CN110071374A - 商业卫星星地高速数传用x波段相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及商业卫星的数据传送天线，尤其涉及商业卫星使用的高速数据传输用的相控阵天线。一种商业卫星星地高速数传用X波段相控阵天线，其特征在于，它包括：4*4＝16个天线通过排列组成的天线阵列，每个天线后面都连接了一个移相器和放大器构成的发射组件，发射组件通过波束控制器根据地面站的方向计算出16个天线中的每个天线的馈电相位，通过控制器调节每个天线后面的移相器。本发明的方位角俯仰角调节范围大，体积更小，重量更轻。

Description

商业卫星星地高速数传用X波段相控阵天线
技术领域
本发明涉及商业卫星的数据传送天线，尤其涉及商业卫星使用的高速数据传输用的相控阵天线。
背景技术
随着我国航天技术的发展，各种对地观测的民用商业卫星越来越多，对地观测数据量也越来越大。而商业小卫星因发射火箭推力和有效载荷的容积问题，需要整星的发射功率高、体积小、重量轻，因此也需要数传天线具有发射功率高、体积小、功耗低、重量轻等特点。
传统的数传天线一般有两种体制，一种是S波段数传体制，受限于带宽一般仅用作百兆以下速率的数据传输；另一种是X波段数传体制，适用于中高码速率的数据传输。在天线形式上，传统的数传天线有宽波束低增益天线和固定窄波束高增益天线两种。宽波束天线由于增益较低一般后接大功率固态放大器或者行波管放大器来提高发射功率；固定窄波束高增益天线虽然增益较高、发射功率小，但其波束窄、对地覆盖范围不够，必须通过改变卫星姿态使得天线波束始终对准地面站，这就对卫星姿态控制提出了极其高的要求，而且也影响卫星对地观测的主任务。
X波段数传体制的商业卫星虽然具有高增益、低功耗；波束指向的快速调节能力，根据目标的方向调节波束指向；体积小、重量轻等特点，但是它依然存在方位角，俯仰角范围有限的缺陷，而且使用功放，因此，体积重量有进一步降低的空间。
发明内容
本发明的目的，在于解决现有技术存在的上述问题，提供一种商业卫星星地高速数传用X波段相控阵天线。本发明的方位角俯仰角调节范围大，体积更小，重量更轻。
本发明目的是这样实现的：一种商业卫星星地高速数传用X波段相控阵天线，它包括：4*4＝16个天线通过排列组成的天线阵列，每个天线后面都连接了一个移相器和放大器构成的发射组件，发射组件通过波束控制器根据地面站的方向计算出16个天线中的每个天线的馈电相位，通过控制器调节每个天线后面的移相器。
所述的商业卫星星地高速数传用X波段相控阵天线，所述天线阵列用三角栅格阵，每三个天线组成一个等腰三角形，三角形的底边长dx约0.5～0.65λ，三角形的高dy约0.42～0.58λ，其中λ为天线工作频率对应的波长。
所述的商业卫星星地高速数传用X波段相控阵天线，所述控制器是通过传送射频信号的馈电网络来调节所述移相器的。
所述的商业卫星星地高速数传用X波段相控阵天线，所述的波束控制器是由独立电源供电，该电源输入电压为28V。
所述的商业卫星星地高速数传用X波段相控阵天线，所述的天线阵列中每个天线和发射组件之间采用SMP接口连接。
本发明采用了X波段相控阵天线代替了传统的低增益双线螺旋天线和高增益固定窄波束单臂螺旋天线，采用4*4＝16个天线通过恰当的排列方式组成天线阵列，每个天线后面都连接了一个移相器和放大器，并且通过控制器根据地面站的方向计算出16个天线中的每个天线的馈电相位，通过控制器调节每个天线后面的移相器使得16个天线发射出的电磁波在地面站所在的方向上实现电磁波同相叠加，这样就可以完成高增益波束对地面站方位的连续跟踪，实现卫星载荷数据向地面站的高速数据传输，本发明具有天线增益高，等效发射功率达到22.5dBW，天线辐射方向在方位角360°，俯仰角60°范围内灵活可调，省去了传统天线后接的大功率功放，且具有体积小、重量轻、功耗低等优点。具体技术指标见表1。
