CN109904594A - 一种小型化ads-b星载模拟多波束接收天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种小型化ADS‑B星载模拟多波束接收天线，包括：接收天线阵，安装于星体外部对地面，接收地面航天器来向信号；射频接收模块，安装于星体内部，对来向信号进行滤波和放大；多波束网络，安装于星体内部，对经过所述射频接收模块滤波和放大后的信号进行功分、移相再功合。本发明提供的小型化ADS‑B星载模拟多波束接收天线，剖面低，重量轻，天线尺寸包络小，可以实现对地视角±55°的波束覆盖，满足微小卫星对天线体积、重量、尺寸包络的要求，同时满足链路对高增益和宽波束覆盖范围的要求，适合于大小6U及以上的立方星。

Description

一种小型化ADS-B星载模拟多波束接收天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种小型化ADS-B星载模拟多波束接收天线。

背景技术

广播式自动相关监视(ADS-B)是一种基于卫星定位、能够完成空中交通监视和信息传递的新技术。ADS-B技术是指将ADS-B系统作为有效载荷加装于低轨微小卫星上，利用卫星覆盖范围广的特点，实现对覆盖区域内民航飞机的有效监控和跟踪。进一步通过由数颗微小卫星构成的低轨卫星组网，实现对全球空域的无缝覆盖。ADS-B系统能够提供飞机的详细位置和飞行状态信息，是我国下一代空管系统监视能力提升的核心技术。

天基ADS-B系统应用于6U及以上的微小卫星或常规卫星上。微小卫星区别于传统大卫星，重量小、成本低。6U立方星的尺寸为10厘米×20厘米×30厘米，整星重量通常不超过10千克。ADS-B接收天线是天基ADS-B系统的重要组成之一。因此，在鞋盒尺寸大的微小卫星上，ADS-B星载接收天线的尺寸和重量都受到限制。另外，ADS-B接收天线的波束宽度影响卫星对地视角内的幅宽，天线的波束宽度越宽，对地的波束覆盖范围越大，幅宽也就越大。

现有技术中通常采用单臂螺旋天线形式，这种天线的优点是结构简单、馈电简单且圆极化效果好。但工作在1090MHz的单臂螺旋天线尺寸大，剖面高，且天线在卫星对地视角内同等增益的波束覆盖范围较小。为满足宽波束需求，ADS-B接收天线在现有技术中也会采用多波束天线方案，通常选用单臂螺旋天线为辐射单元并通过设计一种多棱锥台结构实现多波束。该技术通过结构设计改变每一个面上天线的波束指向，使多个天线形成的多波束满足链路使用需求。这种天线同时具有支持1090ES模式和UAT模式的宽带优势。但这种技术实现的多波束需要的单元数量多，尺寸包络大，多棱锥台结构大大增加了天线重量和体积，无法满足微小卫星小型化、轻量化的使用需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型化ADS-B星载模拟多波束接收天线，以解决多波束需要的单元数量多、尺寸包络大、多棱锥台结构增加天线重量和体积，无法满足微小卫星小型化、轻量化的使用需求的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提出一种小型化ADS-B星载模拟多波束接收天线，包括：接收天线阵，安装于星体外部对地面，接收地面航天器来向信号；射频接收模块，安装于星体内部，对来向信号进行滤波和放大；多波束网络，安装于星体内部，对经过所述射频接收模块滤波和放大后的信号进行功分、移相再功合。

进一步地，接收天线阵单元采用微带贴片的形式，采用2×2矩形布阵，接收天线阵单元间距为0.43个自由空间波长，四个所述接收天线阵单元对应四个天线接口。

进一步地，射频接收模块由四个独立的射频通道组成。

进一步地，所述多波束网络将四路接收信号通过四个一分四功分芯片形成十六路等幅同相信号，然后经过各自的移相网络，产生需要的相位差，再通过四个四合一的功合芯片输出，经过多波束网络移相处理后形成四个固定的模拟波束。

