CN109037968A - 一种宽窄波束结合的低轨卫星接入天线系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种宽窄波束结合的低轨卫星接入天线系统，其包括一半球拱形收发一体天线和一多波束相控阵发射天线。

Description

一种宽窄波束结合的低轨卫星接入天线系统

技术领域

本申请涉及一种低轨互联网卫星星座天线系统，尤其涉及一种宽窄波束结合的低轨卫星接入天线系统。

背景技术

2014年来，随着卫星技术、电子技术和新材料技术的迅猛发展，欧美发达国家商业卫星公司纷纷提出卫星全球互联网计划，拟发射数百颗甚至数千颗低轨卫星构建天基互联网星座，以提供覆盖全球的用户接入。基于微波链路的用户高速数据通信要求星载天线具有较高增益，而天线波束宽度与天线的增益成反比。因此，接入天线是所有低轨全球互联网星座计划面临的共性难题。

目前国际上互联网低轨卫星的用户下行天线一般采用以下方式：

1)反射面点波束天线

采用反射面点波束天线实现地面固定和低速移动用户的高速接入，系统优点在于天线增益高、用户通信速率快。

2)固定喇叭天线阵列

采用固定喇叭天线阵列实现宽波束覆盖，地面固定用户和车载、舰载、机载用户通过高定向天线接入。系统优点在于支持的用户数量大，固定天线有利于卫星姿态控制。

反射面点波束天线主要具有以下缺点：

(一)天线支持的接入用户少

反射面天线机械结构跟踪速度慢，单天线只能服务于单个用户，对于低轨星座系统支持的用户总数太少，且反射面天线包络尺寸比较大，单星能够配备的天线数量有限，造成整个系统容量受限，服务费用高昂。

(二)天线转动过程中带来扰动

采用反射面天线方案的卫星，每个天线需要实时跟踪地面用户，天线转动机构在跟踪过程中会带来大量的扰动，不利于小卫星平台的姿态稳定和控制。

因此反射面点波束天线主要应用于中高轨道的通信卫星。

固定喇叭阵列天线主要具有以下缺点：

采用喇叭天线阵列方案，喇叭天线的增益与波束角成反比，为了实现高增益星上喇叭天线的波束张角较小，需要庞大数量的低轨卫星才能实现全球覆盖。举例分析，若卫星喇叭天线法向增益为23dBi，喇叭天线波束张角12.5°，单星覆盖地面±25°的范围，需700颗左右卫星才能覆盖全球；如星上采用法向增益为19dBi喇叭天线，天线波束张角20°，单星覆盖±40°的范围，仍需约300颗卫星才能达到全球覆盖的效果。因此，采用固定喇叭天线阵列的方案，将带来低轨星座系统建设复杂度高、周期过长的缺点，不适合商业航天应用。

目前低轨全球互联网星座针对该问题存在两种解决思路，一种是提高星座卫星数量，提出上千颗卫星组成的通信星座，解决天线高增益和全球覆盖问题；另一种是采用点波束高增益扫描覆盖的方案，缺点是系统同时服务的用户数目相对较小。

为此，本领域迫切需要开发一种新颖的宽窄波束结合的低轨卫星接入天线系统来解决1)天线的低轨宽波束覆盖问题，从而能够减少星座卫星数量，降低星座建设成本；2)天线的高增益问题，从而能够提高落地信号功率，为全球用户提供高速通信；和/或3)解决点波束天线覆盖下用户广域分布和接入用户数量相对较小的问题。

发明内容

本申请之目的在于提供一种宽窄波束结合的低轨卫星接入天线系统。

为了实现上述目的，本申请提供下述技术方案。

本申请提供一种宽窄波束结合的低轨卫星接入天线系统，其包括一半球拱形收发一体天线和一多波束相控阵发射天线。

其中所述半球拱形收发一体天线由均匀布置在半球面上喇叭天线阵列组；

其中1个喇叭天线位于半球面中心，其余喇叭天线在半球面上对称均匀分布；

其中所述半球拱形收发一体天线由均匀布置在半球面上的19个喇叭天线组成；其中，1个喇叭天线位于半球面中心，6个喇叭天线位于半球面中间层，和12个喇叭天线位于半球面最外层；

其中所述喇叭天线为高增益窄波束喇叭；

其中所述多波束相控阵发射天线由天线阵列单元天线组成；以及

其中所述半球拱形收发一体天线和所述多波束相控阵发射天线均安装在卫星本体对地面的+Z轴方向。

在本申请的一种实施方式中，所述1个喇叭天线位于半球面中心，6个喇叭天线位于半球面中间层，和12个喇叭天线位于半球面最外层。

与现有技术相比，本申请的有益效果在于解决了1)天线的低轨宽波束覆盖问题，从而能够减少星座卫星数量，降低星座建设成本；2)天线的高增益问题，从而能够提高落地信号功率，为全球用户提供高速通信；和/或3)解决点波束天线覆盖下用户广域分布和接入用户数量相对较小的问题。

附图说明

图1是本申请的半球拱形多波束天线阵的外观示意图。

图2是本申请的四波束相控阵天线阵面的布局示意图。

图3是本申请的两组天线配合工作的原理示意图。

图4是本申请的天线安装方法的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及本申请的实施例，对本申请的技术方案进行清楚和完整的描述。

本发明结合目前低轨互联网卫星星座天线设计的特点，在满足星地通信速率对链路天线增益要求的基础上，综合考虑天线易实现性、功耗、体积及制造成本等多因素，提出通过两副宽窄波束结合的天线来完成星地双向通信。一副是由半球拱形喇叭天线阵组成的收发一体天线，实现±55°的全球多波束覆盖；同时采用另一副多波束相控阵发射天线为具有特定需求的企业客户提供下行定点或凝视的高速通信服务。

