CN109361052A - 一种片式双频机载卫星通信天线 - Google Patents

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杨铖
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Abstract

本发明是一种片式双频机载卫星通信天线，包括天线辐射体、射频电路、校正网络、数模转换电路、信号处理电路和电源电路，其中：所述天线辐射体依次连接校正网络和射频电路，用于作为接收通路接收卫星信号、以及作为发射通路辐射射频通道信号给卫星；所述射频电路连接数模转换电路，用于将射频通道信号滤波、放大和变频处理；所述数模转换电路连接信号处理电路，用于接收通路和发射通路的信号的模数转换。本发明采用片式相控阵天线垂直互联结构，提高系统集成度和利用率，最大限度地减少天线系统的高度和体积，重量并降低制造成本，实现飞机、轮船、高铁等机动性强、气动性要求高的平台的大动态下双向高效宽带通信。

Description

一种片式双频机载卫星通信天线
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种片式双频机载卫星通信天线。
背景技术
随着民用航空、航海的快速发展，用户对空中、航海过程中的宽带通信的需求越来越高，但目前空地通信的网络速度还无法满足用户的高速上网要求，并且运营公司也需要实时传送航空器和船舶健康状态，传统航空航海通信系统受制于通信速率不足、带宽狭窄、成本高昂、技术成熟度等因素，使得飞机上仍有大量有价值的数据无法得到充分挖掘和利用，航空航海公司和用户对空地高速的信息通信需求无法得到满足。
随着卫星技术、微波技术和信号处理技术的发展，卫星通信系统正朝着低成本，小型化，智能化方向发展，其中天线技术的进步是关键环节。
天线是无线电通信系统必不可少的组件，实现电磁波和辐射和接收功能，天线的性能和效率直接影响无线通信系统的性能。对于飞机、船舶等交通工具，需要天线体积越来越小，重量越来越轻，最好能和机体和船体实现共型，容易配重。目前主流的卫星通信应用天线以机械扫描和半机械半电扫描反射面为主，此种天线的缺点是剖面高，体积大，重量重等特地点，无法满足机体和船体机动小尺寸载体要求。
1.目前最主要、最关键的技术问题：
从平台适应性方面考虑，目前机载天线趋向于向具有低剖面或无剖面的有源相控阵方向发展，此类天线不仅可以与平台一体化设计，并且还具有波束捷变、重量轻、体积小等优点，并且随着微波集成电路技术的发展以及多层基板布线技术的发展，将天线辐射单元与馈电网络以及后端射频电路进行瓦片式设计，形成片式结构的高密度集成有源天线系统成为可能。随着低频段通信系统频率资源日益紧张，以及多媒体以及宽带业务的需求越来越强烈，各国卫星通信业务已经向Ku和Ka双频段发展。
2．次要问题:
片式双频机载卫星通信天线采用基于信标和信号的快速搜索跟踪算法，启动时间短，锁星速度快，跟踪精度高，失锁后可快速自动恢复卫星跟踪，支持波束和卫星的自动切换，能够实现Ku频段和Ka频段卫星的无缝切换。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种片式Ka/Ku双频段机载卫星通信天线，通过瓦片式电路技术实现天线的小型化、轻量化、智能化。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种片式双频机载卫星通信天线，该天线包括天线辐射体、射频电路、校正网络、数模转换电路、信号处理电路和电源电路，其中：
所述天线辐射体依次连接校正网络和射频电路，用于作为接收通路接收卫星信号、以及作为发射通路辐射射频通道信号给卫星；
所述射频电路连接数模转换电路，用于将射频通道信号滤波、放大和变频处理；
所述数模转换电路连接信号处理电路，用于接收通路和发射通路的信号的模数转换；
所述电源电路分别连接射频电路、校正网络、数模转换电路和信号处理电路，用于提供电源。
进一步的，所述数模转换电路分别依次连接两路射频电路、校正网络和天线辐射体，用于Ka/Ku双频段的中频信号的双向模数转换和数据采集。
