CN106711576B - 太阳能电池与缝隙天线集成一体化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了太阳能电池与缝隙天线集成一体化装置，包括缝隙天线、太阳能电池、金属地板、介质基板与微带线；所述金属地板位于介质基板之上，金属地板上设置缝隙天线，介质基板下方覆微带线用于为缝隙天线馈送能量，微带线与缝隙天线形成电磁耦合从而产生电磁辐射；太阳能电池位于金属地板的上方且太阳能电池不覆盖缝隙天线，缝隙天线贯穿太阳能电池和金属地板；所述金属地板作为缝隙天线和太阳能电池的共用地平面。解决在微纳卫星有限的表面积上太阳能电池与天线系统相互争夺空间资源的问题，并减少卫星体积，降低卫星重量，增大太阳能电池受光面积。
Description
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，涉及一种用于立体微纳卫星上的太阳能电池与缝隙天线集成一体化装置。
背景技术
微纳卫星是目前航天科学与空间技术领域研究的热点，由于具有体积小、功耗低、开发周期短和可编队组网的特点，微纳卫星能够以较低的成本完成很多复杂的空间任务。但由于受到体积和质量限制，微纳卫星的载荷能力有限，功能和在轨任务均较为单一。目前，太阳能电池和天线系统总共占据微纳卫星重量的1/4到1/3，并且太阳能电池和天线系统各自独立设计，二者互相争夺着卫星上极其有限的空间资源。
微纳卫星上常用天线有偶极子天线、四臂螺旋天线、微带贴片天线、缝隙天线；其中四臂螺旋天线在微纳卫星上最常用，但由于其体积和重量都较大，不利于卫星的小型化和轻量化；微带贴片天线具有占用空间小、便于与面状承载物集成、容易形成阵列等优势，在微纳卫星上也时有应用；缝隙天线可以无突出地做在金属平面上，易于圆极化，易组成阵列天线，可实现较高增益和良好的方向性，在高速飞行器上有广泛应用。
随着科技水平的提高，太阳能电池新材料、新技术不断涌现，目前硅系太阳能电池在市场上仍然占据主导地位，多元化合物太阳能电池材料光电转换效率高，已在空间领域崭露头角，发展潜力巨大。
中国专利公开了一种“太阳能电池集成天线的装置”(专利号：201010537602.2)。该装置采用贴片天线与太阳能电池集成的方式，贴片天线和太阳能电池共用地平面，太阳能电池半导体基底包括底部N型区、P型区和高阻区，贴片天线单元位于高阻区上方，太阳能电池顶电极位于N型区上方。
发明人对现有技术研究发现，太阳能电池集成贴片天线的装置对太阳能电池结构的要求较苛刻，使其在实际应用中会受到诸多限制，该装置仅适用于太阳能电池是单个PN结的情况，并不适用于效率较高的多个PN结太阳能电池、多元化合物太阳能电池材料及发展较快的各种新型太阳能电池材料。因为多元化合物太阳能电池除了基底的三个层区外，还有许多必须的其他材料层。贴片天线本身面积就比较大，将金属贴片嵌入到太阳能电池中，太阳能电池的导电层包围金属贴片，当金属贴片辐射电磁波时，金属贴片会与周围的导电层产生电磁耦合，必然影响贴片天线的辐射性能。为了消除耦合效应，需要金属贴片与导电层相隔很大的距离。金属贴片本身具有的较大面积，再加上与导电层之间所必须的很大间隔，二者会使太阳能电池损失很大的受光面积。而太阳能电池工作时，会产生很大的热量，必然造成金属贴片工作于较高的温度下，这会大幅度降低天线性能尤其是天线辐射效率。此外，该装置结构较复杂，对太阳能板先开孔再安装馈线的方法，使制作过程繁琐，增加制造成本。
另外，发明人在对缝隙天线和太阳能电池中的研究中还发现，微带缝隙天线和太阳能电池具有相似的层状结构。微带缝隙天线由一定介电常数的介质基板、位于介质基板上方的带有缝隙的金属地板和位于介质基板下方的微带馈电线构成，而太阳能电池可以使用金属基板作为衬底，并用作太阳能电池的一个输出电极。如果将微带缝隙天线的金属地板用作太阳能电池的衬底，缝隙天线与太阳能电池共用接地板，实现天线与太阳能电池的融合，能够在满足卫星通信的情况下，增大太阳能电池的受光面积，而卫星供电系统和电磁辐射系统的融合有利于卫星的小型化、轻量化发展。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供一种太阳能电池与缝隙天线集成一体化装置，解决在微纳卫星有限的表面积上太阳能电池与天线系统相互争夺空间资源的问题，并减少卫星体积，降低卫星重量，增大太阳能电池受光面积。
