CN109037970A - 一种宽带多模式卫星通信相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带多模式卫星通信相控阵天线，属于电子信息技术领域。该天线包括接收阵面、发射阵面、综合信息一体化平台、供配电层、分布式电源、惯性系统、跟踪接收机、状态监测与监控管控、卫通终端、热控系统以及支撑底座等部分。其中接收阵面和发射阵面均工作在Ku、Ka。该天线的设计思路既可保证天线发射和接收同时工作，又可以保证发射和接收具有各自工作或者待机的功能，特别适用于移动载体上宽带卫星通信，还可用于反射面天线的相控阵馈源、龙波透镜的相控阵馈源等领域中。

Description

一种宽带多模式卫星通信相控阵天线

技术领域

本发明涉及电子信息技术领域，具体是指一种宽带多模式卫星通信相控阵天线。

背景技术

在传统的电子信息领域中，宽带卫星通信天线的实现方式有多种形式，具体表现为以下特点：

1、通过宽带馈源与反射面相结合的天线体制。该种方式的技术成熟，将馈源进行宽带设计，馈电网络进行宽带和分波设计，可以实现宽带卫星通信的能力。但是，这种方式的天线形式相对简单，波束指向需要通过机械伺服结构来进行控制，在动载体平台，其跟踪速度较慢。

2、通过宽带无源阵列进行Ku/Ka双频工作。这种方式的核心往往采用宽带天线单元和宽带馈电网络分别设计的方式来实现，该方法由于是无源设计，后端网路的插损会对后端射频信道的信号质量造成较大的影响，特别是在天线阵面口径较大时，天线的效率往往过低。

3、将Ku和Ka频段进行分开设计的相控阵天线形式。在该种体制中，Ku频段和Ka频段分别为独立的相控阵天线，在工作时可以分时或者同时，具有一定的灵活性，但这种方式天线所占的体积较大，不利于天线系统在体积、重量、功耗等方面的经济性应用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种宽带多模式卫星通信相控阵天线，既可保证天线发射和接收同时工作，又可以保证发射和接收具有各自工作或者待机的功能。

为解决以上问题，本发明所采用的技术方案为：

一种宽带多模式卫星通信相控阵天线，包括接收阵面和发射阵面；所述接收阵面包括多个接收子阵模块以及接收阵面综合走线层；所述发射阵面包括多个发射子阵模块以及发射阵面综合走线层；每个接收子阵模块和发射子阵模块均连接有多个双极化天线单元。

可选的，所述的接收子阵模块包括多个接收宽带双极化射频通道，以及接收子阵内波控综合走线和接收子阵内Ku和Ka双频段射频走线；所述接收宽带双极化射频通道包括第一低噪声放大器LNA、第一接收双工器、第一Ku接收滤波器、第一Ka接收滤波器、第二低噪声放大器LNA、第二接收双工器、第二Ku接收滤波器、第二Ka接收滤波器、第三低噪声放大器LNA、第四低噪声放大器LNA、第五低噪声放大器LNA、第六低噪声放大器LNA、Ku接收极化调整模块、Ka接收极化调整模块、接收第一多功能芯片、接收第二多功能芯片、第七低噪声放大器LNA、第八低噪声放大器LNA；

接收垂直极化信号进入第一低噪声放大器LNA的信号输入端，第一低噪声放大器LNA的信号输出端连接第一接收双工器公共端，第一接收双工器的第一输出端口连接第一Ku接收滤波器的输入端，第一Ku接收滤波器的输出端连接第三低噪声放大器LNA的输入端，第三低噪声放大器LNA的输出端连接Ku接收极化调整模块的第一输入端口；第一接收双工器的第二输出端口连接第一Ka接收滤波器的输入端，第一Ka接收滤波器的输出端连接第四低噪声放大器LNA的输入端，第四低噪声放大器LNA的输出端连接Ka接收极化调整模块的第一输入端口；

接收水平极化信号进入第二低噪声放大器LNA的信号输入端，第二低噪声放大器LNA的信号输出端连接第二接收双工器公共端，第二接收双工器的第一输出端口连接第二Ku滤波器的输入端，第二Ku滤波器的输出端连接第五低噪声放大器LNA的输入端，第五低噪声放大器LNA的输出端连接Ku接收极化调整模块的第二输入端口；第二接收双工器的第二输出端口连接第二Ka接收滤波器的输入端，第二Ka接收滤波器的输出端连接第六低噪声放大器LNA的输入端，第六低噪声放大器LNA的输出端连接Ka接收极化调整模块的第二输入端口；

