CN108370101B - 空间站、卫星和相关天线系统 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种在卫星或空间站上用于数据下行链路和遥测、跟踪和命令的双反射面天线。所述双反射面天线包括彼此前后同轴布置的主反射面和副反射面。另外，双反射面天线还包括同轴馈送器，该同轴馈送器与主反射面和副反射面同轴布置并且包括彼此之间同轴布置且间隔开的内导体和外导体。同轴馈送器设计成被馈送有待由双反射面天线传输的下行链路微波信号，并且通过馈送孔径辐射所述下行链路微波信号，该馈送孔径相对于主反射面位于中央并且朝向副反射面。内导体从馈送孔径轴向地向外突出到副反射面，并且刚性地耦合到所述副反射面，由此支撑所述副反射面。

Description

空间站、卫星和相关天线系统
技术领域
本发明总体上涉及一种在卫星或空间站上用于数据下行链路(DDL)和/或遥测、跟踪和命令(TT&C)的双反射面天线和相关天线系统。
具体而言，本发明涉及一种在低地轨道(LEO)卫星上用于高吞吐量DDL或TT&C的双反射面天线以及一种用于DDL和TT&C的集成天线系统。
背景技术
通常情况下，低地轨道(LEO)卫星是在距离地球大约400千米至800千米之间的高度处进行轨道运行，这些LEO卫星普遍配备了地球观测系统(如合成孔径雷达(SAR)和/或光学仪器)，并配置为通过微波天线将遥感数据传输到地面站。由星载地球观测系统所遥感的数据从LEO卫星到地面站的传输通常被称为数据下行链路(DDL)，而用于实现该功能的天线通常被称为DDL天线。
此外，专用地面站(通常称为遥测、跟踪和控制(TT&C)站)用来监测和控制LEO卫星的运行。一般而言，TT&C站从LEO卫星接收遥测数据来监测其运行，并且还向LEO卫星传输命令来控制其运行并传输测距信号来跟踪所述卫星。因此，为了进行TT&C数据交换，LEO卫星还需要配备有TT&C天线。
已知的是，目前的LEO卫星分别配备了两个用于DDL和TT&C的独立天线。由于DDL和TT&C天线都需要相当大的视野，因此，这一要求会带来安装问题，尤其是在装有大型天线和/或附件(如太阳能阵列、吊杆、支架、仪器等)的LEO卫星上。
当今所有用于观测地球的欧洲LEO卫星几乎是将S频段和X频段专门用于TT&C和DDL(众所周知，S频段被定义为电磁频谱的包括2至4GHz的频率范围的微波部分，而X频段被定义为电磁频谱的包括约7至12GHz的频率范围的微波部分)，但是，这些频段因为被大规模地使用而正变得愈加拥塞。为此，最近已经将K频段(众所周知，K频段被定义为电磁频谱的包括18至27GHz的频率范围的微波部分)的一部分分配给DDL，以便提高LEO卫星的下行链路吞吐能力，其中所述分配给DDL的新K频段部分包括25.5至27GHz的频率范围。
此外，国际电信联盟(ITU)在2015年世界无线电通信大会(WRC-15)上提出了有关地球探测卫星业务(EESS)的用于TT&C的新X频段频率分配，包括用于TT&C上行链路的7190至7250MHz的频率范围。这种新的上行链路分配可以与现有的用于TT&C下行链路的EESS分配(频率范围为8025至8400MHz)相结合地使用。
众所周知，当前在S频段或X频段中运行的TT&C天线通常是建立在螺旋型天线或双锥天线的基础上，而当前针对LEO卫星的X频段中固定DDL的解决方案主要采用的是螺旋线或寄生同轴喇叭。就此而言，值得注意的是，因为存在技术问题并且功率处理能力有限(具体是因为热问题和电晕放电导致的)，导线型天线(即，基于螺旋线或导线的解决方案)并不适用于分配给DDL的新K频段部分。此外，DDL的寄生同轴喇叭型解决方案目前受限于低交叉极化鉴别电平，远远高于双极化频率重用的可接受电平(即高于20dB的交叉极化鉴别)。
发明内容
本发明的总体目的在于提供一种在卫星或空间站上用于DDL和/或TT&C的新型天线技术。
更具体地，本发明的第一具体目的在于提供一种在卫星或空间站特别是LEO卫星上用于DDL或TT&C的新型天线。
此外，本发明的第二具体目的在于提供一种单天线系统，该单天线系统集成了DDL天线和TT&C天线，从而限制了卫星和空间站特别是LEO卫星上的负担。
这些和其他目的通过本发明来实现，因为本发明涉及如所附权利要求所限定的双反射面天线和天线系统。