本发明所采用的技术方案是，太阳能电池与缝隙天线集成一体化装置，包括缝隙天线、太阳能电池、金属地板、介质基板与微带线；所述金属地板位于介质基板之上，金属地板上设置缝隙天线，介质基板下方覆微带线用于为缝隙天线馈送能量，微带线与缝隙天线形成电磁耦合从而产生电磁辐射；太阳能电池位于金属地板的上方且太阳能电池不覆盖缝隙天线，缝隙天线贯穿太阳能电池和金属地板；所述金属地板作为缝隙天线和太阳能电池的共用地平面。
进一步的，所述缝隙天线为多个十字形缝隙单元，构成圆极化阵列天线。
进一步的，所述缝隙天线为单一缝隙天线，或阵列缝隙组成的线极化天线。
进一步的，所述缝隙天线的形状为矩形或其他不规则形状。
进一步的，所述缝隙天线采取同轴传输线馈电方式或微带线馈电方式。
进一步的，所述微带线的馈电网络采用T型功率分配器或Wilkinson功率分配器的形式。
进一步的，所述Wilkinson功率分配器的输出端口之间通过焊接隔离电阻隔离。
进一步的，所述微带线馈电的方式包括微带线处于缝隙天线下方中心位置的中心馈电、偏离中心位置的偏馈和侧馈。
进一步的，所述微带线的形状为矩形、梯形或其他不规则形状。
进一步的，所述太阳能电池上设置保护层，所述金属地板采用不锈钢材料。
本发明的有益效果是：可有效解决小卫星表面太阳能电池和天线的资源占用问题，减小装置的体积，降低装置的重量，增大太阳能板受光面积，有利于提高小卫星单位体积内可提供的载荷能力。相比太阳能电池集成天线的装置，本发明的装置结构更加简单实用，且消除了对太阳能电池材料的使用限制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1微带缝隙天线结构示意图。
图2三结非晶硅薄膜太阳能电池叠层结构图。
图3微带缝隙天线俯视结构图。
图4微带缝隙天线底面结构图。
图5太阳能电池与微带缝隙天线集成一体化装置结构图。
图中，1.缝隙天线，2.太阳能电池，3.金属地板，4.介质基板，5.微带线，6.隔离电阻，7.T型功率分配器，8.Wilkinson功率分配器，101.第一缝隙，102.第二缝隙，103.第三缝隙，104.第四缝隙，10.十字缝隙单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在研究太阳能电池与天线融合技术的过程中，发明人发现微带缝隙天线和太阳能电池具有相似的平面层状结构特性。图1所示的微带缝隙天线结构图，包括：缝隙天线1、金属地板3、介质基板4与微带线5。微带缝隙天线的主体结构是金属地板3和介质基板4的叠层结构，其中金属地板3位于介质基板4之上，通过化学腐蚀方法在金属地板3上制作缝隙天线1和在介质基板4下方覆微带线5。金属地板3和微带线5采用具有良好电导率的材料，常用不锈钢和铜。介质基板4要根据天线的工作频率和工作环境确定合适的介电常数和损耗正切。图2所示的三结非晶硅薄膜太阳能电池的结构，在不锈钢薄片上沉积了铝或银等良电导率层、透明导电膜氧化锌层、三结非晶硅层(a-Si:H)和背电极层，背电极层由透明导电膜氧化锌层、增透膜氟化镁层和银电极构成，生成典型的叠层结构太阳能电池。可查资料证明，其他材料的太阳能电池也大多采用类似的叠层结构。
微带缝隙天线俯视结构，如图3所示，缝隙天线1由四个2×2排列的十字缝隙单元10组成，十字缝隙单元10由大小相同的第一缝隙101、第二缝隙102、第三缝隙103和第四缝隙104组成，当第一缝隙101、第二缝隙102、第三缝隙103、第四缝隙104辐射的电磁波幅值相等、相位依次相差90°时，构成右旋圆极化缝隙天线。反之，则构成左旋圆极化缝隙天线。横向和纵向的两个十字缝隙单元10之间的间距为△L，第一缝隙101、第二缝隙102、第三缝隙103、第四缝隙104的长度为L，宽度为W。