Ku接收极化调整模块的输出端连接第一接收多功能芯片的输入端，第一接收多功能芯片的输出端连接第七低噪声放大器LNA输入端，第七低噪声放大器LNA输出端连接接收子阵内Ku和Ka双频段射频走线中Ku接收信号输入端；

Ka接收极化调整模块的输出端连接第二接收多功能芯片的输入端，第二接收多功能芯片的输出端连接第八低噪声放大器LNA输入端，第八低噪声放大器LNA输出端连接接收子阵内Ku和Ka双频段射频走线中Ka接收信号输入端。

可选的，所述发射子阵模块包括多个发射宽带双极化射频通道，以及发射子阵内波控综合走线和发射子阵内Ku和Ka频段射频走线；所述的发射宽带双极化射频通道包括第一发射功率放大器PA、第一发射双工器、第一Ku发射滤波器、第一Ka发射滤波器、第二发射功率放大器PA、第二发射双工器、第二Ku发射滤波器、第二Ka发射滤波器、第一驱动放大器DA、第二驱动放大器DA、第三驱动放大器DA、第四驱动放大器DA、Ku发射极化调整模块、Ka发射极化调整模块、第一发射多功能芯片、第二发射多功能芯片、第九低噪声放大器LNA、第十低噪声放大器LNA；

发射垂直极化信号连接第一发射功率放大器PA的信号输出端，第一发射功率放大器PA的信号输入端连接第一发射双工器公共端，第一发射双工器的第一输入端口连接第一Ku发射滤波器的输出端，第一Ku发射滤波器的输入端连接第一驱动放大器DA的输出端，第一驱动放大器DA的输入端连接Ku发射极化调整模块的第一输出端口；第一发射双工器的第二输入端口连接第一Ka发射滤波器的输出端，第一Ka发射滤波器的输入端连接第二驱动放大器DA的输出端，第二驱动放大器DA的输入端连接Ka发射极化调整模块的第一输出端口；

发射水平极化信号连接第一发射功率放大器PA的信号输出端，第一发射功率放大器PA的信号输入端连接第二发射双工器公共端，第二发射双工器的第一输入端口连接第二Ku发射滤波器的输出端，第二Ku发射滤波器的输入端连接第三驱动放大器DA的输出端，第三驱动放大器DA的输入端连接Ku发射极化调整模块的第二输出端口；第二发射双工器的第二输入端口连接第二Ka发射滤波器的输出端，第二Ka发射滤波器的输入端连接第四驱动放大器DA的输出端，第四驱动放大器DA的输入端连接Ka发射极化调整模块的第二输出端口；

Ku发射极化调整模块的输入端连接第一发射多功能芯片的输出端，第一发射多功能芯片的输入端连接第九低噪声放大器LNA输出端，第九低噪声放大器LNA输入端连接发射子阵内Ku和Ka双频段射频走线中Ku发射信号输出端；

Ka发射极化调整模块的输入端连接第二发射多功能芯片的输出端，第二发射多功能芯片的输入端连接第十低噪声放大器LNA输入端，第十低噪声放大器LNA输出端连接发射子阵内Ku和Ka双频段射频走线中Ka发射信号输出端。

可选的，所述接收阵面综合走线层包括接收子阵间波控综合走线、接收子阵间Ku馈电网络和接收子阵间Ka馈电网络；所述发射阵面综合走线层包括发射子阵间波控综合走线、发射子阵间Ku馈电网络和发射子阵间Ka馈电网络。