特别地，本发明涉及一种在卫星或空间站上用于DDL或TT&C的双反射面天线，该双反射面天线包括彼此前后同轴布置的主反射面和副反射面。双反射面天线还包括同轴馈送器，该同轴馈送器与主反射面和副反射面同轴布置并且包括彼此之间同轴布置且间隔开的内导体和外导体。同轴馈送器设计成被馈送有待由双反射面天线传输的下行链路微波信号，并且通过馈送孔径辐射所述下行链路微波信号，该馈送孔径相对于主反射面位于中央并且朝向副反射面。内导体从馈送孔径轴向地向外突出到副反射面，并且刚性地耦合到所述副反射面，由此支撑所述副反射面。
此外，本发明还涉及一种在卫星或空间站上用于DDL和TT&C的天线系统，该天线系统包括第一天线和第二天线，其中所述第二天线与第一天线同轴对齐并且布置在第一天线之上。所述第一天线是第一双反射面天线，该第一双反射面天线包括彼此前后同轴布置的第一主反射面和第一副反射面。所述第一天线还包括第一同轴馈送器，该第一同轴馈送器与第一主反射面、第一副反射面和第二天线同轴布置，并且包括彼此之间同轴布置且间隔开的外导体和第一内导体。第一同轴馈送器设计成被馈送有待由第一天线传输的第一下行链路微波信号，并且通过第一馈送孔径辐射所述第一下行链路微波信号，该第一馈送孔径相对于第一主反射面位于中央并且朝向第一副反射面。第一内导体从第一馈送孔径同轴地向外突出到第一副反射面，并且刚性地耦合到所述第一副反射面，由此支撑所述第一副反射面。传输线设置在第一内导体中，以向第二天线馈送待由所述第二天线传输的第二下行链路微波信号。
附图说明
为了更好地理解本发明，现将参照附图(没有按比例绘制)描述仅作为非限制性示例的优选实施例，在附图中：
·图1示意性示出了根据本发明的第一方面的实施例的在LEO卫星上用于DDL或TT&C的双反射面天线；
·图2至图4示出了根据本发明的第二方面的第一优选实施例的在LEO卫星上用于DDL和TT&C的第一集成天线系统；
·图5和图6示出了与图2至图4中所示的第一集成天线系统有关的辐射方向图；
·图7和图8示出了根据本发明的第二方面的第二优选实施例的在LEO卫星上用于DDL和TT&C的第二集成天线系统；以及
·图9示出了根据本发明的第二方面的第三优选实施例的在LEO卫星上用于DDL和TT&C的第三集成天线系统。
具体实施方式
呈现以下论述是为了使本领域技术人员能够制造和使用本发明。在不脱离所要求保护的本发明范围的前提下，对实施例的各种修改对于本领域技术人员而言将容易变得显而易见。因此，本发明并非意图受限于所示出和描述的实施例，而是应被赋予与在此公开的且在所附权利要求中限定的原理和特征相一致的最广范围。
本发明的第一方面涉及一种双反射面天线，该双反射面天线设计成安装在卫星和空间站上，特别是LEO卫星上，用于X或K频段中的DDL或X频段中的TT&C。
在这一点上，参考图1，其示出了根据本发明的所述第一方面的实施例的在LEO卫星上用于DDL或TT&C的双反射面天线(整体用1表示)的示意性横截面图。
双反射面天线1设计成在X或K频段中运行，并且包括主反射面11和副反射面12，主反射面11和副反射面12彼此前后同轴布置并且成形(即定形)为在使用时提供相对于地球表面的预定义的DDL或TT&C覆盖。
便利地，主反射面11和副反射面12以同一个对称轴线为中心并且相对于该对称轴线各自具有相应的旋转对称。
双反射面天线1还包括同轴馈送器，该同轴馈送器与主反射面11和副反射面12同轴地布置，并且包括外导体13和内导体14(具体地，外微波导体13和内微波导体14)。
所述外导体13的内部是中空的并且结束于馈送孔径15，馈送孔径15相对于主反射面11位于中央并且朝向副反射面12(即，布置在所述副反射面12的前面)。便利地，外导体13具有管状(或圆柱形)形状，并且馈送孔径15是圆形孔径。
内导体14在外导体13内部轴向延伸并且与所述外导体13间隔开，其中在所述外导体13与内导体14之间存在气隙。此外，所述内导体14从馈送孔径15轴向地、向外地且垂直地突出到副反射面12的中央部分，并且刚性地耦合/连接到副反射面12的所述中央部分，由此支撑所述副反射面12。
便利地，内导体14可以是刚性的圆柱形金属结构，该金属结构刚性地且电气地耦合/连接到副反射面12并对其进行刚性支撑。
优选地，同轴馈送器是圆形同轴波导。
更优选地，同轴馈送器是圆形同轴波导，其设计成被馈送有、允许传播并且辐射两个正交同轴模式。更优选地，所述两个正交同轴模式是TE11x和TE11y模式。
