空间环境要求。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：不同馈源阵阵列方式天线波束覆盖区域对比；

图2：馈源阵中单元的优化布局和安装示意图；

图3：支撑组件示意图；

图4：三种双极化对数周期偶极子天线集合线和辐射振子形式对比示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本实施例中的基于星载多波束天线空间立体结构布局的对数周期馈源阵由五组高频馈电单元、四组低频馈电单元和复合材料支撑组件组成。

复合材料支撑组件由底板、支撑筒、中板以及高频单元安装板组成；支撑筒两端分别与底板和中板固定连接，高频单元安装板安装在中板上。

复合材料支撑组件的作用是用于安装、约束九副高、低频馈电单元。设计时选择合适的材料，进行简洁、合理的结构设计和成型工艺，在保证馈源阵主体强度和刚度的情况下，尽可能增加开孔的大小和数量，最大程度保证支撑组件对馈源阵(低频段)的透波性。对馈源阵中单元增益、方向图等辐射性能产生遮挡影响的部位包括高频单元安装板(图3中的十字形板)、支撑组件中板(图3中的方形中空板)以及支撑筒。

中板为方形板，中板四角有用于与低频馈电单元中部配合的凹槽，中板中央有圆形通孔；高频单元安装板为十字形板，十字形板中心有用于安装支撑筒中心轴线上的高频馈电单元的凸台；底板为碳纤维铝蜂窝夹层底板，馈源阵中板和高频单元安装板均采用透波性能较好的有孔芳纶蜂窝夹层结构板制成；中心支撑筒为锥形薄壁结构，采用透波性能较好的芳纶氰酸酯复合材料制成，壁厚2mm，并对其侧壁增加减轻孔和结构孔等。

经过馈源阵产品的实测验证，支撑组件上部和侧壁对馈源阵低频段性能的遮挡影响几乎为零，在保证馈源阵主体强度和刚度的情况下，实现了对馈源阵性能的“零遮挡”。

本实施例中的对数周期馈源阵工作频率超过11倍频，如果使用一组对数周期天线作为馈源阵的单元实现全频段工作(如图1中a,b,c)，馈源高度较高，无法满足星载的尺寸限定要求；同时，经过阵列形成馈源阵照射天线反射面时，天线频率高端的波束覆盖区域会出现部分区域无法覆盖(见图1c)。所以本实施例中将馈源阵整个工作频率分为两部分，其中高频馈电单元采用工作频段在3.6f0～fn的对数周期偶极子天线，低频馈电单元采用工作频段在f0～3.6f0的对数周期偶极子天线，f0和fn为对数周期馈源阵设计要求的工作频段低频端点和高频端点。

而且本实施例需要满足天线全频段内的波束覆盖要求、星上空间布局尺寸约束、以及单元之间互耦引起的增益降低和方向图畸变要求。利用高频电磁仿真软件建模，通过调整单元间距、角度和空间高度位置并仿真计算，经过优化后的馈源阵阵列布局如图2所示。

四组低频馈电单元底端与底板固定连接，四组低频馈电单元中部和中板连接，四组低频馈电单元分别处于支撑坐标系第一象限45°，第二象限135°，第三象限-135°，第四象限-45°位置，且四组低频馈电单元各自的中心处于第一圆周上，所述第一圆周的圆心在支撑筒中心轴线上；四组低频馈电单元分别朝向支撑筒中心轴线倾斜，且四组低频馈电单元朝向支撑筒中心轴线倾斜的倾斜角相同，倾斜角范围为1°～5°；所述支撑坐标系OXY的原点O在支撑筒中心轴线上，支撑坐标系XY平面垂直于支撑筒中心轴线。在保证低频馈电单元的频率高端和频率低端的波束覆盖均能满足要求的基础上，最大程度的降低了低频馈电单元频率低端的互耦影响。