本发明相比背景技术具有如下优点：

1、本发明利用集成化一体化设计思路，将天线单元、子阵模块、射频、供电控制综合走线、散热等进行统一设计，提高天线阵面的空间利用率，减小了整个天线的体积。

2、本发明利用在子阵模块内部采用双工器和滤波器对频率进行分割，增加了同时工作的能力，也避免了信号的串扰。

3、本发明可进行Ku和Ka频段同时或者分时工作体制的选择，具有同时形成不同频段双波束的能力，可跟踪不同卫星信号的功能，具有功能复用的优点。

4、本发明具有完全不同于现有宽带卫星通信天线的实现思路，其采用将Ku和Ka频段的天线进行集成设计的思路，其中，接收阵面为Ku、Ka频段宽带工作，发射阵面为Ku、Ka频段宽带工作。这样，既降低了宽带收发Ku、Ka共面设计的难度，又避免了Ku、Ka频段全部分开设计的问题。这种天线阵面既可保证天线发射和接收同时工作，又可以保证发射和接收具有各自工作或者待机的功能。

总之，本发明具有Ku和Ka频段可分时/同时工作的特点，且接收和发射信道也可同时或者分时工作，特别适用于移动载体上宽带卫星通信，还可用于反射面天线的相控阵馈源、龙波透镜的相控阵馈源等领域中。

附图说明

图1是本发明实施例中宽带多模式卫星通信相控阵天线的一种结构框图。

图2是本发明实施例中接收子阵模块与综合走线层的组成示意图。

图3是本发明实施例中发射子阵模块与综合走线层的组成示意图。

图4是本发明实施例中宽带多模式卫星通信相控阵天线的一种结构示意图。

图5是图4的爆炸图。

具体实施方式

参照图1至图3，一种宽带多模式卫星通信相控阵天线00，包括接收阵面01、发射阵面04、综合信息一体化平台07、供配电模块08、分布式电源09、惯性系统10、跟踪接收机11、状态监测与监控管控12、卫通终端13、热控系统14以及支撑底座15等部分；其中接收阵面01包括接收子阵模块02和接收阵面综合走线03；发射阵面04包括发射子阵模块05和发射阵面综合走线06；每个接收子阵模块和发射子阵模块均连接有多个双极化天线单元。

图4和5所示为上述模块结构的一种具体实现结构，其中，支撑底座15上具有腔体，分布式电源09、惯性系统10、跟踪接收机11、状态监测与监控管控12和卫通终端13等器件均设于支撑底座15的腔体内，热控系统14包括设于腔体周边的散热翅片；供配电模块08和综合信息一体化平台07依次叠盖在腔体上方，接收阵面综合走线03和发射阵面综合走线06并列设于综合信息一体化平台07之上，接收子阵模块02设于接收阵面综合走线03之上，发射子阵模块05设于发射阵面综合走线06之上。整个天线的结构紧凑而合理，体积小巧，性能优良。需要注意的是，图5所示结构只是本发明天线的一种实现结构，本发明天线还可以采用任何可能的其他结构形式，此处不再一一赘述。

具体来说，接收子阵模块02包括多个接收宽带双极化射频通道39，接收子阵内波控综合走线34、接收子阵内Ku和Ka双频段射频走线35；发射子阵模块04包括多个发射宽带双极化射频通道58，发射子阵内波控综合走线59、发射子阵内Ku和Ka频段射频走线60。

接收宽带双极化射频通道39包括第一低噪声放大器LNA16、第一接收双工器17、第一Ku接收滤波器18、第一Ka接收滤波器20、第二低噪声放大器LNA25、第二接收双工器26、第二Ku接收滤波器27、第二Ka接收滤波器28、第三低噪声放大器LNA19、第四低噪声放大器LNA21 、第五低噪声放大器LNA28、第六低噪声放大器LNA30、Ku接收极化调整模块22、Ka接收极化调整模块31、接收第一多功能芯片23、接收第二多功能芯片32、第七低噪声放大器LNA24、第八低噪声放大器LNA33。

接收垂直极化信号进入第一低噪声放大器LNA16的信号输入端，第一低噪声放大器LNA16的信号输出端连接第一接收双工器17公共端，第一接收双工器17的第一输出端口连接第一Ku接收滤波器18的输入端，第一Ku接收滤波器18的输出端连接第三低噪声放大器LNA19的输入端，第三低噪声放大器LNA19的输出端连接Ku接收极化调整模块22的第一输入端口；第一接收双工器17的第二输出端口连接第一Ka接收滤波器20的输入端，第一Ka接收滤波器20的输出端连接第四低噪声放大器LNA21的输入端，第四低噪声放大器LNA21的输出端连接Ka接收极化调整模块31的第一输入端口。