相对于其他基于双反射表面光学器件的已知天线系统(诸如在文献中被称为“轴向移位椭圆”(ADE)的解决方案(在这方面，例如可以参考J.R.Bergmann、F.J.S.Moreira的“全向ADE反射面天线”，《微波和光学技术快报》，第40卷，第3期，2004年2月))，双反射面天线1的体系结构具备若干实质性的改进。
具体地，双反射面天线1与典型的ADE天线之间的差别在于：
·内导体14从馈送孔径15轴向延长，以刚性地维持副反射面12，因此，无需采用用于支撑所述副反射面12的天线罩或支柱；
·由于与内导体14电气地连接，副反射面12是自接地的，从而避免了任何静电放电(ESD)问题；
·主反射面11与副反射面12之间的距离优选地小于一个波长，由此实现强电磁耦合组件(提供不基于几何光学的设计)；
·便利地，主反射面11和副反射面12的反射表面是调制(波纹和/或成形)表面，因此根据ADE设计来说不是分析表面；
·优选地，双反射面天线1的直接同轴馈送是基于两个正交同轴模式(即TE11x和TE11y)，而不是基于差模(TEM或TM01/TE01)，由此获得了低交叉极化电平并使天线制造变得更容易。
此外，本发明的第二方面涉及一种在卫星和空间站特别是LEO卫星上使用的集成天线系统，该集成天线系统包括上下布置的两个天线，一个用于DDL，而另一个用于TT&C；其中下部天线是根据本发明的第一方面设计的双反射面天线；其中在下部双反射面天线的同轴馈送器的内导体中设置(即布置或形成)传输线(诸如圆形/方形/矩形同轴波导，或者同轴电缆，或者圆形/方形/矩形波导)，以馈送上部天线；并且其中为了获得相当紧凑的配置，下部天线和上部天线同轴地对齐。
因此，本发明的第二方面教导了将DDL天线和TT&C天线集成到单天线系统中，从而允许将所述两个天线共同定位在LEO卫星上，并由此提供了特别有利于那些在LEO卫星上的空间因存在其他天线/附件而受到极大限制的场景的解决方案。
为了更好地理解本发明的第二方面，图2、图3和图4示出了根据本发明的所述第二方面的第一优选实施例的在LEO卫星上用于DDL和TT&C的第一集成天线系统(整体上用2表示)。具体地，图2是所述第一集成天线系统2的示意性横截面图，而图3和图4是其透视图和侧视图。
详细地，第一集成天线系统2包括TT&C天线21和DDL天线22，其中所述DDL天线22布置在所述TT&C天线21之上并与其同轴对齐。
TT&C天线21和DDL天线22是设计成分别在X频段和K频段中运行的双反射面天线。
具体地，TT&C天线21包括第一主反射面211和第一副反射面212，第一主反射面211和第一副反射面212彼此前后同轴布置并且成形(即定形)为在使用时提供相对于地球表面的预定TT&C覆盖。
DDL天线22包括第二主反射面221和第二副反射面222，第二主反射面221和第二副反射面222彼此前后同轴布置并且成形(即定形)为在使用时提供相对于地球表面的预定DDL覆盖。
第一主反射面211和第一副反射面212以及第二主反射面221和第二副反射面222彼此同轴布置，其中第二主反射面221位于第一副反射面212的背面之上(即上方)。
便利地，第一主反射面211和第一副反射面212以及第二主反射面221和第二副反射面222以同一个对称轴线为中心并且相对于该对称轴线各自具有相应的旋转对称。
便利地，(上部)DDL天线22的占用面积没有超过第一副反射面212的尺寸，由此使得(下部)TT&C天线21对于TT&C具有较宽的无阻碍视野。
便利地，可以将第一副反射面212制成为在与TT&C天线21和DDL天线22同轴的圆盘形接口结构的底部上形成的第一反射表面，并且可以将第二主反射面221制成为在所述圆盘形接口结构的顶部上形成的第二反射表面，其中所述顶部位于所述圆盘形接口结构的所述底部上或上方，并且其中所述圆盘形接口结构的所述顶部和底部分别朝向第二副反射面222和第一主反射面211(即位于其前方)。
优选地，第一主反射面211和第一副反射面212在扩大的ITU频谱7.19-8.4GHz上对于X频段TT&C天线方向图(高达95°半角)进行定形，而DDL天线22设计成在+/-63°视野内的低交叉极化下在K频段中提供DDL宽覆盖等通量方向图，这对于在距离地球600公里处进行轨道运行的卫星而言是典型的。
第一集成天线系统2还包括外导体23、中间导体24和内导体25(具体地，外微波导体23、中间微波导体24和内微波导体25)。