五组高频馈电单元底端与高频单元安装板固定连接，其中四组高频馈电单元分别处于支撑坐标系OX正向、OY正向、OX负向、OY负向位置，且四组高频馈电单元各自的中心处于第二圆周上，所述第二圆周的圆心在支撑筒中心轴线上；还有一组高频馈电单元中心处于支撑筒中心轴线上；五组高频馈电单元平行于支撑筒中心轴线；支撑筒中心轴线上的高频馈电单元的安装位置高于其余四组高频馈电单元的安装位置，高度差为1/20～1/10的高频馈电单元高度，保证高频馈电单元之间的互耦影响造成的增益下降程度最小。

另外设计时，尽量降低低频馈电单元的纵向尺寸(H2)，不仅可以有效减小低频馈电单元对高频馈电单元的互耦影响，还提高了馈源阵整体的结构性能；在满足星载空间要求下，控制高频馈电单元的安装高度(H1)，最大程度降低高频馈电单元对低频馈电单元电性能的遮挡和互耦影响。

本实施例中对对数周期偶极子天线也进行了新的设计，对数周期偶极子天线由辐射振子、天线集合线、空气同轴内导体馈线组件组成；空气同轴内导体馈线组件由金属内导体、阻抗变换段和标准同轴接头组成。其中辐射振子、天线集合线、金属内导体采用金属铝合金材料，其余支撑用的零件使用聚酰亚胺材料制成。

常规的对数周期偶极子天线，其集合线多采用圆形或矩形管结构，天线的辐射振子穿过集合线的外壁通过螺接或铆接固定。由于本实施例为空气同轴馈线对数周期偶极子天线，利用同轴线原理，采用天线集合线作为同轴馈线的外导体，为了满足空气同轴的馈线结构形式，必须使用与天线集合线同材质的铝材作为同轴馈线的内导体，同时要求保证天线集合线内部腔体连续、完整。所以本实施例中，辐射振子设计为焊接在天线集合线的侧壁上，因此，常规的圆管形截面集合线无法满足设计要求。

此外，天线为实现双极化，必须采用两副正交的线极化对数周期偶极子天线，天线的四根集合线成90°对称安装。为保证空间环境中星载条件下，天线宽频带的匹配性能，天线相对的两根集合线顶端间距必须保证一定的紧凑度，但常规的矩形管和圆形管状集合线显然不具备此条件，如图4中(a)和(b)所示。

如图4(c)所示，本实施例中天线集合线为横截面为五边形、壁厚为1mm的金属空心型材，所述五边形由矩形和等腰三角形组成，其中等腰三角形的底边与矩形一边重合，所述等腰三角形顶角不大于90°。这样满足了天线结构和电性能要求，既可以保证辐射振子的焊接要求，有可以满足紧凑的集合线顶端距离要求。

天线集合线不仅作为辐射振子的焊接支撑件，同时承担了作为同轴馈线外导体的职责。金属内导体装在天线集合线内部，且不与天线集合线短路(直接接触)。常规的同轴线内导体和介质均为圆形结构，而本实施例中采用的是五边形空气介质腔体，同轴馈线的内导体仍然使用铝合金圆型型材，所以需要根据天线阻抗匹配要求，通过仿真软件优化得到金属内导体直径。同时，当天线频带较宽、整体高度较长时，为保证金属内导体在天线集合线腔体中的结构稳定性和良好的电气性能，金属内导体采用分段结构设计，在每一段金属内导体端部侧面通过聚酰亚胺支撑块与天线集合线之间实现支撑，而且每一段的长短需根据天线的电气匹配性能进行仿真优化。

金属内导体上端通过跳线将内导体连接至对面的集合线上，金属内导体下端与阻抗变换段固定连接，阻抗变换段与标准同轴接头固定连接，作用是将非标的空气同轴馈线转换成标准的射频同轴接口(如SMA、TNC等)。所述阻抗变换段由变换段内导体和变换段介质组成，变换段介质采用聚酰亚胺材料。金属内导体、变换段内导体和同轴接头内导体连通；通过计算或仿真设计阻抗变换段，实现将空气同轴馈线过渡至标准50Ω的同轴端口。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种基于星载多波束天线空间立体结构布局的对数周期馈源阵，其特征在于：由五组高频馈电单元、四组低频馈电单元和复合材料支撑组件组成；高频馈电单元采用工作频段在3.6f0～fn的对数周期偶极子天线，低频馈电单元采用工作频段在f0～3.6f0的对数周期偶极子天线，f0和fn为对数周期馈源阵设计要求的工作频段低频端点和高频端点；

