CN108306102A - 一种空间太阳能电站移相天线单元 - Google Patents

一种空间太阳能电站移相天线单元 Download PDF

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CN108306102A CN201810093913.0A CN201810093913A CN108306102A CN 108306102 A CN108306102 A CN 108306102A CN 201810093913 A CN201810093913 A CN 201810093913A CN 108306102 A CN108306102 A CN 108306102A
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张福顺
张洪银
张凡
刘大桥
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Abstract

本发明提供一种空间太阳能电站移相天线单元，包括腔体顶部、腔体中部和腔体底部，所述的腔体顶部、腔体中部和腔体底部从上到下依次叠加连接，所述的腔体顶部上开有辐射缝隙；腔体底部中央设有腔体底部开孔；腔体中部内设有馈电结构和极化扭转板，馈电结构的馈电结构对称阵子支撑柱上端与极化扭转板连接，馈电结构下端与腔体底部连接；极化扭转板上侧到腔体顶部内侧距离为20.2mm。本发明具有高增益，高辐射效率，高承受功率特性的空间太阳能电站移相天线单元；本发明具有非常好的实用价值，为空间巨型发射天线阵列打下了良好的基础。

Description

一种空间太阳能电站移相天线单元
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种空间太阳能电站移相天线单元。
背景技术
空间太阳能发电站是指将GEO轨道上的太阳能通过新的工程技术手段有效采集并传输到地面成为供使用的电能。这里的技术手段通常指的是无线功率传输系统，即将轨道处收集的太阳能通过微波传输的方式传到地面。无线传输系统的发射天线是该系统的一个关键部件，在高功率传输系统中，如何设计模块化、轻量化、高效率、波束指向调整方便的太空高功率巨型发射天线阵列是空间太阳能电站系统急需解决的“瓶颈”技术之一。
为了波束调整灵活，一般采用相控阵天线设计发射天线阵列。然而传统的相控阵天线，其控制相位变化的移相器最高承受功率仅在MW级别，无法适用于此高功率传输系统。因此，设计新型的可承受高功率的移相天线是现阶段的一大技术难点。
一般来讲，金属喇叭天线和反射面天线具有良好的辐射特性。然而，它们一般尺寸较大，加工工艺复杂。在2008年，有学者提出了一些微带阵列天线和SIW腔体天线。其中，天线采用连续旋转馈电结构对64阵元的天线阵列馈电，得到了良好的辐射性能。天线采用TM330和TM440模式实现高增益性能。无论怎样，以上微带天线的馈电网络由于存在介质损耗，降低了天线的辐射效率。因此，为解决此类问题，S. A. Muhammad后来提出金属的Fabry-Perot（FP）天线，通过叠加两个大小不同的FP腔体实现增益高达15.9dB的辐射性能。而中天线在更小的口径实现了大约18.5dBic的圆极化性能。本发明在上述的研究成果上进一步改进，设计出具有高增益，高辐射效率，高承受功率特性的空间太阳能电站移相天线单元，该问题的解决对于下一步空间巨型发射天线阵列的设计有着非常重要的基础作用和工程应用价值。
发明内容
为了克服现有存在介质损耗，降低了天线的辐射效率的问题，本发明提供如图1-10所示的一种空间太阳能电站移相天线单元，本发明具有高增益，高辐射效率，高承受功率特性的空间太阳能电站移相天线单元；本发明具有非常好的实用价值，为空间巨型发射天线阵列打下了良好的基础。
本发明采用的技术方案为：
一种空间太阳能电站移相天线单元，包括腔体顶部、腔体中部和腔体底部，所述的腔体顶部、腔体中部和腔体底部从上到下依次叠加连接，所述的腔体顶部上开有辐射缝隙；腔体底部中央设有腔体底部开孔；腔体中部内设有馈电结构和极化扭转板，馈电结构的馈电结构对称阵子支撑柱上端与极化扭转板连接，馈电结构下端与腔体底部连接。