微带缝隙天线底面结构，如图4所示，包括介质基板4和微带线5。微带线5采用T型功率分配器7和Wilkinson功率分配器8相结合的方式进行设计。首先采用三个T型功率分配器7产生四路等幅同相的输出信号，每路输出信号作为单个十字缝隙单元10对应阵元的激励源。单个十字缝隙单元10对应的阵元激励网络采用三个Wilkinson功率分配器8产生四路幅值相等、相位依次相差90°的输出信号，每路输出信号作为对应十字缝隙单元10的馈源，隔离电阻6起到增加输出端口隔离度的作用。假设某段微带线长度为ML，宽度为MW，所对应的特征阻抗为50Ω，电场在该段相移90°。
下面以天线工作的中心频点f＝2.5GHz为例说明天线参数：每个缝隙的长度L、宽度W、微带线长度ML、微带线宽度MW、横向和纵向的两个十字缝隙单元10之间的间距△L的取值方法，已知介质基板的相对介电常数εr＝2.2，介质基板的厚度d＝0.127cm；天线在2.5GHz处的特征阻抗Z0＝50Ω，相移φ＝90°。
微带线的宽度计算公式为：
式中，e为自然常数，系数A和系数B由下式给出：
由上述公式可计算得到：MW＝3.081d＝0.391cm
介质基板的有效介电常数为：
微带线的长度为：
式中c是真空中的光速。
介质基板中电磁波的波长为：
缝隙长度L的取值范围为：0.4λ0～0.5λ0，即3.236cm～4.045cm
缝隙宽度较窄，一般W取值在1.5mm左右。
两个十字缝隙单元10之间的距离△L＝0.5nλ0，n＝1,2,3,……。根据实际情况，取合适的n值即可。
上述计算方法得到的参数值都是理论值，实际应用中需在理论值的基础上进行微调，才能获得良好的天线性能。
如图5所示的太阳能电池与微带缝隙天线集成一体化装置结构图，包括：缝隙天线1、太阳能电池2、金属地板3、介质基板4、微带线5。其中金属地板3位于介质基板4之上，金属地板3作为缝隙天线1和太阳能电池2的共用地平面；通过化学腐蚀方法在金属地板3上制作缝隙天线1和在介质基板4下方覆微带线5，太阳能电池2位于金属地板3的上方，太阳能电池2不覆盖缝隙天线1，即缝隙天线1贯穿太阳能电池2和金属地板3，可以在太阳能电池2上安装保护层(如玻璃)，且不需要在保护层上制作缝隙。金属地板3采用不锈钢材料，金属地板3是微带缝隙天线的地平面，同时又是太阳能电池2的一个输出电极。
缝隙天线1包括多个十字缝隙单元10，构成圆极化阵列天线；微带线5馈电网络位于介质基板4之下，为缝隙天线1馈送能量，与缝隙天线1形成电磁耦合从而产生电磁辐射。
太阳能电池与微带缝隙天线集成一体化装置，采用微带线馈电的方式，包括微带线5处于缝隙下方中心位置的中心馈电、偏离中心位置的偏馈和侧馈情况，本文实施例描述的是偏离中心位置的偏馈情况。微带线的偏心位置影响天线的输入阻抗，合理选择偏心位置使天线的输入阻抗和微带线的特性阻抗相匹配，可以增大天线带宽并简化复杂的匹配网络。
微带线5为矩形、梯形或其他不规则形状。矩形微带线是最常用的形状，结构简单，易于生产制造，且具有成熟的理论计算公式。其他形状的微带线结构一般较为复杂，需要设计者具有丰富的微带线设计经验，但可以获得较为优良的天线性能，如极大的天线带宽。
微带线5馈电网络采用T型功率分配器或Wilkinson功率分配器或二者相结合的形式。T型功率分配器结构简单，输出端口之间无隔离。Wilkinson功率分配器输出端口之间有隔离，但需要焊接隔离电阻6。
缝隙天线1的第一种馈电方式即采用上述的微带线馈电。
缝隙天线1的另一种馈电方式是采取同轴传输线馈电方式。同轴传输线馈电较适用于单缝隙天线，对于由多个缝隙组成的阵列天线，若每个缝隙都由同轴线馈电，则馈线结构极为复杂，所以阵列缝隙不宜采用同轴传输线馈电方式。
缝隙天线1的形状是矩形或其他不规则形状。矩形缝隙是最常用的缝隙天线，结构简单易制备，易于组成阵列实现圆极化。其他形状的缝隙主要是为了实现天线特定性能，如环形缝隙天线具有良好的定向性。
缝隙天线1的一种形式如上所述，采用十字缝隙单元；缝隙天线1的另一种形式为单一缝隙，或阵列缝隙组成的线极化天线。
太阳能电池2采用的太阳能电池材料不受限制，包括硅系太阳能电池、多元化合物太阳能电池等。