进一步的，所述天线辐射体包括若干个Ku频段天线阵列单元和若干个Ka频段天线阵列单元，所述Ku频段天线阵列单元与Ka频段天线阵列单元各自分开在一路射频电路、校正网络上排列。
进一步的，所述天线阵列单元为双馈点馈电的微带贴片蚀刻而成，每个天线阵列单元上设置有用于接收校正信号的耦合器。
进一步的，所述校正网络包括对应天线阵列单元数量的校正通道，每个校正通道通过耦合器连接对应天线阵列单元，校正通道通过开关和功分合成器依次合并为一路输出。
进一步的，所述射频电路包括对应天线阵列单元数量的阵元射频通道，每个阵元射频通道包括依次连接的滤波器、衰减器、移相器、低噪声放大器、功率放大器和隔离器，射频通道信号经过衰减移相后，放大再传输给下一级处理。
进一步的，四个所述天线阵列单元构成一组天线子阵。
进一步的，所述天线辐射体的外层设置有隔离罩，用于防护。
进一步的，所述信号处理电路分别连接模数转换电路、校正网络和频综网络，用于射频电路的射频通道信号幅相形成，校正网络信号处理，系统时钟同步信号的处理。
进一步的，所述信号处理电路包括FPGA芯片、DSP、接口电路和校正信号检测电路，所述接口电路分别连接射频电路、外部低频接口和校正信号转换电路，所述FPGA芯片连接接口电路，所述校正信号转换电路连接校正网络，FPGA芯片对射频电路输出控制信号并完成波束幅相值的计算和幅度移相器的校正，校正信号转换电路将校正网络输出的校正信号一次变频到低频段后进行A/D转换并存入FPGA芯片。
本发明的有益效果是:
本发明采用片式相控阵天线结构、垂直互联结构、高效的分布式馈电空间能量合成，以及高密度单片微波集成电路技术，并充分利用系统可提供的资源以及规模生产技术，提高系统集成度和利用率，最大限度地减少天线系统的高度和体积，重量并降低制造成本，满足大批量生产和调试的要求，作为卫星应用的通信系统的天线，通过各系统配合可实现飞机、轮船、高铁等机动性强、气动性要求高的平台的大动态下双向高效宽带通信，实现对上述平台的超视距测控以及通信需求。
附图说明
图1为本发明的卫星通信天线系统结构图；
图2为本发明的天线结构图；
图3为本发明的校正网络图；
图4为本发明的发射通路原理图；
图5为本发明的接收通路原理图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
如图1、图4和图5所示，一种片式双频机载卫星通信天线，该天线包括天线辐射体、射频电路、校正网络、数模转换电路、信号处理电路和电源电路，其中：
所述天线辐射体依次连接校正网络和射频电路，用于作为接收通路接收卫星信号、以及作为发射通路辐射射频通道信号给卫星；
所述射频电路连接数模转换电路，用于将射频通道信号滤波、放大和变频处理；
所述数模转换电路连接信号处理电路，用于接收通路和发射通路的信号的模数转换；
所述电源电路分别连接射频电路、校正网络、数模转换电路和信号处理电路，用于提供电源。
另外，该天线还包括频综网络，用于提供时钟及本振。
所述数模转换电路分别依次连接两路射频电路、校正网络和天线辐射体，用于Ka/Ku双频段的中频信号的双向模数转换和数据采集。
在本实施例中，所述天线辐射体包括128天线阵列单元，分别为64个Ku频段天线阵列单元和64个Ka频段天线阵列单元，所述Ku频段天线阵列单元与Ka频段天线阵列单元各自分开在一路射频电路、校正网络上排列。
所述天线阵列单元为双馈点馈电的微带贴片蚀刻而成，每个天线阵列单元上设置有用于接收校正信号的耦合器。
如图3所示，所述校正网络包括对应天线阵列单元数量的校正通道，本实施例中为128个，每个校正通道通过耦合器连接对应天线阵列单元，校正通道通过开关和功分合成器依次合并为一路输出。
所述射频电路包括对应天线阵列单元数量的阵元射频通道，本实施例中为128个，每个阵元射频通道包括依次连接的滤波器、衰减器、移相器、低噪声放大器、功率放大器和隔离器，射频通道信号经过衰减移相后，放大再传输给下一级处理。
如图2所示，四个所述天线阵列单元构成一组天线子阵。
所述天线辐射体的外层设置有隔离罩，用于防护。
