CN112103637A - 模块化星载Ka频段有源相控阵天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种模块化星载Ka频段有源相控阵天线系统，旨在提供一种具有低剖面、热控性好，模块化相控阵天线架构。本发明通过下述技术方案实现：与天线阵面一体集成的瓦式TR组件和变频模块在馈电网络上方水平排列，形成具有最低纵向高度结构的射频电路层；射频电路层根据需要配置发射波束或者接收波束，当波束配置为发射波束时，发射变频频模块将发射中频信号变频至射频，在馈电网络中进行功率分配并馈入T组件，再经各发射通道移相和功率放大后，由对应的天线单元进行辐射；当波束配置为接收波束时，R组件各接收通道将对应天线单元接收到的射频信号进行放大和移相后输出，在馈电网络中进行合成并传输到接收变频模块，然后下变频至中频输出。

Description

模块化星载Ka频段有源相控阵天线系统
技术领域
本发明属于卫星天线技术领域，具体涉及一种星载Ka频段高速通信、收发全双工、模块式有源相控阵天线系统架构。
背景技术
随着移动通信向“5G”“6G”发展，低轨卫星通信系统的发展日渐迅猛，目前不仅有多个运行多年的低轨小卫星星座，而且OneWeb、Starlink等规模更大、速度更快的全球互联网星座也在快速的建设中，国内航天科技和航天科工集团也分别提出和初步实施了“鸿雁”和“虹云”低轨卫星通信星座计划。Ka频段有源相控阵天线因其具有辐射能力强、电扫描、波束捷变、体积小、重量轻等特点非常适合上述低轨卫星高速通信的需要。与陆基相控阵天线相比，星载有源相控阵天线在对功耗、效率、体积、重量等有更为严苛的要求。而且天线在太空环境中要长期经受太阳和行星的红外辐射及空间低温热沉作用，温度环境极为恶劣，因此天线热控系统设计也极其重要。由于发射平台、工作状态下能源供应、故障诊断和维修的限制，对星载天线系统的突出要求是轻量化、小型化、高效率。我国虽已发射装备有源相控阵天线的卫星，但是数量少，技术与经验积累相对薄弱，与国外技术水平的差距较大。国内公开的星载有源相控阵天线文献和专利不多，难以对业内技术人员提供有效参考。
中国专利申请号201510206021.3公开了一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列。中国专利：201711178982.3，公开了X波段星载相控阵天线。该发明给出了一种包括天线罩、安装板的星载天线单元和阵列。以上发明的不足之处在于：这类发明只涉及到相控阵天线系统中的本领域普通技术人员所理解的“无源天线”部分，未对整个相控阵天线系统给出技术参考。
中国专利：201811532714.1公开了一种与卫星平台结构热控一体化星载相控阵雷达载荷。该发明的星载相控阵雷达载荷通过使相控阵天线与卫星平台共用一块舱板，并将热控装置集成在卫星舱板内部，使星载相控阵雷达载荷与卫星平台结构实现了热控一体化。该发明不足之处在于：载荷与平台结合程度高，不利于模块化设计和分工；使用了相变材料储能，技术复杂度和成本都相对较高。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种具有低剖面、重量轻，热控性好，能缩短星载相控阵天线的研制周期、降低成本的模块化星载Ka频段有源相控阵天线系统架构。
本发明实现上述目的的一种模块化星载Ka频段有源相控阵天线系统，包括：在纵向维度呈分层分布的透波隔热层、射频电路层和位于馈电网络下方的控制供电层，其特征在于：透波隔热层为透波热控罩，在天线外部环境与天线内部模块间形成有效的热隔离。射频电路层包含第一天线阵面、第一TR组件、第一变频模块、第二天线阵面、第二TR组件、第二变频模和馈电网络。与天线阵面一体集成的瓦式TR组件和变频模块在馈电网络上方水平排列，形成具有最低纵向高度结构的射频电路层；射频电路层根据需要配置发射波束或者接收波束，当波束配置为发射波束时，发射变频频模块将发射中频信号变频至射频，在馈电网络中进行功率分配并馈入T组件，再经各发射通道移相和功率放大后，由对应的天线单元进行辐射；当波束配置为接收波束时，R组件各接收通道将对应天线单元接收到的射频信号进行放大和移相后输出，在馈电网络中进行合成并传输到接收变频模块，然后下变频至中频输出。