进一步地，所述移相网络采用一层微带线及三层带状线进行信号级联，通过设计信号传输路径的长度来达到不同通路间的相位差值。

进一步地，所述射频接收模块包括介质滤波器、三片低噪声放大器、固定衰减器和声表带通滤波器，信号首先进入所述介质滤波器，对带外干扰及镜像干扰进行滤波抑制，然后进入低噪声放大器进行信号放大，使用三级低噪声放大器对信号进行放大，在一二级增益模块之间增加所述固定衰减器，在二三级增益模块之间增加所述声表带通滤波器。

进一步地，所述接收天线阵工作在1090ES模式，带宽要求≥4M，其中，码速率是1Mbps，解调方式是BPPM；驻波≤1.5，右旋圆极化，增益在±55°范围内≥7dBi。

进一步地，所述接收天线阵包括天线阵底板、安装在所述天线阵底板上的四个天线单元以及四个天线罩，四个天线罩分别覆盖在四个所述天线单元上表面。

进一步地，所述天线单元包括印制板、馈电点以及辐射贴片，所述印制板安装在所述天线阵底板、所述辐射贴片涂覆在所述印制板上，所述馈电点贯穿印制板及所述辐射贴片设置。

本发明提供的小型化ADS-B星载模拟多波束接收天线，剖面低，重量轻，天线尺寸包络小，可以实现对地视角±55°的波束覆盖，满足微小卫星对天线体积、重量、尺寸包络的要求，同时满足链路对高增益和宽波束覆盖范围的要求，适合于大小6U及以上的立方星。

附图说明

下面结合附图对发明作进一步说明：

图1为本发明实施例提出小型化ADS-B星载模拟多波束接收天线的模块结构示意图；

图2为本发明实施例提供的接收天线阵的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的天线单元的俯视结构示意图；

图4为本发明实施例提供的射频接收模块的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的多波束网络模块结构示意图；

图6为本发明实施例提供的多波束立体结构示意图；

图7为本发明实施例提供的多波束覆盖二维图；

图8为本发明实施例提供的多波束覆盖三维图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的小型化ADS-B星载模拟多波束接收天线作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，本发明提供的小型化ADS-B星载模拟多波束接收天线，剖面低，重量轻，天线尺寸包络小，可以实现对地视角±55°的波束覆盖，满足微小卫星对天线体积、重量、尺寸包络的要求，同时满足链路对高增益和宽波束覆盖范围的要求，适合于大小6U及以上的立方星。

考虑到单天线性能方面难以满足ADS-B通信需求；从结构上实现的多波束天线结构设计复杂，尺寸和重量都不满足微小卫星的使用需求，因此本发明实施例将一种小型化的模拟多波束天线的形式应用于天基ADS-B系统中。

模拟多波束天线的实现原理是通过几组不同的相位分别控制天线阵，从而使天线阵形成几个独立的波束。本发明实施例模拟多波束接收天线是针对标准6U立方星设计，可以安装于大小6U及以上的立方星，用于对地面航空器ADS-B射频信号的接收。

图1为本发明实施例提出小型化ADS-B星载模拟多波束接收天线的模块结构示意图。参照图1，本发明提出一种小型化ADS-B星载模拟多波束接收天线10，包括：接收天线阵11，安装于星体外部对地面，接收地面航天器来向信号；射频接收模块12，安装于星体内部，对来向信号进行滤波和放大；多波束网络13，安装于星体内部，对经过所述射频接收模块12滤波和放大后的信号进行功分、移相再功合。

接收天线阵11安装于星体外部对地面，接收天线阵11采用微带贴片形式，剖面低，高度为6.04mm，射频接收模块12和多波束网络13安装于星体内部，每个模块的高度均不超过15mm。而现有技术中采用的单臂螺旋天线安装于星体表面，在同样指标下本体尺寸高度达180mm。

本发明实施例提供的ADS-B星载模拟多波束接收天线10的重量约为1.3㎏。现有技术中采用的单臂螺旋天线单个重量约为500g，而采用多棱锥台结构实现的多波束天线由多个单臂螺旋天线和结构件组成，大大增加了ADS-B多波束接收天线的重量，重量约6㎏。