内部是中空的外导体23设计成通过TT&C输入/输出端口231内部馈送有待由TT&C天线21传输的X频段TT&C下行链路信号，并且结束于TT&C馈送孔径232，TT&C馈送孔径232相对于第一主反射面211位于中央并且朝向第一副反射面212(即，布置在所述第一副反射面212的前面)，其中所述TT&C输入/输出端口231和所述TT&C馈送孔径232分别位于所述外导体23的第一端和第二端。
便利地，外导体23具有管状(或圆柱形)形状，并且TT&C馈送孔径232是圆形孔径。
中间导体24是刚性的内部中空结构并设计成通过DDL输入端口241内部馈送有待由DDL天线22传输的K频段DDL信号，并且还包括：
·下部，该下部在外导体23内部同轴延伸(至少部分地)到TT&C馈送孔径232并与所述外导体23间隔开，其中在所述外导体23与中间导体24的所述下部之间存在第一气隙；以及
·上部，该上部：
-从TT&C馈送孔径232同轴地、向外地且垂直地突出到第一副反射面212的中央部分，
-刚性地耦合/连接到第一副反射面212的所述中央部分，从而支撑所述第一副反射面212，并且
-也在所述第一副反射面212上延伸到第二主反射面221，结束于DDL馈送孔径242，该DDL馈送孔径242相对于第二主反射面221位于中央并且朝向第二副反射面222(即，布置在所述第二副反射面222的前面)。
DDL输入端口241和DDL馈送孔径242分别位于中间导体24的第一端和第二端。
便利地，中间导体24也具有管状(或圆柱形)形状，并且DDL馈送孔径242是圆形孔径。
内导体25是刚性结构并且包括：
·下部，该下部在中间导体24内部轴向延伸到DDL馈送孔径242并与所述中间导体24间隔开，其中在所述中间导体24与内导体25的所述下部之间存在第二气隙；以及
·上部，该上部从DDL馈送孔径242轴向地、向外地且垂直地突出到第二副反射面222的中央部分，并且刚性地耦合/连接到第二副反射面222的所述中央部分，从而支撑所述第二副反射面222。
便利地，内导体25可以是刚性的圆柱形金属结构，该金属结构刚性地且电气地耦合/连接到第二副反射面222并且对其进行刚性支撑。
外导体23、中间导体24的下部和第一气隙限定(或形成)第一同轴馈送器(优选地，圆形同轴波导)，该第一同轴馈送器设计成允许：
·X频段TT&C下行链路信号从TT&C输入/输出端口231传播到TT&C馈送孔径232；并且
·由TT&C天线21接收的X频段TT&C上行链路信号从所述TT&C馈送孔径232传播到所述TT&C输入/输出端口231。
中间导体24、内导体25的下部和第二气隙限定(或形成)第二同轴馈送器(优选地，圆形同轴波导)，该第二同轴馈送器设计成允许K频段DDL信号从DDL输入端口241传播到DDL馈送孔径242。
优选地，第二同轴馈送器是圆形同轴波导，该圆形同轴波导设计成被馈送有、允许传播并且辐射两个正交同轴模式。更优选地，所述两个正交同轴模式是TE11x模式和TE11y模式。
相比起典型的ADE天线，第一集成天线系统2的主要技术优势在于：
·在下部双反射面TT&C天线21之上的上部双反射面DDL天线22的同轴集成，其中外导体23用于同轴馈送下部双反射面TT&C天线21，中间导体24用于刚性地支撑第一副反射面212(因此，无需天线罩或支柱)并同轴地馈送上部双反射面DDL天线22，而内导体25用于刚性地支撑第二副反射面222(因此，也无需天线罩或支柱)；
·由于分别与中间导体24和内导体25电气地连接，第一副反射面212和第二副反射面222是自接地的，从而避免了任何静电放电(ESD)问题；
·第一主反射面211与第一副反射面212之间的距离以及第二主反射面221与第二副反射面222之间的距离优选地小于一个波长，由此实现两个强电磁耦合组件(提供不基于几何光学器件的设计)；
·便利地，第一主反射面211和第二主反射面221的反射表面以及第一副反射面212和第二副反射面222的反射表面是调制(波纹和/或成形)表面，因此根据ADE设计来说不是分析表面；
·优选地，上部双反射面DDL天线22的直接同轴馈送是基于两个正交同轴模式(即TE11x和TE11y)，而不是基于差模(TEM或TM01/TE01)，由此获得了低交叉极化电平并使天线制造变得更容易。