接收水平极化信号进入第二低噪声放大器LNA25的信号输入端，第二低噪声放大器LNA25的信号输出端连接第二接收双工器26公共端，第二接收双工器26的第一输出端口连接第二Ku滤波器27的输入端，第二Ku滤波器27的输出端连接第五低噪声放大器LNA28的输入端，第五低噪声放大器LNA28的输出端连接Ku接收极化调整模块22的第二输入端口；第二接收双工器26的第二输出端口连接第二Ka接收滤波器29的输入端，第二Ka接收滤波器29的输出端连接第六低噪声放大器LNA30的输入端，第六低噪声放大器LNA31的输出端连接Ka接收极化调整模块31的第二输入端口。

Ku接收极化调整模块22的输出端连接第一接收多功能芯片23的输入端，第一接收多功能芯片23的输出端连接第七低噪声放大器LNA24输入端，第七低噪声放大器LNA24输出端连接接收子阵内Ku和Ka双频段射频走线35中Ku接收信号输入端。

Ka接收极化调整模块31的输出端连接第二接收多功能芯片32的输入端，第二接收多功能芯片32的输出端连接第八低噪声放大器LNA33输入端，第八低噪声放大器LNA33输出端连接接收子阵内Ku和Ka双频段射频走线35中Ka接收信号输入端。

此外，发射宽带双极化射频通道58包括第一发射功率放大器PA40、第一发射双工器41、第一Ku发射滤波器42、第一Ka发射滤波器47、第二发射功率放大器PA49、第二发射双工器50、第二Ku发射滤波器51、第二Ka发射滤波器53、第一驱动放大器DA43、第二驱动放大器DA48、第三驱动放大器DA52、第四驱动放大器DA54、Ku发射极化调整模块44、Ka发射极化调整模块55、第一发射多功能芯片45、第二发射多功能芯片56、第九低噪声放大器LNA46、第十低噪声放大器LNA57。

发射垂直极化信号连接第一发射功率放大器PA40的信号输出端，第一发射功率放大器PA40的信号输入端连接第一发射双工器41公共端，第一发射双工器41的第一输入端口连接第一Ku发射滤波器42的输出端，第一Ku发射滤波器42的输入端连接第一驱动放大器DA43的输出端，第一驱动放大器DA43的输入端连接Ku发射极化调整模块44的第一输出端口；第一发射双工器41的第二输入端口连接第一Ka发射滤波器47的输出端，第一Ka发射滤波器47的输入端连接第二驱动放大器DA48的输出端，第二驱动放大器DA48的输入端连接Ka发射极化调整模块55的第一输出端口。

发射水平极化信号连接第一发射功率放大器PA49的信号输出端，第一发射功率放大器PA49的信号输入端连接第二发射双工器50公共端，第二发射双工器50的第一输入端口连接第二Ku发射滤波器51的输出端，第二Ku发射滤波器51的输入端连接第三驱动放大器DA52的输出端，第三驱动放大器DA52的输入端连接Ku发射极化调整模块44的第二输出端口；第二发射双工器50的第二输入端口连接第二Ka发射滤波器47的输出端，第二Ka发射滤波器53的输入端连接第四驱动放大器DA54的输出端，第四驱动放大器DA54的输入端连接Ka发射极化调整模块55的第二输出端口。

Ku发射极化调整模块44的输入端连接第一发射多功能芯片45的输出端，第一发射多功能芯片45的输入端连接第九低噪声放大器LNA46输出端，第九低噪声放大器LNA46输入端连接发射子阵内Ku和Ka双频段射频走线59中Ku发射信号输出端。

Ka发射极化调整模块55的输入端连接第二发射多功能芯片56的输出端，第二发射多功能芯片56的输入端连接第十低噪声放大器LNA57输入端，第十低噪声放大器LNA57输出端连接发射子阵内Ku和Ka双频段射频走线59中Ka发射信号输出端。

其中，接收阵面综合走线03包括接收子阵间波控综合走线36、接收子阵间Ku馈电网络37和接收子阵间Ka馈电网络38；发射阵面综合走线04包括发射子阵间波控综合走线61、发射子阵间Ku馈电网络62和发射子阵间Ka馈电网络63。