表1技术指标：
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2是所述天线阵列示意图。
具体实施方式
参见图1、一种商业卫星星地高速数传用X波段相控阵天线，它包括：4*4＝16个天线通过排列组成的天线阵列1，每个天线后面都连接了一个移相器和放大器构成的发射组件3，发射组件通过波束控制器3根据地面站的方向计算出16个天线中的每个天线的馈电相位，通过控制器调节每个天线后面的移相器。
请结合图2，所述的商业卫星星地高速数传用X波段相控阵天线，所述天线阵列用三角栅格阵，每三个天线6组成一个等腰三角形，三角形的底边长dx约0.5～0.65λ，三角形的高dy约0.42～0.58λ，其中λ为天线工作频率对应的波长。
所述的商业卫星星地高速数传用X波段相控阵天线，所述控制器是通过传送射频信号的馈电网络4来调节所述移相器的。
所述的商业卫星星地高速数传用X波段相控阵天线，所述的波束控制器是由独立电源5供电，该电源输入电压为28V。
所述的商业卫星星地高速数传用X波段相控阵天线，所述的天线阵列中每个天线和发射组件之间采用SMP接口连接。
实施例：
天线单元的设计方式采用了X波段介质喇叭天线的设计，通过天线末端的SMP馈电针将能量导入到天线的矩形波导结构中，然后通过加载圆极化片将电磁能量切割成两部分能量相等香味相差90°的线极化波，再将这两部分线极化波进行空间合成形成左旋或者右旋的圆极化波；整个阵列采用了4*4＝16个阵元，并采用三角布阵以降低单元之间的耦合实现更好的轴比性能和更高的组阵效率，并且通过二次旋转组阵的方式进一步提高天线阵列的轴比性能从而达到极化复用的要求，真个阵列的外形成矩形分布，并且单元的间距还要满足在±60°范围内不出现栅瓣。
发射组件2是由四个相同的四通道X波段发射模块组成，主要实现射频信号的分路，移相、放大最后送给天线。每个发射模块包含了射频电路、控制电路组成。射频电路包含了公共端的驱动放大、一分四的威尔金森功分器、数控移相器、末级放大器、隔离器以及高频电路板和壳体；控制部分主要包括借口芯片、三八译码器、寄存器等。
馈电网络3是由两级一分二的威尔金森功分器构成，首先通过一级一分二的威尔金森功分器将射频信号一分为二，然后级联两个一分二的威尔金森功分器从而实现一分四的功率分配。
波束控制单元4主要功能是：1)角度解算，根据天线波束指向角度信息，通过计算得出各天线单元的相位，并利用查表得出各发射组件内移相器的控制数据，完成对移相器的控制；2)电源转换，为波束控制单元内的各个电路提供所需的电源。
硬件上主要包括FPGA电路、电源电路、时钟电路、下载电路、配置芯片、FLASH存储器、RS422通信接口等组成。
FPGA电路
采用Xilinx公司XQR4VSX55芯片作为核心控制芯片。该系列芯片拥有业界领先的系统集成能力，低功耗，速度快，连接功能丰富，同时还能实现适用于大批量应用的最低总成本。
波束控制单元电源电路
由FPGA供电电路和存储器供电电路组成。主要产生FPGA及存储电路需要的3.3V、2.5V、1.8V、1.25V。
FLASH存储器
用来存放天线单元的幅度相位数据。
时钟电路是为FPGA提供50MHz的工作时钟。
下载接口
JTAG下载接口，PC机将程序下载到FPGA里，同时也可以将程序固化在配置芯片里。
配置电路
FPGA程序掉电丢失，配置电路将FPGA程序存储在配置芯片里，上电后FPGA自动从配置芯片里读取。
波控单元软件主要包括：指令接收模块、遥测数据发送模块、指令处理模块、指向精度修正、函数计算模块、相位计算模块、相位补偿模块、移相器接口模块、移相器芯片直接控制模块、参数设置模块、复位模块、指令回馈模块等指令接收模块