所述的腔体顶部是中空铝制腔体，其外部尺寸为长140mm、宽54mm、高22.7mm、厚度为2.5mm。
所述的辐射缝隙为八条，八条辐射缝隙穿透腔体顶部的上部，且均匀分布，每个辐射缝隙的尺寸为长26.6mm、宽4mm、高2.5mm。
所述的极化扭转板为铝制栅板，其外部尺寸为长140mm、宽54mm、高2.5mm，实心轮廓宽度2.5mm，铝制栅条斜45°放置，宽度1mm，间隔1.3mm。
所述的腔体底部是中空铝制腔体，其外部尺寸为长140mm、宽54mm、高18.5mm，厚度为2.5mm，腔体底部中央设有腔体底部开孔，腔体底部开孔由两个圆柱形开孔组成，上大下小，大的半径10mm，高度6mm，小的为贯通孔，半径4.5mm，高度5mm。
所述的馈电结构包括馈电结构对称阵子振子臂、馈电结构对称阵子平衡馈电部件、馈电结构对称阵子支撑柱、馈电结构馈电同轴线404和馈电结构轴承；馈电结构对称阵子振子臂为圆柱形，直径2.6mm，长度6.5mm；馈电结构对称阵子平衡馈电部件上端与对应的对称阵子振子臂401相连，馈电结构对称阵子平衡馈电部件下端与馈电结构对称阵子支撑柱连接，馈电结构馈电同轴线从下到上通穿过馈电结构对称阵子支撑柱和馈电结构对称阵子平衡馈电部件；馈电结构轴承为圆环柱结构，其内圈与馈电结构对称阵子支撑柱下部相连，外圈与腔体底部相连。
所述的馈电结构对称阵子平衡馈电部件由两个空心的铜制长方体组成，两个铜制长方体上端分别与对应的对称阵子振子臂相连，其中一个空心的铜制长方体内设置有馈电结构馈电同轴线，馈电结构馈电同轴线上端的内芯与另一个空心的铜制长方体电连接；所述的铜制长方体尺寸为长4mm、宽4mm、高14.4mm。
所述的馈电结构轴承为圆环柱结构，其内圈半径4.5mm，外圈半径10mm，高度6mm。
所述的馈电结构对称阵子支撑柱为圆柱体结构，半径4.5mm，高度24mm。
所述的腔体顶部、腔体中部和腔体底部从上到下依次叠加连接，叠加总厚度为38.2mm。
本发明的有益效果为：
本发明具有高增益，高辐射效率，高承受功率特性的空间太阳能电站移相天线单元，该问题的解决对于下一步空间巨型发射天线阵列的设计有着非常重要的基础作用和工程应用价值。
以下将结合附图进行进一步的说明。
附图说明
图1为空间太阳能电站移相天线单元的结构展开示意图。
图2为空间太阳能电站移相天线单元的馈电结构图。
图3为移相天线单元理论分析模型。
图4为辐射相位随振子臂转动角变化仿真曲线。
图5为辐射相位随振子臂转动角变化实测曲线。
图6为电压驻波比随频率变化曲线。
图7为增益和效率随频率变化曲线。
图8为天线单元工作于5.75GHz处的仿真和实测方向图。
图9为天线单元工作于5.8 GHz时的仿真和实测方向图。
图10为天线单元工作于5.85GHz处的仿真和实测方向图。
图11为极化扭转板理论分析模型。
图中，附图标记为：1、腔体顶部；101、辐射缝隙；2、腔体中部；3、腔体底部；301、腔体底部开孔；4、馈电结构；401、馈电结构对称阵子振子臂；402、馈电结构对称阵子平衡馈电部件；403、馈电结构对称阵子支撑柱；404、馈电结构馈电同轴线；405、馈电结构轴承；5、极化扭转板。
具体实施方式
实施例1：
为了克服现有存在介质损耗，降低了天线的辐射效率的问题，本发明提供如图1-11所示的一种空间太阳能电站移相天线单元，本发明具有高增益，高辐射效率，高承受功率特性的空间太阳能电站移相天线单元；本发明具有非常好的实用价值，为空间巨型发射天线阵列打下了良好的基础。
一种空间太阳能电站移相天线单元，包括腔体顶部1、腔体中部2和腔体底部3，所述的腔体顶部1、腔体中部2和腔体底部3从上到下依次叠加连接，所述的腔体顶部1上开有辐射缝隙101；腔体底部3中央设有腔体底部开孔301；腔体中部2内设有馈电结构4和极化扭转板5，馈电结构4的馈电结构对称阵子支撑柱403上端与极化扭转板5连接，馈电结构4下端与腔体底部3连接。
考虑到天线单元高辐射效率以及承受大功率的要求，天线采取腔体缝隙结构，腔体顶部1上开有辐射缝隙101，在并由一个偶极子对其馈电。由于单个偶极子能够有效激励的腔体缝隙数目有限，限制了天线单元的增益。为进一步提高天线单元增益，在腔体中部加载了一个极化扭转板5，用来将电磁波极化方向扭转90°。