现有技术中采用的单个单臂螺旋天线波束的覆盖范围只有±25°，本发明实施例提供的多波束接收天线尺寸包络小，剖面低，形成的四个固定波束在低轨道对地视角增益为7dBi的范围达到±55°，同时满足微小卫星对ADS-B接收天线小型化和轻量化的需求。

四个波束(波束1、波束2、波束3、波束4)从多波束网络13发送至接收机模块14。

图2为本发明实施例提供的接收天线阵的结构示意图；图3为本发明实施例提供的天线单元的俯视结构示意图。参照图2以及图3，所述接收天线阵包括天线阵底板21、安装在所述天线阵底板21上的四个天线单元以及四个天线罩22，四个天线罩22分别覆盖在四个所述天线单元上表面。接收天线阵单元采用微带贴片的形式，采用2×2矩形布阵，接收天线阵单元间距为0.43个自由空间波长，四个所述接收天线阵单元对应四个天线接口。天线阵底板21尺寸为210mm×310mm×2mm，铝合金材料，安装于卫星表面，因此天线阵底板21表面处理做热控白漆，天线罩22最大包络尺寸为85mm×85mm，安装处厚度为2mm，天线单元上方天线罩22厚度为1mm，材料是聚酰亚胺，表面同样喷涂热控白漆，四个天线单元间距约为0.43个自由空间波长(118mm)。图3为本发明实施例提供的天线单元的俯视结构示意图。参照图3，所述天线单元包括印制板31、馈电点32以及辐射贴片33，所述印制板31安装在所述天线阵底板21、所述辐射贴片33涂覆在所述印制板31上，所述馈电点32贯穿印制板31及所述辐射贴片33设置。印制板31的材料选用TaconicmRF-60，尺寸为70mm×70mm×2.04mm，馈电点32采用同轴底部馈电，选用型号是SMP，辐射贴片33尺寸大小52.25mm×52.25mm，切缝的目的是缩小贴片尺寸，切角实现圆极化特性。四个天线单元组成的天线阵列，若四个单元天线的幅相一致，那么合成的波束最大值是在法向附近。给四个单元天线提供合适的相位，使其产生相位差，改变波束的最大值位置。为使波束覆盖范围尽可能宽，四个天线单元沿着坐标轴夹角45°方向扫描覆盖。本发明实施例提供的多波束天线采用四个方向的固定波束，可以满足卫星上天线对地视角内的宽波束覆盖。

在本发明实施例中，所述接收天线阵工作在1090ES模式，带宽要求≥4M，其中，码速率是1Mbps，解调方式是BPPM；驻波≤1.5，右旋圆极化，增益在±55°范围内≥7dBi，在低轨道对地视角范围内的增益满足链接设计需求。

图4为本发明实施例提供的射频接收模块的原理框图。参照图4，所述射频接收模块包括介质滤波器41、三片低噪声放大器42、固定衰减器43和声表带通滤波器44，射频接收模块由四个独立的射频通道组成，射频接收模块的功能是对信号进行滤波和放大。该信号首先进入介质滤波器41，对带外干扰及镜像干扰进行滤波抑制，然后进入由QORVO生产的低噪声放大器TQP3M9036进行信号放大，根据链路增益需求，使用三级低噪声放大器对信号进行放大，为提高射频前端稳定度，在一二级增益模块之间增加一个固定衰减器43。为了满足射频链路带宽要求，在二三级增益模块之间增加一个声表带通滤波器44。介质滤波器41选用13所的型号4DF1/C-1090/U50-N，其插损为1.2dB；三级低噪声放大器型号相同，噪声系数为0.45dB，放大增益为19dB；固定衰减器是AD公司的HMC654LP2E；声表带通滤波器TAI-SAW的TA1090EC，插损为2.3dB。射频接收模块的尺寸为92mm×84mm×15mm。