图5和图6示出了与第一集成天线系统2相关的辐射方向图。具体地，图5示出了TT&C上行链路7190-7250MHz频率范围内以及TT&C下行链路8025-8400MHz频率范围内、下部X频段双反射面TT&C天线21的共极化和交叉极化辐射方向图，而图6示出了DDL25.5-27.0GHz频率范围内、上部K频段双反射面DDL天线22的共极化和交叉极化辐射方向图。
如图6所示，DDL天线22显现出了高交叉极化鉴别图，由此允许极化重用。
TT&C双反射面天线21和DDL双反射面天线22具有相似的设计，并且可以被视作是寄生同轴喇叭的全新演进，这在下文中进行了描述：R.Ravanelli等人的“XBA观测天线的多目标优化”，《第五届欧洲天线与传播会议(EUCAP)的会刊》，罗马，2011年4月1日至15日。
事实上，与根据“XBA观测天线的多目标优化”的解决方案不同的是，TT&C双反射面天线21和DDL双反射面天线22的特征在于之前详细描述的馈送和副反射面支撑同轴体系结构。
此外，TT&C双反射面天线21(具体地，第一主反射面211和第一副反射面212)和DDL双反射面天线22(具体地，第二主反射面221和第二副反射面222)以数字方式进行定形，以各自提供在覆盖范围内的期望增益，其中上部DDL双反射面天线22还提供高交叉极化鉴别，具备低损耗并且没有阻碍下部TT&C双反射面天线21，同时朝向第一主反射面211的反向耦合可以忽略不计。
根据一个替代实施例，可以便利地使用天线罩来代替内导体25支撑第二副反射面222。在这种情况下，DDL天线22通过由正交的两个TE11x和TE11y基本圆形波导模式所激发的截止之上的更大圆形波导孔径被馈送。
图7和图8示出了根据本发明的所述第二方面的第二优选实施例的在LEO卫星上用于DDL和TT&C的第二集成天线系统(整体用3表示)。具体地，图7是所述第二集成天线系统3的示意性横截面图，而图8是所述第二集成天线系统3的上部天线的透视图。
详细而言，第二集成天线系统3包括TT&C天线31和DDL天线32，其中所述DDL天线32布置在所述TT&C天线31之上并且与其同轴对齐。
TT&C天线31和DDL天线32是设计成分别在X频段和K频段中运行的双反射面天线。
具体地，TT&C天线31包括第一主反射面311和第一副反射面312，第一主反射面311和第一副反射面312彼此前后同轴布置并且成形(即定形)为在使用时提供相对于地球表面的预定义TT&C覆盖。
DDL天线32包括第二主反射面321和第二副反射面322，第二主反射面321和第二副反射面322彼此前后同轴布置并且成形(即定形)为在使用时提供相对于地球表面的预定义DDL覆盖。
第一主反射面311和第一副反射面312以及第二主反射面321和第二副反射面322彼此同轴布置，其中第二主反射面321位于第一副反射面312的背面之上(即上方)。
便利地，第一主反射面311和第一副反射面312以及第二主反射面321和第二副反射面322以同一个对称轴线为中心并且相对于该对称轴线各自具有相应的旋转对称。
便利地，(上部)DDL天线32的占用面积没有超过第一副反射面312的尺寸，由此使得(下部)TT&C天线31对于TT&C具有较宽的无阻碍视野。
便利地，可以将第一副反射面312制成为在与TT&C天线31和DDL天线32同轴的圆盘形接口结构的底部上形成的第一反射表面，并且可以将第二主反射面321制成为在所述圆盘形接口结构的顶部上形成的第二反射表面，其中所述顶部位于所述圆盘形接口结构的所述底部上或上方，并且其中所述圆盘形接口结构的所述顶部和底部分别朝向第二副反射面322和第一主反射面311(即位于其前方)。
第二集成天线系统3还包括外导体33和内导体34(具体地，外微波导体33和内微波导体34)。
内部是中空的外导体33设计成通过TT&C输入/输出端口331内部馈送有待由TT&C天线31传输的X频段TT&C下行链路信号，并且结束于TT&C馈送孔径332，TT&C馈送孔径332相对于第一主反射面311位于中央并且朝向第一副反射面312(即，布置在所述第一副反射面312的前面)，其中所述TT&C输入/输出端口331和所述TT&C馈送孔径332分别位于所述外导体33的第一端和第二端。
便利地，外导体33具有管状(或圆柱形)形状，并且TT&C馈送孔径332是圆形孔径。
内导体34是刚性的内部中空结构并设计成通过DDL输入端口341内部馈送有待由DDL天线32传输的K频段DDL信号，并且还包括：
·下部，该下部在外导体33内部同轴延伸(至少部分地)到TT&C馈送孔径332并与所述外导体33间隔开，其中在所述外导体33与内导体34的所述下部之间存在气隙；以及