由于偶极子和腔体矩形缝隙的极化方向相差90°，偶极子激励的电磁波经过缝隙不被辐射，而反射回的电磁波经过腔体中部2的扭转极化板5反射后，极化方向扭转90°，再次经过腔体顶部1的辐射缝隙101进行辐射，此时，电磁波的极化方向与辐射缝隙101结构的极化方向是相同的。相比单个偶极子激励机制，电磁波经过扭转极化板5反射后，在腔体形成均匀的电磁波，能够有效激励更多数目的缝隙结构进行辐射，进而极大地提高了天线单元的增益。
实施例2：
基于上述实施例的基础上，本实施例中，所述的腔体顶部1是中空铝制腔体，其外部尺寸为长140mm、宽54mm、高22.7mm、厚度为2.5mm。
所述的辐射缝隙101为八条，八条辐射缝隙101穿透腔体顶部1的上部，且均匀分布，每个辐射缝隙101的尺寸为长26.6mm、宽4mm、高2.5mm。
所述的极化扭转板5为铝制栅板，其外部尺寸为长140mm、宽54mm、高2.5mm，实心轮廓宽度2.5mm，铝制栅条斜45°放置，宽度1mm，间隔1.3mm。
所述的腔体底部3是中空铝制腔体，其外部尺寸为长140mm、宽54mm、高18.5mm，厚度为2.5mm，腔体底部3中央设有腔体底部开孔301，腔体底部开孔301由两个圆柱形开孔组成，上大下小，大的半径10mm，高度6mm，小的为贯通孔，半径4.5mm，高度5mm。
所述的馈电结构4包括馈电结构对称阵子振子臂401、馈电结构对称阵子平衡馈电部件402、馈电结构对称阵子支撑柱403、馈电结构馈电同轴线404和馈电结构轴承405；馈电结构对称阵子振子臂401为圆柱形，直径2.6mm，长度6.5mm；馈电结构对称阵子平衡馈电部件402上端与对应的对称阵子振子臂401相连，馈电结构对称阵子平衡馈电部件402下端与馈电结构对称阵子支撑柱403连接，馈电结构馈电同轴线404从下到上通穿过馈电结构对称阵子支撑柱403和馈电结构对称阵子平衡馈电部件402；馈电结构轴承405为圆环柱结构，其内圈与馈电结构对称阵子支撑柱403下部相连，外圈与腔体底部3相连。
所述的馈电结构对称阵子平衡馈电部件402由两个空心的铜制长方体组成，两个铜制长方体上端分别与对应的对称阵子振子臂401相连，其中一个空心的铜制长方体内设置有馈电结构馈电同轴线404，馈电结构馈电同轴线404上端的内芯与另一个空心的铜制长方体电连接；所述的铜制长方体尺寸为长4mm、宽4mm、高14.4mm。
所述的馈电结构轴承405为圆环柱结构，其内圈半径4.5mm，外圈半径10mm，高度6mm。
所述的馈电结构对称阵子支撑柱403为圆柱体结构，半径4.5mm，高度24mm。
所述的腔体顶部1、腔体中部2和腔体底部3从上到下依次叠加连接，叠加总厚度为38.2mm。极化扭转板5上侧到腔体顶部1内侧距离为20.2mm。
考虑到天线单元高辐射效率以及承受大功率的要求，天线采取腔体缝隙结构，并由一个偶极子对其馈电。由于单个偶极子能够有效激励的腔体缝隙数目有限，限制了天线单元的增益。为进一步提高天线单元增益，在腔体中部加载了一个极化扭转板5，用来将电磁波极化方向扭转90°。
由于偶极子和腔体矩形缝隙的极化方向相差90°，偶极子激励的电磁波经过缝隙不被辐射，而反射回的电磁波经过腔体中部2的扭转极化板5反射后，极化方向扭转90°，再次经过腔体顶部1的辐射缝隙101进行辐射，此时，电磁波的极化方向与辐射缝隙101结构的极化方向是相同的。
相比单个偶极子激励机制，电磁波经过扭转极化板5反射后，在腔体形成均匀的电磁波，能够有效激励更多数目的缝隙结构进行辐射，进而极大地提高了天线单元的增益。
该天线单元通过旋转对称阵子振子臂401实现移相功能。具体理论分析如下所述。
移相天线单元的理论分析模型如图3和图11所示。在未加载腔顶部之前，偶极子和扭转极化板5合成的场为圆极化波。在偶极子转动角β较小的情况下，合成场可以近似为圆极化场。此外，旋转偶极子β角度，可得出合成圆极化场的场相位改变β。由图3可知，在合成的场照射在+X轴极化的腔体槽时，它可以分成两个正交的线极化。
在偶极子转动β角度时，圆极化场的相位改变β，同时其又可以分解成两个相位延迟β的两个线极化。因此，有如下表达式：
