CN105659920B - 自馈相四臂螺旋gps卫星信号接收天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自馈相四臂螺旋GPS卫星信号接收天线，包括：馈电杆、插座、介质套、安装法兰、馈管、螺旋线、内导体；螺旋线的两端与馈管焊接在一起；馈管的后端插入安装法兰的圆孔中；位于馈管中心的内导体，左端焊接在馈管上，右端通过螺纹连接到馈电杆；馈电杆靠插座内的介质套固定在插座中；插座是天线的馈电端口，连接高频电缆实现给天线馈电。本发明简化了系统结构，提高了系统可靠性。<pb pnum="1" />

Description

自馈相四臂螺旋GPS卫星信号接收天线

技术领域

本发明涉及一种航天器天线，尤其涉及一种自馈相四臂螺旋GPS卫星信号接收天线。

背景技术

全球定位系统(GlobalPositioningSystem，简称GPS)卫星为陆地、海洋和空间的静态用户和动态用户提供全球范围、全天候、连续、实时的三维导航和精密定位与授时能力。随着GPS星座布网的完成，GPS是目前最好的导航定位系统。GPS定位应用于航天器的自主定位已有很多成功范例，主要用于定位、测速、授时。随着GPS系统的部署完整和航天器对GPS应用的推广，航天器使用其导航定位的益处越来越明显，在低轨道应用GPS导航定位已经趋于成熟。

GPS卫星信号接收天线主要用于利用GPS卫星信息进行卫星的定位。GPS卫星对外公开使用的L₁波段信号中心频率为1575.42MHz；为了减小多径效应的影响，GPS卫星传输圆极化波信号；因为GPS卫星信号接收机要能接收多颗GPS卫星发出的信号，因此要求GPS卫星信号接收天线具有半球状全方位方向图形状。根据以上要求，对GPS卫星信号接收天线的要求是能够接收频率为1575.42MHz的圆极化波，并具有从天顶到地平面方向的半球状全方位方向图形状。这些要求是GPS卫星信号接收天线的设计和研制的基本电性要求。目前，常用的GPS卫星信号接收天线有四臂螺旋天线、微带天线和圆锥螺旋天线。

根据卫星GPS天线的研制需求，在GPS卫星信号接收天线的研制阶段，对微带天线和四臂螺旋天线两种天线方案进行了论证。分别设计了两种天线方案的电性模拟件，测试结果均满足GPS卫星信号接收天线的技术指标要求。微带天线具有低剖面、结构简单的优点，但是由于微带天线对空间环境的适应性要求较高(在极端温度交变情况下，贴片易发生变形或翘曲，对天线的辐射特性产生较大的影响)，设计难度大，目前在我国航天器上还没有得到广泛的应用；同时，由于GPS卫星信号接收天线在轨无备份，一旦失效，卫星将失去自主定位功能，采用微带天线方案在环境防护以及确保天线在轨的可靠性方面还存在一定缺陷。

四臂螺旋天线在我国卫星上应用较多，它具有良好的广角圆极化半球覆盖波束。为实现圆极化，传统的四臂螺旋天线均包含一90°移相网络，结构复杂、元器件应用较多，降低了天线的可靠性。

发明内容

因此本发明所要解决的技术问题是提供一种自馈相四臂螺旋GPS卫星信号接收天线，本发明能够简化系统结构，提高系统可靠性。

本发明具体是这样实现的：

一种自馈相四臂螺旋GPS卫星信号接收天线，包括：馈电杆、插座、介质套、安装法兰、馈管、螺旋线、内导体；螺旋线的两端与馈管焊接在一起；馈管的后端插入安装法兰的圆孔中；位于馈管中心的内导体，左端焊接在馈管上，右端通过螺纹连接到馈电杆；馈电杆靠插座内的介质套固定在插座中；插座是天线的馈电端口，连接高频电缆实现给天线馈电。

按上述方案，螺旋线有4根，两两为一对；调整两对螺旋线的长度，使其中一对螺旋线的线长大于λ/2呈感性，另一对螺旋线的线长小于λ/2呈容性，容性的相位超前于感性的相位90°，从而实现圆极化辐射。

按上述方案，通过调整两对螺旋线的螺旋直径，调整两对螺旋线的长度：两对螺旋线采用了相同的轴长54mm，呈感性的一对螺旋线的螺旋直径为34～35mm，呈容性的一对螺旋线的螺旋直径为30～32mm。