微纳卫星的质量通常小于十千克，采用立方体结构。由于体积、质量及成本的限制，微纳卫星不能像传统的大卫星安装可伸展的太阳能帆板，微纳卫星的太阳能电池平铺并固定于卫星表面。而太阳能电池中导电层的存在会阻碍电磁波的传播，所以卫星通信天线不能放置于太阳能电池下方，太阳能电池也不能铺满卫星表面，必须留出一部分卫星表面安装通信天线，这势必造成卫星表面空间的浪费，也会减少太阳能电池的面积。而采用本发明所述的装置，通过太阳能电池和缝隙天线共用接地板，太阳能电池成为天线的一部分，在保证天线性能基本不受影响的情况下，太阳能电池就能够铺满卫星表面，且缝隙天线的缝隙很窄，只会占用极少的太阳能电池面积，这样就可以达到增大太阳能电池受光面积的目的。本发明所述的装置，实现了卫星供电系统和电磁辐射系统的融合，可有效解决微纳卫星表面太阳能电池和天线的资源占用问题，减小装置的体积，降低装置的重量，增大太阳能板受光面积，有利于提高小卫星单位体积内可提供的载荷能力，有利于实现卫星的小型化、轻量化。
相比于太阳能电池集成贴片天线的装置，本发明所述的装置具有诸多优点。贴片天线的辐射金属贴片面积较大，且需要太阳能电池的导电层保留一定的间距，比缝隙天线占用更多的太阳能电池受光面积。既使金属贴片与太阳能电池的导电层保留一定的间距，也只能降低而无法消除金属贴片与其周围导电层的电磁耦合效应对贴片天线性能的影响，本发明所述的装置使太阳能电池成为天线的一部分，太阳能电池的导电性对缝隙的电磁辐射有一定的促进作用，所以太阳能电池基本不会影响缝隙天线性能。太阳能电池工作时，会产生很大的热量，必然造成贴片天线工作于较高的温度下，这会大幅度降低天线性能尤其是天线辐射效率，而本发明所述装置的馈电系统和电磁辐射系统是相分离的，没有物理上的接触，借助于电磁耦合作用产生电磁辐射，温度变化对于天线辐射性能的影响很小。相比于贴片天线，缝隙天线更易获得天线的圆极化和高增益。圆极化天线抗干扰能力强，此外卫星通信天线必须圆极化，高增益是设备进行远距离通信所必需的。本发明所述的装置，通过微带线对十字缝隙单元进行馈电，调整微带线的长度使十字缝隙单元的四个缝隙辐射的电磁波相位相差90°，即可实现天线圆极化，且通过延展微带线馈电网络，便可实现对缝隙阵列进行馈电，从而获得高增益。本发明所述的装置，容易实现卫星天线的圆极化和高增益，且结构简单，易于制备。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.太阳能电池与缝隙天线集成一体化装置，其特征在于，包括缝隙天线(1)、太阳能电池(2)、金属地板(3)、介质基板(4)与微带线(5)；所述金属地板(3)位于介质基板(4)之上，金属地板(3)上设置缝隙天线(1)，介质基板(4)下方覆微带线(5)用于为缝隙天线(1)馈送能量，微带线(5)与缝隙天线(1)形成电磁耦合从而产生电磁辐射；太阳能电池(2)位于金属地板(3)的上方且太阳能电池(2)不覆盖缝隙天线(1)，缝隙天线(1)贯穿太阳能电池(2)和金属地板(3)；所述金属地板(3)作为缝隙天线(1)和太阳能电池(2)的共用地平面；
所述缝隙天线(1)由多个十字缝隙单元(10)组成，构成圆极化阵列天线，每个十字缝隙单元(10)由大小相同的第一缝隙(101)、第二缝隙(102)、第三缝隙(103)和第四缝隙(104)组成，第一缝隙(101)、第二缝隙(102)、第三缝隙(103)、第四缝隙(104)的长度为L、宽度为W，长度L的取值范围为：0.4λ0～0.5λ0，λ0为介质基板(4)中电磁波的波长，满足两个十字缝隙单元(10)之间的距离△L＝0.5nλ0，n＝1,2,3,……；
所述微带线(5)馈电的方式为偏离中心位置的偏馈；
所述微带线(5)采用T型功率分配器和Wilkinson功率分配器相结合的方式，首先采用三个T型功率分配器产生四路等幅同相的输出信号，每路输出信号作为单个十字缝隙单元(10)对应阵元的激励源，单个十字缝隙单元(10)对应的阵元激励网络采用三个Wilkinson功率分配器产生四路幅值相等、相位依次相差90°的输出信号，每路输出信号作为对应十字缝隙单元(10)的馈源，Wilkinson功率分配器(9)的输出端口之间通过焊接隔离电阻(6)隔离；
所述微带线(5)的形状为矩形或梯形；
所述太阳能电池(2)上设置保护层，所述金属地板(3)采用不锈钢材料。
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