·上部，该上部：
-从TT&C馈送孔径332同轴地、向外地且垂直地突出到第一副反射面312的中央部分，并且
-结束于阶梯式过渡部分342，该阶梯式过渡部分342刚性地耦合/连接到第一副反射面312的所述中央部分，由此支撑所述第一副反射面312。
便利地，内导体34也具有管状(或圆柱形)形状。
第二集成天线系统3还包括介电结构，该介电结构包括：
·下部351，该下部351从内导体34的阶梯式过渡部分342轴向延伸越过第一副反射面312到达第二主反射面321；以及
·上部352，该上部352从所述第二主反射面321同轴地向外突出到第二副反射面322，并且刚性地耦合/连接到所述第二副反射面322，从而支撑所述第二副反射面322。
优选地，介电结构的所述上部352具有锥形形状，并且第二副反射面322是布置在介电结构的所述锥形上部352之上并由其支撑的溅射金属副反射面(更优选地，溅射铝副反射面)。
外导体33、内导体34的下部和其间的气隙限定(或形成)同轴型第一馈送器(优选地，圆形同轴波导)，该同轴型第一馈送器设计成允许：
·X频段TT&C下行链路信号从TT&C输入/输出端口331传播到TT&C馈送孔径332；并且
·由TT&C天线31接收的X频段TT&C上行链路信号从所述TT&C馈送孔径332传播到所述TT&C输入/输出端口331。
内导体34和介电结构限定(或形成)第二馈送器，该第二馈送器设计成允许K频段DDL信号从DDL输入端口341传播到第二副反射面322。
优选地，内导体34是圆形波导，其设计成被馈送有并允许传播正交的两个TE11x和TE11y基本圆形波导模式。
与图2至图4中示出的第一集成天线系统2相比，第二集成天线系统3以及根据第一集成天线系统2的上述替代实施例的配置(采用用于支撑上部DDL副反射面222的天线罩)能够实现略微更高的交叉极化鉴别性能，但是却需要处于ESD保护下，而且在机械上不太适合于在启动时维持横向负载。
图9示出了根据本发明的第二方面的第三优选实施例的在LEO卫星上用于TT&C和DDL的第三集成天线系统(整体用4表示)。
具体地，第三集成天线系统4与分配给TT&C和DDL服务的当前标准ITU频段相兼容，并且包括根据本发明的第一方面设计的X频段DDL双反射面天线41以及S/X频段TT&C螺旋天线42(即，设计为在S或X频段中运行的螺旋天线)，该S/X频段TT&C螺旋天线42布置在所述X频段DDL双反射面天线41之上并且与其同轴对齐；其中所述X频段DDL双反射面天线41的同轴馈送器(优选地，圆形同轴波导)的内导体的内部是中空的，并且在所述内导体内布置射频(RF)同轴电缆，以馈送S/X频段TT&C螺旋天线42。
便利地，将X频段DDL双反射面天线41的副反射面制成第一反射表面，该第一反射表面形成在与所述X频段DDL双反射面天线41和所述S/X频段TT&C螺旋天线42同轴的圆盘形接口结构43的底部上，其中所述S/X频段TT&C螺旋天线42布置在所述圆盘形接口结构43的顶部上(所述顶部位于所述圆盘形接口结构43的所述底部上或上方，并且所述底部且因此所述副反射面朝向X频段DDL双反射面天线41的主反射面411)。
同样便利地，RF同轴电缆在X频段DDL双反射面天线41的同轴馈送器的内导体内部并且也在其副反射面上方轴向延伸，穿过圆盘形接口结构43，到达S/X频段TT&C螺旋天线42，并且连接到所述S/X频段TT&C螺旋天线42，以便：
·向所述S/X频段TT&C螺旋天线42馈送待传输的S/X频段TT&C下行链路信号；并且
·接收由所述S/X频段TT&C螺旋天线42接收的S/X频段TT&C上行链路信号。
优选地，X频段DDL双反射面天线41的主反射面和副反射面定形为提供高交叉极化鉴别下的等通量辐射方向图。
对于S频段TT&C，也可以便利地使用贴片天线来代替螺旋天线42。而对于X频段TT&C，可以便利地使用波导孔径辐射器或贴片天线来代替螺旋天线42。
从前述内容中可以直接了解本发明的第二方面的优点。
特别值得一提的是，在目前已知的LEO卫星天线解决方案中，没有一个提供了通过无阻碍DDL和TT&C覆盖来执行组合式DDL和TT&C功能的集成天线系统。