按上述方案，还包括一个天线罩，罩住天线本体，为透波结构，在不影响天线辐射特性的情况下，实现对天线本体的保护。

按上述方案，天线罩采用石英纤维玻璃布模压成型，天线罩壁厚为0.8mm。

按上述方案，螺旋线与馈管之间采用银基钎焊焊接，连接点采用凸台以增加焊接面积。

按上述方案，馈管前端开有对称的两个槽，槽长为λ/4，馈管内的阻抗匹配采用λ/4阻抗变换实现。

按上述方案，螺旋线采用铍青铜丝材料。

按上述方案，馈管的后端为一个长5mm、外径为的圆柱，插入安装法兰的圆孔中，形成过盈配合，实现馈管与安装法兰的固定。

由于采用了上述装置，本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明将自馈相原理应用到四臂螺旋天线中，省略了90°移相网络，简化了系统，结构简单紧凑，提高了系统可靠性。本发明在星上工作时能同时接收9颗以上的GPS星座卫星的信号，远远超出同时接收4颗以上卫星信号的使用要求，因而其性能优越、设计先进。

同时，为保护螺旋线，本发明在天线四臂螺旋线外面加了一个薄壁的天线罩，该天线罩采用了俄罗斯进口的石英纤维玻璃布，具有透波率高、均匀性好、耐紫外辐照等优点，可以适应空间环境的要求。

同时，本发明具有生产周期短、电性能稳定、体积小、重量轻、高可靠、技术成熟度高等优点。经过了10个航天器飞行试验的成功应用，一直未出现在轨故障，技术成熟度高，产品性能稳定。

附图说明

图1是本发明的馈电结构示意图；

图2是本发明的组成结构示意图；

图3是本发明中天线本体的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施过程作进一步的说明：

在本发明的研制过程中，创造性地将自馈相原理应用到四臂螺旋天线中，采用自馈相四臂螺旋天线方案，通过仿真优化，确定螺旋四臂的升角、直径、高度等等，实现圆极化、半空间覆盖等电性能。

1、自馈相四臂螺旋天线原理

四臂螺旋天线由两对互相垂直的螺旋线组成，一般采用90°移相器给两对螺旋线馈电，实现等幅、90°相位差，从而形成半空间圆极化辐射。本发明采用自馈相原理，如图1所示，图中的d1，d2，d3，d4分别代表4根螺旋线，其中d1，d3为一对，d2，d4为另一对。其中一对螺旋线d1、d3的线长大于λ/2呈感性，另一对螺旋线d2、d4的线长小于λ/2呈容性，容性的相位超前于感性。通过调整两对螺旋线的长度，使得两对螺旋线的相位相差90°，形成圆极化辐射。

2、本发明包含三大组成部分：天线本体t1、天线罩t2、天线支架t3。这三部分通过4个Φ4的螺钉螺连在一起，如图2所示。

天线本体t1是实现天线功能的主要组成部分，形成半球覆盖波束，输入阻抗50Ω。天线罩t2为透波结构，在不影响天线辐射特性的情况下，实现对天线本体的保护功能。天线支架t3为天线的支撑结构，同时也起到避开星上其他设备对天线辐射的遮挡。

天线本体t1包括：馈电杆1、插座2、介质套I3、介质套II4、安装法兰5、馈管6、螺旋线7、凸台8、内导体9组成，如图3所示。

螺旋线7的两端通过银钎焊与馈管6焊接在一起，螺旋线7选用铍青铜丝材料，保证螺旋加工成型后形状不因外力而改变，而且在振动时螺旋线7与馈管6之间不会有相对位移；馈管6的右端为一个长5mm、外径为的圆柱，插入安装法兰5的圆孔形成过盈配合，实现馈管6与安装法兰5的固定；位于馈管6中心的内导体9，左端焊接在馈管6上，右端通过螺纹连接到馈电杆1，馈电杆1靠插座2内的介质套I3和介质套II4固定在插座2中；插座2是天线的馈电端口，连接高频电缆实现给天线馈电。

3、天线罩设计

天线罩t2采用石英纤维玻璃布模压成型，该材料具有透波性能好、损耗小等优点。天线罩壁厚设计为0.8mm，经过电性能测试，对天线的辐射特性没有影响。

4、天线螺旋线的焊接工艺

要将四根螺旋线7与馈管6连接在一起，共需要进行8个焊点的连接，如图3所示。在连接点采用凸台8，增加了焊接面积，焊接方式采用银钎焊方式，大大提高了焊点的连接强度，顺利通过了鉴定级环境试验考核，保证了天线的可靠度的实现。