指令接收模块根据通信协议接收由任务处理机发送过来的串口数据，判断帧头和帧尾，并进行校验。
遥测数据发送模块
接收指令回馈模块需要回传的信息，根据通信协议发送给任务处理机。指令处理模块
根据指令接收模块接收的信息，判断指令，并进行指令的处理与任务分发与协调。
指向精度修正
指向精度修正模块在接收到正确的角度信息时，把接收到角度数据根据插值算法和修正数据映射到新的指向角度。修正数据由整机测试提供，插值算法为一维线性插值。
函数计算模块
函数计算模块根据修正后的指向角度，计算出对应的正弦、余弦值。
相位计算模块
相位计算模块根据指向角度和三角函数值计算每个通道的相位值。
相位补偿模块
相位补偿模块把相位计算的结果与通道校准数据以及相位补偿数据相加。移相器接口模块
移相器接口模块直接对移相器进行控制，可在布相和调试之间切换。布相模块时，控制每个通道相位分时进行输出。
移相器芯片直接控制模块
用于任务处理机直接调试移相器芯片。
参数设置模块
存储指向修正数据和相位补偿数据，可由上位机软件控制数据写入和替换。
复位模块
实现上电初始复位和指令复位功能，方式采用异步复位，同步释放。
指令回馈模块
回传温度数据、布相结果等。
电源单元5主要由DC-DC器件构成，并配备外围滤波电路、保护电路和缓起电路。电源模块将外部+30V供电转化为产品内部和组件所需的二次电源。电源保护设计
+30V供电母线输入处设置熔断器对供电母线进行保护，防止产品意外短路危害供电母线。
浪涌抑制措施
产品内EMI滤波器和DC-DC供电入口处均含有储能滤波电容，上电瞬间呈短路(虚短)特性，将产生较大浪涌电流，对熔断器和电源母线产生冲击，故设计浪涌抑制电路，限制上电浪涌电流。
电源转换
将28V电源转换成发射组件2、波控单元4所需要的电压值。
二次电源滤波设计
在DC-DC后端设计∏型二次电源滤波(见下图)，利用大、小电容和磁珠搭配抑制DC-DC开关噪声对数字电路的影响。二次电源地对机壳设置滤波电容抑制共模干扰。
在LDO后端和每个数字电路供电引脚就近处设置旁路电容，抑制电路高速开关对二次电源的影响。
二次配电设计
电源模块为波控组件提供±5V和+8V供电，控制模块为波控组件提供控制信号。为防止上电过程中波控组件供电和控制信号不稳定导致的意外状态，本方案设计上对波控组件的供电进行控制。利用DC-DC的Inhibit使能控制引脚控制对波控组件的±5V和+8V供电。

Claims (5)

1.一种商业卫星星地高速数传用X波段相控阵天线，其特征在于，它包括：4*4＝16个天线通过排列组成的天线阵列，每个天线后面都连接了一个移相器和放大器构成的发射组件，发射组件通过波束控制器根据地面站的方向计算出16个天线中的每个天线的馈电相位，通过控制器调节每个天线后面的移相器。
2.根据权利要求1所述的商业卫星星地高速数传用X波段相控阵天线，所述天线阵列用三角栅格阵，每三个天线组成一个等腰三角形，三角形的底边长dx约0.5～0.65λ，三角形的高dy约0.42～0.58λ，其中λ为天线工作频率对应的波长。
3.根据权利要求1所述的商业卫星星地高速数传用X波段相控阵天线，其特征在于，所述控制器是通过传送射频信号的馈电网络来调节所述移相器的。
4.根据权利要求1所述的商业卫星星地高速数传用X波段相控阵天线，其特征在于，所述的波束控制器是由独立电源供电，该电源输入电压为28V。
5.根据权利要求1所述的商业卫星星地高速数传用X波段相控阵天线，其特征在于，所述的天线阵列中每个天线和发射组件之间采用SMP接口连接。
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