更详细地说，根据本发明的第二方面的集成DDL和TT&C天线系统的关键优点在于：两个集成DDL和TT&C天线之间的最小相互干扰，以及在考虑到DDL和TT&C功能所需的大范围视野(接近半球)的情况下容易且单一地分配/安装在航天器/卫星上。事实上，通过将DDL和TT&C功能集成到单天线组件中，根据本发明的第二方面的集成DDL和TT&C天线系统能够将LEO卫星上的安装及干扰问题最小化。具体而言，在装配有大型天线/附件(它们极大地限制了DDL和TT&C服务的可用视野)的小型卫星(或小型空间站)上利用根据本发明的第二方面的集成DDL和TT&C天线系统特别有利。
根据本发明的第二方面的集成DDL和TT&C天线系统的另一个优点在于：DDL天线设计的特征是高极化纯度，从而能够实现对具有向地球的高数据速率传输的频谱的频率重用。具体地说，由于DDL天线具备高极化鉴别能力(具体地讲，由于在右旋圆极化(RHCP)与左旋圆极化(LHCP)之间可实现高极化鉴别)，根据本发明的第二方面的集成DDL和TT&C天线系统通过所分配的微波频谱的极化重用来增大DDL有效载荷的传输容量。
另一个优点是技术上与高功率的兼容性以及更高频率/更大频段的迁移。具体地，根据本发明的第二方面的集成DDL和TT&C天线系统与分配给DDL和TT&C服务的当前频谱及未来频谱相兼容。
综上所述，显然可以对本发明做出许多修改和变化，所有这些修改和变化都落入如所附权利要求中限定的本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种设计成在卫星或空间站上安装的天线系统(2、3)，包括第一天线(21、31)和第二天线(22、32)，其中所述第二天线(22、32)与所述第一天线(21、31)同轴对齐并且布置在所述第一天线(21、31)之上；
其中所述第一天线(21、31)是第一双反射面天线，所述第一双反射面天线包括彼此前后同轴布置的第一主反射面(211、311)和第一副反射面(212、312)；
所述第一天线(21、31)还包括第一同轴馈送器，所述第一同轴馈送器与所述第一主反射面(211、311)、所述第一副反射面(212、312)和所述第二天线(22、32)同轴布置，并且包括彼此之间同轴布置且间隔开的外导体(23、33)和第一内导体(24、34)；
其中所述第一同轴馈送器设计成被馈送有待由所述第一天线(21、31)传输的第一下行链路微波信号，并且通过第一馈送孔径(232、332)辐射所述第一下行链路微波信号，所述第一馈送孔径(232、332)相对于所述第一主反射面(211、311)位于中央并且朝向所述第一副反射面(212、312)；
其中所述第一内导体(24、34)从所述第一馈送孔径(232、332)同轴地向外突出到所述第一副反射面(212、312)，并且刚性地耦合到所述第一副反射面(212、312)，由此支撑所述第一副反射面(212、312)；
其中传输线设置在所述第一内导体(24、34)中，以向所述第二天线(22、32)馈送待由所述第二天线(22、32)传输的第二下行链路微波信号；
所述天线系统(2、3)的特征在于，所述第二天线(22、32)为第二双反射面天线，所述第二双反射面天线包括彼此前后同轴布置的第二主反射面(221、321)和第二副反射面(222、322)；
其中所述第二主反射面(221、321)布置在所述第一副反射面(212、312)之上；
其中所述第一天线(21、31)被设计成在X频段中运行以用于遥测、跟踪和命令，从而使得所述第一下行链路微波信号为具有X频段内的频率的遥测、跟踪和命令下行链路信号；
其中所述第一同轴馈送器还被设计成通过所述第一馈送孔径(232、332)接收上行链路微波信号并且还允许传播所述上行链路微波信号，所述上行链路微波信号是由所述第一天线(21、31)接收并且具有X频段内的频率的遥测、跟踪和命令上行链路信号；
并且其中所述第二天线(22、32)被设计成在K频段中运行以用于数据下行链路，从而使得所述第二下行链路微波信号为具有K频段内的频率的数据下行链路信号。
2.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述第一主反射面(211、311)和所述第一副反射面(212、312)彼此间隔开，所述间隔小于所述第一下行链路和上行链路微波信号的第一给定最小波长的第一距离；
并且其中所述第二主反射面(221、321)和所述第二副反射面(222、322)彼此间隔开，所述间隔小于所述第二下行链路微波信号的第二给定最小波长的第二距离。