以下是本发明的一个具体实施例：

1、自馈相设计

从结构紧凑、组成简单和可靠性高等要求，考虑对GPS卫星信号接收天线采用了自馈相方案，将四臂螺旋天线和移相器集成为一体，减少了部件，简化了系统，提高了可靠性。

GPS卫星信号接收天线本体的馈电设计采用50欧姆同轴系统，采用λ/4开槽馈电方式(silver馈电)。馈管6内的阻抗匹配采用λ/4阻抗变换实现，天线射频接口采用SMA(Female)。

在天线的自馈相原理实现过程中，主要辐射结构——两对螺旋线采用了相同的轴长54mm，按照前述原理，调整两对螺旋线的螺旋直径，螺旋线d1、d3的螺旋直径为34～35mm，d2、d4的螺旋直径为30～32mm。这样，螺旋线d1、d3的线长大于λ/2呈感性，另一对螺旋线d2、d4的线长小于λ/2呈容性。螺旋线d2、d4的相位超前d1、d3约90°，从而实现圆极化辐射。

2、天线罩设计

自馈相四臂螺旋GPS卫星信号接收天线外面有一个石英纤维复合材料构成的天线罩，它暴露在空间。天线罩表面喷涂SR107-ZK白漆。

3、天线螺旋线的焊接工艺实施

自馈相四臂螺旋GPS卫星信号接收天线的机械结构主要由4根螺旋线与天线馈电主体部分焊接成型，其生产工艺主要是如何保证螺旋线的加工成型精度及天线馈电主体的焊接质量，也就是4根螺旋线与天线主体的8处焊点质量及焊接完成后天线的整体尺寸与精度。

(1)螺旋线成型

螺旋线由铍青铜加工形成。先将铍青铜丝热处理，淬火后，通过模具绕制成型，将螺旋线绕在模具上成型时，螺旋线两端要折弯成直线段，折弯时不排除产生微裂纹的可能性，因此必须严格控制该道工序。在操作中通过以下两种措施保证工序质量：

①螺旋线只允许一次折弯定型，确保一次折弯成功。

②对于折弯定型一次成功的螺旋线，对其折弯点进行无损探伤，保证折弯部位无裂纹。

(2)螺旋线与天线馈管焊接

螺旋线与馈管采用银基钎焊。焊接时，采用焊丝Bag40CuZnCd，焊剂QJ103，使用2号焊枪，用焊丝沾取焊剂，加热焊接，焊缝要求饱满，圆滑。焊接后焊点不允许修锉，不能二次补焊。对焊缝执行无损探伤排除焊缝存在产生裂纹和气泡的可能性，确保焊接质量达到技术要求。

Claims (8)

1.一种自馈相四臂螺旋GPS卫星信号接收天线，包括：馈电杆、插座、介质套、安装法兰、馈管、螺旋线、内导体；

螺旋线的两端与馈管焊接在一起；馈管的后端插入安装法兰的圆孔中；位于馈管中心的内导体，左端焊接在馈管上，右端通过螺纹连接到馈电杆；馈电杆靠插座内的介质套固定在插座中；插座是天线的馈电端口，连接高频电缆实现给天线馈电；

螺旋线有4根，两两为一对；调整两对螺旋线的长度，使其中一对螺旋线的线长大于λ/2呈感性，另一对螺旋线的线长小于λ/2呈容性，容性的相位超前于感性的相位90°，从而实现圆极化辐射。

2.如权利要求1所述的GPS卫星信号接收天线，其特征在于，通过调整两对螺旋线的螺旋直径，调整两对螺旋线的长度：两对螺旋线采用了相同的轴长54mm，呈感性的一对螺旋线的螺旋直径为34～35mm，呈容性的一对螺旋线的螺旋直径为30～32mm。

3.如权利要求1所述的GPS卫星信号接收天线，其特征在于，还包括一个天线罩，罩住天线本体，为透波结构，在不影响天线辐射特性的情况下，实现对天线本体的保护。

4.如权利要求3所述的GPS卫星信号接收天线，其特征在于，天线罩采用石英纤维玻璃布模压成型，天线罩壁厚为0.8mm。

5.如权利要求1所述的GPS卫星信号接收天线，其特征在于，螺旋线与馈管之间采用银基钎焊焊接，连接点采用凸台以增加焊接面积。

6.如权利要求1所述的GPS卫星信号接收天线，其特征在于，馈管前端开有对称的两个槽，槽长为λ/4，馈管内的阻抗匹配采用λ/4阻抗变换实现。

7.如权利要求1所述的GPS卫星信号接收天线，其特征在于，螺旋线采用铍青铜丝材料。

8.如权利要求1至7中任意一项所述的GPS卫星信号接收天线，其特征在于，馈管的后端为一个长5mm、外径为的圆柱，插入安装法兰的圆孔中，形成过盈配合，实现馈管与安装法兰的固定。