这里，由于腔体槽可以透过+X轴极化的电场，而对电场起强反射作用。因此， 被反射回腔体内部，经过扭转极化板的扭转作用，极化被旋转90度，变为再次反射出腔体。整个过程可以如下表示（HI为腔体高度）：
最后，反射出的电场与合成一个新的辐射相位即rp，
图4给出了辐射相位rp的理论仿真曲线。由图4可知，天线的辐射相位rp随转动角β在改变，其变化范围为20度。但是对于加工的实物样机，由于有限的极化扭转板5面积以及腔体四壁的影响，最终实测得出的辐射相位随转动角β的变化曲线如图5所示。由图3可知，测得辐射相位随转动角β在改变，其变化范围为38度。
如图1所示，一种空间太阳能电站移相天线单元，其特征是：包括，腔体顶部1、腔体中部2、腔体底部3；腔体的结构为多变的，可以长方体或正方体或圆柱体状，本实施例中给出其结构为长方体状，其中，腔体顶部1是中空铝制腔体，其外部尺寸为140mm×54mm×22.7mm（长×宽×高），厚度为2.5mm，八条辐射缝隙101穿透腔体顶部1的上部，其尺寸为26.6mm×4mm×2.5mm；腔体中部2包含一个馈电结构4和极化扭转板5，极化扭转板5为铝制栅板，其外部尺寸为140mm×54mm×2.5mm（长×宽×高），实心轮廓宽度2.5mm，铝制栅条斜45°放置，宽度1mm，间隔1.3mm；腔体底部3是中空铝制腔体，其外部尺寸为140mm×54mm×18.5mm（长×宽×高），厚度为2.5mm，腔体底部3中央有腔体底部开孔301，由两个圆柱形开孔组成，上大下小，大的半径10mm，高度6mm，小的为贯通孔，半径4.5mm，高度5mm。腔体顶部1、腔体中部2、腔体底部3依次叠加连接，叠加总厚度为38.2mm。
如图2所示，所述的馈电结构4包括馈电结构对称阵子振子臂401，馈电结构对称阵子平衡馈电部件402，馈电结构对称阵子支撑柱403；馈电结构馈电同轴线404；馈电结构轴承405。馈电结构对称阵子振子臂401，为圆柱形，直径2.6mm，长度6.5mm；馈电结构对称阵子平衡馈电部件402，其顶部为同轴线内芯，两个铜制长方体分别于对应的对称阵子振子臂401相连，实现平衡馈电，铜制长方体尺寸为4mm×4mm×14.4mm（长×宽×高）；馈电结构对称阵子支撑柱403为圆柱体结构，半径4.5mm，高度24mm，其为对称阵子提供支撑并通过其旋转带动振子臂的旋转，实现移相功能；馈电结构馈电同轴线404为对称阵子馈电；馈电结构轴承405为圆环柱结构，内圈与馈电结构对称阵子支撑柱403相连，外圈与腔体底部3相连，其内圈半径4.5mm，外圈半径10mm，高度6mm。
本发明中极化扭转板5上侧到腔体顶部1内侧距离为20.2mm；对称振子臂401总长度（包含馈电结构对称阵子平衡馈电部件402顶端部分以及空隙）为22mm;八条辐射缝隙101长度为26mm。极化扭转板5上侧到腔体顶部1内侧距离与馈电结构对称阵子振子臂401总长度（包含馈电结构对称阵子平衡馈电部件402顶端部分以及空隙）基本一致，比例基本为1（22/20.2=1.09），比例误差不超过20%；辐射缝隙101长度比馈电结构对称阵子振子臂401总长度略长一些，比例基本为1.2（26/22=1.18），比例误差不超过20%。
图6为空间太阳能电站天线单元在工作频段内电压驻波比随频率变化的仿真和测试结果图。由图6可知，在5.8GHz±50MHz工作频带内，天线单元仿真和测试的电压驻波比均小于1.6。
图7为天线单元在工作频段内增益和效率随频率变化的仿真和测试结果图。由图7可知，在5.8GHz±50MHz工作频带内，天线单元仿真和测试的增益大于13dB，且增益稳定，增益起伏小于1dB；且在工作频带内，仿真和测试效率均大于80%。
图8为空间太阳能电站天线单元在频率5.75GHz处的XOZ面和YOZ面仿真和实测方向图。由图8可知，在实测方向图中，天线单元XOZ面的半功率波束宽度为54°，YOZ面的半功率波束宽度为29°。
图9为空间太阳能电站天线单元在中心频率5.8 GHz处的XOZ面和YOZ面仿真和实测方向图。由图9可知，在实测方向图中，天线单元XOZ面的半功率波束宽度为51°，YOZ面的半功率波束宽度为27°。