所述信号处理电路分别连接模数转换电路、校正网络和频综网络，用于射频电路的射频通道信号幅相形成，校正网络信号处理，系统时钟同步信号的处理。
所述信号处理电路包括FPGA芯片、DSP、接口电路和校正信号检测电路，所述接口电路分别连接射频电路、外部低频接口和校正信号转换电路，所述FPGA芯片连接接口电路，所述校正信号转换电路连接校正网络，FPGA芯片对射频电路输出控制信号并完成波束幅相值的计算和幅度移相器的校正，校正信号转换电路将校正网络输出的校正信号一次变频到低频段后进行A/D转换并存入FPGA芯片。
此外本发明的天线还包括常规的安装组件，安装组件用于安装和固定天线。
本发明原理
本发明采用片式相控阵天线结构、垂直互联结构、高效的分布式馈电空间能量合成，以及高密度单片微波集成电路技术，并充分利用系统可提供的资源以及规模生产技术，提高系统集成度和利用率，最大限度地减少天线系统的高度和体积，重量并降低制造成本，满足大批量生产和调试的要求，作为卫星应用的通信系统的天线，通过各系统配合可实现飞机、轮船、高铁等机动性强、气动性要求高的平台的大动态下双向高效宽带通信，实现对上述平台的超视距测控以及通信需求。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种片式双频机载卫星通信天线，其特征在于，该天线包括天线辐射体、射频电路、校正网络、数模转换电路、信号处理电路和电源电路，其中：
所述天线辐射体依次连接校正网络和射频电路，用于作为接收通路接收卫星信号、以及作为发射通路辐射射频通道信号给卫星；
所述射频电路连接数模转换电路，用于将射频通道信号滤波、放大和变频处理；
所述数模转换电路连接信号处理电路，用于接收通路和发射通路的信号的模数转换；
所述电源电路分别连接射频电路、校正网络、数模转换电路和信号处理电路，用于提供电源。
2.根据权利要求1所述的片式双频机载卫星通信天线，其特征在于，所述数模转换电路分别依次连接两路射频电路、校正网络和天线辐射体，用于Ka/Ku双频段的中频信号的双向模数转换和数据采集。
3.根据权利要求2所述的片式双频机载卫星通信天线，其特征在于，所述天线辐射体包括若干个Ku频段天线阵列单元和若干个Ka频段天线阵列单元，所述Ku频段天线阵列单元与Ka频段天线阵列单元各自分开在一路射频电路、校正网络上排列。
4.根据权利要求3所述的片式双频机载卫星通信天线，其特征在于，所述天线阵列单元为双馈点馈电的微带贴片蚀刻而成，每个天线阵列单元上设置有用于接收校正信号的耦合器。
5.根据权利要求3所述的片式双频机载卫星通信天线，其特征在于，所述校正网络包括对应天线阵列单元数量的校正通道，每个校正通道通过耦合器连接对应天线阵列单元，校正通道通过开关和功分合成器依次合并为一路输出。
6.根据权利要求3所述的片式双频机载卫星通信天线，其特征在于，所述射频电路包括对应天线阵列单元数量的阵元射频通道，每个阵元射频通道包括依次连接的滤波器、衰减器、移相器、低噪声放大器、功率放大器和隔离器，射频通道信号经过衰减移相后，放大再传输给下一级处理。
7.根据权利要求4所述的片式双频机载卫星通信天线，其特征在于，四个所述天线阵列单元构成一组天线子阵。
8.根据权利要求1或3所述的片式双频机载卫星通信天线，其特征在于，所述天线辐射体的外层设置有隔离罩，用于防护。
9.根据权利要求1所述的片式双频机载卫星通信天线，其特征在于，所述信号处理电路分别连接模数转换电路、校正网络和频综网络，用于射频电路的射频通道信号幅相形成，校正网络信号处理，系统时钟同步信号的处理。
10.根据权利要求9所述的片式双频机载卫星通信天线，其特征在于，所述信号处理电路包括FPGA芯片、DSP、接口电路和校正信号检测电路，所述接口电路分别连接射频电路、外部低频接口和校正信号转换电路，所述FPGA芯片连接接口电路，所述校正信号转换电路连接校正网络，FPGA芯片对射频电路输出控制信号并完成波束幅相值的计算和幅度移相器的校正，校正信号转换电路将校正网络输出的校正信号一次变频到低频段后进行A/D转换并存入FPGA芯片。
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