3.根据权利要求1或2所述的天线系统，其中所述外导体(23)的内部是中空的并且结束于所述第一馈送孔径(232)；
其中所述第一内导体(24)的内部是中空的并且包括第一部分，所述第一部分在所述外导体(23)内部同轴延伸到所述第一馈送孔径(232)并且与所述外导体(23)间隔开；
其中在所述第一内导体(24)的所述第一部分与所述外导体(23)之间存在第一气隙；
其中所述外导体(23)、所述第一内导体(24)的所述第一部分和所述第一气隙形成所述第一同轴馈送器；
其中所述第一内导体(24)还包括第二部分，所述第二部分：
·从所述第一内导体(24)的所述第一部分延伸，同时从所述第一馈送孔径(232)同轴地向外突出到所述第一副反射面(212)的中央部分；
·刚性地且电气地耦合到所述第一副反射面(212)的所述中央部分，从而使得所述第一副反射面(212)由所述第一内导体(24)支撑并且还是自接地的；并且
·还在所述第一副反射面(212)上方延伸到所述第二主反射面(221)，结束于第二馈送孔径(242)，所述第二馈送孔径(242)相对于所述第二主反射面(221)位于中央并且朝向所述第二副反射面(222)；
所述天线系统(2)还包括第二内导体(25)，所述第二内导体(25)包括第一部分，所述第一部分在所述第一内导体(24)内部轴向延伸到所述第二馈送孔径(242)并且与所述第一内导体(24)间隔开；
其中在所述第二内导体(25)的所述第一部分与所述第一内导体(24)之间存在第二气隙；
其中所述第一内导体(24)、所述第二内导体(25)的所述第一部分以及所述第二气隙形成所述传输线，从而使得所述传输线为第二同轴馈送器；
其中所述第二内导体(25)还包括第二部分，所述第二部分：
·从所述第二内导体(25)的所述第一部分延伸，同时从所述第二馈送孔径(242)轴向地向外突出到所述第二副反射面(222)的中央部分；并且
·刚性地且电气地耦合到所述第二副反射面(222)的所述中央部分，从而使得所述第二副反射面(222)由所述第二内导体(25)支撑并且还是自接地的。
4.根据权利要求1或2所述的天线系统，其中所述外导体(33)的内部是中空的并且结束于所述第一馈送孔径(332)；
其中所述第一内导体(34)的内部是中空的并且包括第一部分，所述第一部分在所述外导体(33)内部同轴延伸到所述第一馈送孔径(332)并且与所述外导体(33)间隔开；
其中在所述第一内导体(34)的所述第一部分与所述外导体(33)之间存在第一气隙；
其中所述外导体(33)、所述第一内导体(34)的所述第一部分和所述第一气隙形成所述第一同轴馈送器；
其中所述第一内导体(34)还包括第二部分，所述第二部分：
·从所述第一内导体(34)的所述第一部分延伸，同时从所述第一馈送孔径(332)同轴地向外突出到所述第一副反射面(312)的中央部分；并且
·结束于阶梯式过渡部分(342)，所述阶梯式过渡部分(342)刚性地且电气地耦合到所述第一副反射面(312)的所述中央部分，从而使得所述第一副反射面(312)由所述第一内导体(34)支撑并且还是自接地的；
所述天线系统(2)还包括介电结构，所述介电结构包括：
·第一部分(351)，所述第一部分(351)从所述第一内导体(34)的所述阶梯式过渡部分(342)轴向延伸，越过所述第一副反射面(312)到达所述第二主反射面(321)；以及
·第二部分(352)，所述第二部分(352)从所述介电结构的所述第一部分(351)延伸，同时从所述第二主反射面(321)同轴地向外突出到所述第二副反射面(322)，所述介电结构的所述第二部分(352)刚性地耦合到所述第二副反射面(322)，从而支撑所述第二副反射面(322)；
并且其中所述第一内导体(34)和所述介电结构形成所述传输线。
5.根据权利要求4所述的天线系统，其中所述介电结构的所述第二部分(352)具有锥形形状，并且其中所述第二副反射面(322)是布置在所述介电结构的所述锥形的第二部分(352)之上并由其支撑的溅射金属副反射面。
6.根据权利要求5所述的天线系统，其中所述第二副反射面(322)是溅射铝副反射面。
7.一种卫星，包括如前述权利要求中任一项所述的天线系统(2、3)。
8.一种空间站，包括如权利要求1-6中任一项所述的天线系统(2、3)。
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