该天线的工作原理如下：

在进行信号接收时，卫星信号由天线阵列接收下来，卫通终端根据天线系统所处的地理位置、平台姿态等信息，计算出所需的波束指向角。来自卫星的信号首先经过双极化天线单元进行接收，并在接收子阵模块内部进行信号的极化分集，分为Ku和Ka两种不同频率的信号，进入滤波器、低噪放、极化调整模块、多功能芯片等，进行信号的放大、移相和衰减，并进行信号合成，合成后的信号进入跟踪接收机和卫通终端进行信号的处理。

在发射信号时，信号由卫通终端提供Ku和Ka两种激励信号，经过各自的馈电网络对信号进行分配，进入发射子阵模块的射频通道，进行信号放大、衰减、移相等，而经过极化调整模块对信号的极化形式与卫星信号的极化进行匹配，经过其滤波器、驱动放大器以及双工器等，对频率进行整合，通过共同的功放对信号放大，最终由双线极化天线单元辐射出去。

其中，分布式电源和供配电层主要对设备进行供电，外部热控系统为整个阵面进行散热，惯性系统主要为天线提供姿态信息，状态监测与监控管控模块主要为天线系统的工作状态进行检查。

本发明的接收阵面和发射阵面均工作在Ku、Ka，因而本发明具有Ku和Ka频段可分时/同时工作的特点，且接收和发射信道也可同时或者分时工作。

总之，本发明既可保证天线发射和接收同时工作，又可以保证发射和接收具有各自工作或者待机的功能，特别适用于移动载体上宽带卫星通信，还可用于反射面天线的相控阵馈源、龙波透镜的相控阵馈源等领域中。

需要理解的是，上述对于本专利具体实施方式的叙述仅仅是为了便于本领域普通技术人员理解本专利方案而列举的示例性描述，并非暗示本专利的保护范围仅仅被限制在这些个例中，本领域普通技术人员完全可以在对本专利技术方案做出充分理解的前提下，以不付出任何创造性劳动的形式，通过对本专利所列举的各个例采取组合技术特征、替换部分技术特征、加入更多技术特征等等方式，得到更多的具体实施方式，所有这些具体实施方式均在本专利权利要求书的涵盖范围之内，因此，这些新的具体实施方式也应在本专利的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种宽带多模式卫星通信相控阵天线，包括接收阵面和发射阵面；其特征在于：所述接收阵面包括多个接收子阵模块以及接收阵面综合走线层；所述发射阵面包括多个发射子阵模块以及发射阵面综合走线层；每个接收子阵模块和发射子阵模块均连接有多个双极化天线单元。

2.根据权利要求1所述的一种宽带多模式卫星通信相控阵天线，其特征在于：所述的接收子阵模块包括多个接收宽带双极化射频通道，以及接收子阵内波控综合走线和接收子阵内Ku和Ka双频段射频走线；所述接收宽带双极化射频通道包括第一低噪声放大器LNA、第一接收双工器、第一Ku接收滤波器、第一Ka接收滤波器、第二低噪声放大器LNA、第二接收双工器、第二Ku接收滤波器、第二Ka接收滤波器、第三低噪声放大器LNA、第四低噪声放大器LNA、第五低噪声放大器LNA、第六低噪声放大器LNA、Ku接收极化调整模块、Ka接收极化调整模块、接收第一多功能芯片、接收第二多功能芯片、第七低噪声放大器LNA、第八低噪声放大器LNA；

接收垂直极化信号进入第一低噪声放大器LNA的信号输入端，第一低噪声放大器LNA的信号输出端连接第一接收双工器公共端，第一接收双工器的第一输出端口连接第一Ku接收滤波器的输入端，第一Ku接收滤波器的输出端连接第三低噪声放大器LNA的输入端，第三低噪声放大器LNA的输出端连接Ku接收极化调整模块的第一输入端口；第一接收双工器的第二输出端口连接第一Ka接收滤波器的输入端，第一Ka接收滤波器的输出端连接第四低噪声放大器LNA的输入端，第四低噪声放大器LNA的输出端连接Ka接收极化调整模块的第一输入端口；