图5为本发明实施例提供的多波束网络模块原理框图。参照图5，多波束网络由四个功分芯片51、四个合路芯片52以及移相网络53组成。射频接收模块输出的四路信号通过四个一分四的功分芯片分成十六路同相信号，经过各自的移相网络后，使用四个四合一合路芯片进行信号功合，形成四个固定波束，输出四路信号至接收机端。功分芯片和合路芯片型号为MINI公司的WP4C1+。

图6为本发明实施例提供的多波束立体结构示意图。参照图6，多波束网络使用介电常数为6.15的RF-60A板材，总共8层介质板，尺寸厚度为74mm×88mm×2.06mm。移相网络采用一层微带线及三层带状线进行信号级联，通过设计信号传输路径的长度来达到不同通路间的相位差值。移相网络的设计相位如下表1(多波束接收天线阵配相表)所示。多波束网络外形尺寸为92mm×84mm×15mm。

表1

波束	单元1	单1元2	单元3	单元4
					波束1	0°	-95°	-95°	-190°
波束2	-95°	0°	-190°	-95°
					波束3	-95°	-190°	0°	-95°
波束4	-190°	-95°	-95°	0°

图7为本发明实施例提供的多波束覆盖二维图。图8为本发明实施例提供的多波束覆盖三维图。星体外部接收天线阵与星体内部模块采用四根长度约200mm的电缆组件连接。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种小型化ADS-B星载模拟多波束接收天线，其特征在于，包括：

接收天线阵，安装于星体外部对地面，接收地面航天器来向信号；

射频接收模块，安装于星体内部，对来向信号进行滤波和放大；

多波束网络，安装于星体内部，对经过所述射频接收模块滤波和放大后的信号进行功分、移相再功合。

2.如权利要求1所述的小型化ADS-B星载模拟多波束接收天线，其特征在于，接收天线阵单元采用微带贴片的形式，采用2×2矩形布阵，接收天线阵单元间距为0.43个自由空间波长，四个所述接收天线阵单元对应四个天线接口。

3.如权利要求2所述的小型化ADS-B星载模拟多波束接收天线，其特征在于，射频接收模块由四个独立的射频通道组成。

4.如权利要求2所述的小型化ADS-B星载模拟多波束接收天线，其特征在于，所述多波束网络将四路接收信号通过四个一分四功分芯片形成十六路等幅同相信号，然后经过各自的移相网络，产生需要的相位差，再通过四个四合一的功合芯片输出，经过多波束网络移相处理后形成四个固定的模拟波束。

5.如权利要求4所述的小型化ADS-B星载模拟多波束接收天线，其特征在于，所述移相网络采用一层微带线及三层带状线进行信号级联，通过设计信号传输路径的长度来达到不同通路间的相位差值。

6.如权利要求1所述的小型化ADS-B星载模拟多波束接收天线，其特征在于，所述射频接收模块包括介质滤波器、三片低噪声放大器、固定衰减器和声表带通滤波器，信号首先进入所述介质滤波器，对带外干扰及镜像干扰进行滤波抑制，然后进入低噪声放大器进行信号放大，使用三级低噪声放大器对信号进行放大，在一二级增益模块之间增加所述固定衰减器，在二三级增益模块之间增加所述声表带通滤波器。

7.如权利要求1所述的小型化ADS-B星载模拟多波束接收天线，其特征在于，所述接收天线阵工作在1090ES模式，带宽要求≥4M，其中，码速率是1Mbps，解调方式是BPPM；驻波≤1.5，右旋圆极化，增益在±55°范围内≥7dBi。

8.如权利要求1所述的小型化ADS-B星载模拟多波束接收天线，其特征在于，所述接收天线阵包括天线阵底板、安装在所述天线阵底板上的四个天线单元以及四个天线罩，所述四个天线罩分别覆盖在四个所述天线单元上表面，固定在所述天线阵地板上。

9.如权利要求8所述的小型化ADS-B星载模拟多波束接收天线，其特征在于，所述天线单元包括印制板、馈电点以及辐射贴片，所述印制板安装在所述天线阵底板、所述辐射贴片涂覆在所述印制板上，所述馈电点贯穿印制板及所述辐射贴片设置。