图10为空间太阳能电站天线单元在频率5.85 GHz处的XOZ面和YOZ面仿真和实测方向图。由图10可知，在实测方向图中，天线单元XOZ面的半功率波束宽度为53°，YOZ面的半功率波束宽度为28°。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。本发明中未详细说明的结构部件均为现有技术，本发明中将不再进行一一说明。

Claims (10)

1.一种空间太阳能电站移相天线单元，其特征在于：包括腔体顶部（1）、腔体中部（2）和腔体底部（3），所述的腔体顶部（1）、腔体中部（2）和腔体底部（3）从上到下依次叠加连接，所述的腔体顶部（1）上开有辐射缝隙（101）；腔体底部（3）中央设有腔体底部开孔（301）；腔体中部（2）内设有馈电结构（4）和极化扭转板（5），馈电结构（4）的馈电结构对称阵子支撑柱（403）上端与极化扭转板（5）连接，馈电结构（4）下端与腔体底部（3）连接。
2.根据权利要求1所述的一种空间太阳能电站移相天线单元，其特征在于：所述的腔体顶部（1）是中空铝制腔体，其外部尺寸为长140mm、宽54mm、高22.7mm、厚度为2.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种空间太阳能电站移相天线单元，其特征在于：所述的辐射缝隙（101）为八条，八条辐射缝隙（101）穿透腔体顶部（1）的上部，且均匀分布，每个辐射缝隙（101）的尺寸为长26.6mm、宽4mm、高2.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种空间太阳能电站移相天线单元，其特征在于：所述的极化扭转板（5）为铝制栅板，其外部尺寸为长140mm、宽54mm、高2.5mm，实心轮廓宽度2.5mm，铝制栅条斜45°放置，宽度1mm，间隔1.3mm。
5.根据权利要求1所述的一种空间太阳能电站移相天线单元，其特征在于：所述的腔体底部（3）是中空铝制腔体，其外部尺寸为长140mm、宽54mm、高18.5mm，厚度为2.5mm，腔体底部（3）中央设有腔体底部开孔（301），腔体底部开孔（301）由两个圆柱形开孔组成，上大下小，大的半径10mm，高度6mm，小的为贯通孔，半径4.5mm，高度5mm。
6.根据权利要求1所述的一种空间太阳能电站移相天线单元，其特征在于：所述的馈电结构（4）包括馈电结构对称阵子振子臂（401）、馈电结构对称阵子平衡馈电部件（402）、馈电结构对称阵子支撑柱（403）、馈电结构馈电同轴线（404）和馈电结构轴承（405）；馈电结构对称阵子振子臂（401）为圆柱形，直径2.6mm，长度6.5mm；馈电结构对称阵子平衡馈电部件（402）上端与对应的对称阵子振子臂（401）相连，馈电结构对称阵子平衡馈电部件（402）下端与馈电结构对称阵子支撑柱（403）连接，馈电结构馈电同轴线（404）从下到上通穿过馈电结构对称阵子支撑柱（403）和馈电结构对称阵子平衡馈电部件（402）；馈电结构轴承（405）为圆环柱结构，其内圈与馈电结构对称阵子支撑柱（403）下部相连，外圈与腔体底部（3）相连。
7.根据权利要求6所述的一种空间太阳能电站移相天线单元，其特征在于：所述的馈电结构对称阵子平衡馈电部件（402）由两个空心的铜制长方体组成，两个铜制长方体上端分别与对应的对称阵子振子臂（401）相连，其中一个空心的铜制长方体内设置有馈电结构馈电同轴线（404），馈电结构馈电同轴线（404）上端的内芯与另一个空心的铜制长方体电连接；所述的铜制长方体尺寸为长4mm、宽4mm、高14.4mm。
8.根据权利要求6所述的一种空间太阳能电站移相天线单元，其特征在于：所述的馈电结构轴承（405）为圆环柱结构，其内圈半径4.5mm，外圈半径10mm，高度6mm。
9.根据权利要求6所述的一种空间太阳能电站移相天线单元，其特征在于：所述的馈电结构对称阵子支撑柱（403）为圆柱体结构，半径4.5mm，高度24mm。
10.根据权利要求1所述的一种空间太阳能电站移相天线单元，其特征在于：所述的腔体顶部（1）、腔体中部（2）和腔体底部（3）从上到下依次叠加连接，叠加总厚度为38.2mm。
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