接收水平极化信号进入第二低噪声放大器LNA的信号输入端，第二低噪声放大器LNA的信号输出端连接第二接收双工器公共端，第二接收双工器的第一输出端口连接第二Ku滤波器的输入端，第二Ku滤波器的输出端连接第五低噪声放大器LNA的输入端，第五低噪声放大器LNA的输出端连接Ku接收极化调整模块的第二输入端口；第二接收双工器的第二输出端口连接第二Ka接收滤波器的输入端，第二Ka接收滤波器的输出端连接第六低噪声放大器LNA的输入端，第六低噪声放大器LNA的输出端连接Ka接收极化调整模块的第二输入端口；

Ku接收极化调整模块的输出端连接第一接收多功能芯片的输入端，第一接收多功能芯片的输出端连接第七低噪声放大器LNA输入端，第七低噪声放大器LNA输出端连接接收子阵内Ku和Ka双频段射频走线中Ku接收信号输入端；

Ka接收极化调整模块的输出端连接第二接收多功能芯片的输入端，第二接收多功能芯片的输出端连接第八低噪声放大器LNA输入端，第八低噪声放大器LNA输出端连接接收子阵内Ku和Ka双频段射频走线中Ka接收信号输入端。

3.根据权利要求1所述的一种宽带多模式卫星通信相控阵天线，其特征在于：所述发射子阵模块包括多个发射宽带双极化射频通道，以及发射子阵内波控综合走线和发射子阵内Ku和Ka频段射频走线；所述的发射宽带双极化射频通道包括第一发射功率放大器PA、第一发射双工器、第一Ku发射滤波器、第一Ka发射滤波器、第二发射功率放大器PA、第二发射双工器、第二Ku发射滤波器、第二Ka发射滤波器、第一驱动放大器DA、第二驱动放大器DA、第三驱动放大器DA、第四驱动放大器DA、Ku发射极化调整模块、Ka发射极化调整模块、第一发射多功能芯片、第二发射多功能芯片、第九低噪声放大器LNA、第十低噪声放大器LNA；

发射垂直极化信号连接第一发射功率放大器PA的信号输出端，第一发射功率放大器PA的信号输入端连接第一发射双工器公共端，第一发射双工器的第一输入端口连接第一Ku发射滤波器的输出端，第一Ku发射滤波器的输入端连接第一驱动放大器DA的输出端，第一驱动放大器DA的输入端连接Ku发射极化调整模块的第一输出端口；第一发射双工器的第二输入端口连接第一Ka发射滤波器的输出端，第一Ka发射滤波器的输入端连接第二驱动放大器DA的输出端，第二驱动放大器DA的输入端连接Ka发射极化调整模块的第一输出端口；

发射水平极化信号连接第一发射功率放大器PA的信号输出端，第一发射功率放大器PA的信号输入端连接第二发射双工器公共端，第二发射双工器的第一输入端口连接第二Ku发射滤波器的输出端，第二Ku发射滤波器的输入端连接第三驱动放大器DA的输出端，第三驱动放大器DA的输入端连接Ku发射极化调整模块的第二输出端口；第二发射双工器的第二输入端口连接第二Ka发射滤波器的输出端，第二Ka发射滤波器的输入端连接第四驱动放大器DA的输出端，第四驱动放大器DA的输入端连接Ka发射极化调整模块的第二输出端口；

Ku发射极化调整模块的输入端连接第一发射多功能芯片的输出端，第一发射多功能芯片的输入端连接第九低噪声放大器LNA输出端，第九低噪声放大器LNA输入端连接发射子阵内Ku和Ka双频段射频走线中Ku发射信号输出端；

Ka发射极化调整模块的输入端连接第二发射多功能芯片的输出端，第二发射多功能芯片的输入端连接第十低噪声放大器LNA输入端，第十低噪声放大器LNA输出端连接发射子阵内Ku和Ka双频段射频走线中Ka发射信号输出端。

4.根据权利要求1所述的一种宽带多模式卫星通信相控阵天线，其特征在于：所述接收阵面综合走线层包括接收子阵间波控综合走线、接收子阵间Ku馈电网络和接收子阵间Ka馈电网络；所述发射阵面综合走线层包括发射子阵间波控综合走线、发射子阵间Ku馈电网络和发射子阵间Ka馈电网络。