复合材料支撑组件由底板、支撑筒、中板以及高频单元安装板组成；支撑筒两端分别与底板和中板固定连接，高频单元安装板安装在中板上；

四组低频馈电单元底端与底板固定连接，四组低频馈电单元中部和中板连接，四组低频馈电单元分别处于支撑坐标系第一象限45°，第二象限135°，第三象限-135°，第四象限-45°位置，且四组低频馈电单元各自的中心处于第一圆周上，所述第一圆周的圆心在支撑筒中心轴线上；四组低频馈电单元分别朝向支撑筒中心轴线倾斜，且四组低频馈电单元朝向支撑筒中心轴线倾斜的倾斜角相同；所述支撑坐标系OXY的原点O在支撑筒中心轴线上，支撑坐标系XY平面垂直于支撑筒中心轴线；

五组高频馈电单元底端与高频单元安装板固定连接，其中四组高频馈电单元分别处于支撑坐标系OX正向、OY正向、OX负向、OY负向位置，且四组高频馈电单元各自的中心处于第二圆周上，所述第二圆周的圆心在支撑筒中心轴线上；还有一组高频馈电单元中心处于支撑筒中心轴线上；五组高频馈电单元平行于支撑筒中心轴线；支撑筒中心轴线上的高频馈电单元的安装位置高于其余四组高频馈电单元的安装位置。

2.根据权利要求1所述一种基于星载多波束天线空间立体结构布局的对数周期馈源阵，其特征在于：低频馈电单元朝向支撑筒中心轴线倾斜的倾斜角为1°～5°。

3.根据权利要求1或2所述一种基于星载多波束天线空间立体结构布局的对数周期馈源阵，其特征在于：支撑筒中心轴线上的高频馈电单元的安装位置与其余四组高频馈电单元的安装位置的高度差为1/20～1/10的高频馈电单元高度。

4.根据权利要求1所述一种基于星载多波束天线空间立体结构布局的对数周期馈源阵，其特征在于：中板以及高频单元安装板采用芳纶蜂窝夹层结构板制备；支撑筒采用芳纶氰酸酯复合材料制成；底板为碳纤维铝蜂窝夹层底板。

5.根据权利要求1所述一种基于星载多波束天线空间立体结构布局的对数周期馈源阵，其特征在于：所述对数周期偶极子天线由辐射振子、天线集合线、空气同轴内导体馈线组件组成；

所述辐射振子为金属型材；

所述天线集合线为横截面为五边形的金属空心型材，所述五边形由矩形和等腰三角形组成，其中等腰三角形的底边与矩形一边重合，所述等腰三角形顶角不大于90°；

辐射振子与天线集合线焊接固定；

所述空气同轴内导体馈线组件由金属内导体、阻抗变换段和同轴接头组成；金属内导体装在天线集合线内部，且不与天线集合线直接接触；金属内导体端部与阻抗变换段固定连接，阻抗变换段与同轴接头固定连接；所述阻抗变换段由变换段内导体和变换段介质组成；金属内导体、变换段内导体和同轴接头内导体连通；阻抗变换段实现金属内导体到同轴接头的阻抗变换。

6.根据权利要求1所述一种基于星载多波束天线空间立体结构布局的对数周期馈源阵，其特征在于：支撑筒为锥形桶。

7.根据权利要求6所述一种基于星载多波束天线空间立体结构布局的对数周期馈源阵，其特征在于：中板为方形板，中板四角有用于与低频馈电单元中部配合的凹槽，中板中央有圆形通孔；高频单元安装板为十字形板，十字形板中心有用于安装支撑筒中心轴线上的高频馈电单元的凸台；支撑筒壁面开有减轻孔和结构孔。