(一)半球拱形收发一体天线的具体实现方法如下：

阵列采用多个喇叭天线对称均匀布置在半球面上，选用高增益窄波束喇叭天线，以满足远距离通信时具有足够发射功率。每个天线后端通过双工器分别接接收通道和发射通道，发射和接收均采用零中频输入输出。在Ka频段，单天线通过双工器和滤波器可使收发隔离达到80dB以上，±55°波束内的增益达到20dBi。

在本申请的一个实施例中，所述半球拱形收发一体天线的外观如图1所示，阵列采用19个喇叭天线均匀布置在半球面上，天线分三层等间距排列，最外层12个，中间层6个，中心1个。

(二)多波束相控阵发射天线的具体实现方法如下：

相控阵发射天线由天线阵列单元天线组成，单阵元天线增益可达到5dB，通过波束合成可以形成30dB以上的天线增益。相控阵天线可以同时形成4-16个窄波束，波束可以在±60°范围内扫描，通过在空间上合成指定方向的波束，辐射出信号。在Ka频段，相控阵天线可以实现单波束发射全向辐射功率EIRP在33dBW(法向)以上。

所述多波束相控阵发射天线的结构如图2所示。

如图3所示，工作时，半球拱形天线在±55°范围内连续覆盖，可满足全球任意位置用户实时接入；多波束相控阵天线采用时分+空分复用方式，4-16个波束分时指向高速接入用户，单个波束通过时分方式可以支持96个以上用户的高速接入服务。

安装时，所述半球拱形收发一体天线和所述多波束相控阵发射天线均安装在卫星本体对地面的+Z轴方向。在卫星正常在轨工作时，两副天线均对地指向。两副天线在卫星上的安装布局如图4所示。

相对于目前国外互联网卫星星座天线方案，本发明提出的基于宽窄结合的低轨卫星接入天线设计具有较多的优点。

(1)更小的卫星数目和更低的建设成本

相比于SpaceX、OneWeb等公司提出的需要成本上千颗低轨卫星才能满足全球高速互联网接入的方案，本发明提出的半球拱形收发天线和多波束相控阵天线结合的方案，仅需96颗卫星就能达到全球覆盖的效果，且星座性能与当前互联网星座系统相当，具有较高的灵活性和性价比，大大降低了系统的建设成本。

表1采用本发明的系统的星座性能

(2)实现低轨卫星低功耗设计能力

现代小卫星以重量轻、功耗低、集成度高、实现成本低等一系列优点受到了世界许多国家的关注。特别是随着商业卫星的发展，低成本高集成小卫星平台设计成为研究热点。卫星高集成小型化首先是有效载荷的高集成小型化。作为低轨通信小卫星接入载荷的重要组成设备之一，接入天线设计和实现是其关键技术。

本发明通过采用一副宽波束天线同时覆盖星下点所有低速用户，另一副点波束重点覆盖高速用户，在最大限度降低星载设备功耗、重量的前提下，可以有效解决用户对互联网接入的通信速率和全球覆盖之间的矛盾，为互联网低轨卫星星座设计可行性提供支撑保证。

(3)灵活的相控阵点波束天线

本发明中点波束天线采用电扫相控阵设计，相对于机械扫描的反射面天线具有诸多优点：

1)电扫相控阵天线波束切换时间在毫秒量级，切换速度快，便于高速用户间的时分复用，可以支持更多的高速用户接入；

2)波束扫描灵活，星下点覆盖范围大，可以以星上有限功率有重点的覆盖全球用户，实现全球覆盖和高速接入通信的有机结合；

3)发射功率由低功率组件合成，降低星载高功率微波器件实现难度；

4)电扫相控阵在波束切换过程中不会带来整星姿态的扰动力矩，便于整星的姿态稳定和控制。

(4)较高的用户服务能力

受微波传输时星地链路空间损耗限制，目前低轨卫星通信分化为两类发展方向，一类是追求最终用户接入的移动通信，速率一般不超过2Mbps；另一类是追求宽带高数接入，服务对象是互联网用户，速率要求250Mbps以上。

本发明创新性的采用半球拱形收发一体天线实现低速用户的接入，采用多波束相控阵天线实现高速用户的接入；高速和低速用户采用相同的通信体制，地面终端形态不区分高速和低速。当用户所在区域有相控阵点波束高增益天线覆盖时，接入到高速通信链路，反之自动接入到低速通信链路。用户可以在高速和低速链路之间自由切换，极大的提高用户服务能力。

上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都本申请的范围之内。

Claims (7)

1.一种宽窄波束结合的低轨卫星接入天线系统，其特征在于，包括一半球拱形收发一体天线和一多波束相控阵发射天线。

2.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述半球拱形收发一体天线由均匀布置在半球面上喇叭天线阵列组成。

3.如权利要求2所述的天线系统，其特征在于，其中，1个喇叭天线位于半球面中心，其余喇叭天线在半球面上对称均匀分布。

4.如权利要求2所述的天线系统，其特征在于，所述半球拱形收发一体天线由均匀布置在半球面上的19个喇叭天线组成；其中，1个喇叭天线位于半球面中心，6个喇叭天线位于半球面中间层，和12个喇叭天线位于半球面最外层。

5.如权利要求2所述的天线系统，其特征在于，所述喇叭天线为高增益窄波束喇叭。

6.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述多波束相控阵发射天线由天线阵列单元天线组成。

7.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述半球拱形收发一体天线和所述多波束相控阵发射天线均安装在卫星本体对地面的+Z轴方向。