控制供电层包含综合控制板、频综模块和电源模块。综合控制板位于馈电网络下方，通过板间连接器与第一TR组件、第一变频模块、第二TR组件、频综模块和电源模块各有源模块进行互联，将电源模块的产生的电流分配给其他有源模块，并进行波束控制、主备电路切换控制、供电开关控制、温度监测和电压监测。频综模块和电源模块水平排列在综合控制板下方。频综模块通过射频接头分别与第一变频模、第二变频模连接，为其提供本振信号。电源模块将平台电源母线提供的电压转换成相控阵天线系统各模块所需的各种电压。
采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有如下有益效果：
本发明在纵向维度呈分层分布的透波隔热层、射频电路层和控制供电层所构成的相控阵天线架构具有低剖面、重量轻的优点。该架构下各模块在纵向维度呈分层分布自然形成了辐射屏蔽的结构，无需多加额外的屏蔽结构。射频电路模块的各层结构在纵向维度进行叠加，已经形成了较厚的屏蔽厚度，从而使下层的综合控制板、频综模块和电源模块的结构框只需要较薄的厚度即能满足抗辐照需要。处于上层的射频电路模块采用砷化镓MMIC芯片天然具有较强的抗辐照总剂量效应能力，盖板厚度可设计得较薄。并且相控阵天线整体性好，方便安装。该天线系统架构在物理形态上为长方体结构，四周设置安装耳，方便卫星平台进行总装。载荷研制单位与平台总体单位之间的结构界面简洁明了。
本发明的架构采用模块式结构，可十分方便地根据通信链路对天线波束的需要设置电路模块，由于集成了收发组件、变频模块、透波热控罩、电源模块和综合控制板，使得该相控阵天线具备完整的射频前端功能。对外接口方面只有供电接口，控制接口，参考信号接口和各波束对应的中频信号接口。该架构具有模块配置灵活、功能齐全、对外接口简单的优点，从而非常适合具有多种通信波束的低轨通信卫星使用。
本发明采用透波热控罩外天线形成有效的热隔离，相控阵天线架构具有热控措施简单有效的优点。天线在卫星总装时，只需在天线侧壁四周设置少量加热片，再包裹上保温材料即完成了全部热控处理。保温材料和热控天线罩使得天线内部模块与外天线形成有效的热隔离，当在轨受到阳光直射时，内部温度不至于上升很高，没有阳光直射时，对外的热辐射散发热量的速度也不至于过快。天线工作时，产生的热耗通过模块结构件传导至平台安装面由整星热控散出；天线休眠时，外加的加热片只需极低的功耗，确保天线内部模块温度不至于下降过低。
本发明基于现有技术的星载Ka频段有源相控阵天线无法满足低轨小卫星平台对辐射阵面、TR组件、波束控制、变频信道、二次电源和热控结构一体化集成的技术需求，将多种功能模块进行合理集成，满足了低轨卫星平台的使用条件。此外，卫星平台有同时建立星间、星地通信链路的需求，因此需要一种通用的天线架构，可灵活配置相控阵的波束性能，以满足平台对通信载荷的多种要求。本发明相控阵天线系统架构下各模块的性能指标可根据通信链路需要灵活设计和配置，从而得到满足卫星平台多种波束需求的相控阵天线，如各种波束不同的工作频率、增益、极化、扫描范围等。
附图说明
图1是本发明模块化星载Ka频段有源相控阵天线整体架构示意图。
图2是图1的电路原理示意图。
图3是图1的三维结构示意图。
图4是本发明另一实施例模块化发射天线系统的结构示意图。
图5是与图4同一实施例的模块化接收天线系统结构示意图。
图6是图4、图5实施例的电路原理示意图。
图中：1透波热控罩，2螺钉，3第一天线阵面，4第一TR组件上盖板，5第一TR组件下盖板，6第二天线阵面，7第二TR组件上盖，8第二TR组件下盖板，9第一变频模块，10第二变频模块，11馈电网络，12综合控制板，13频综模块，14电源模块。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的优选实施例中，一种模块化星载Ka频段有源相控阵天线系统，包括：在纵向维度呈分层分布的透波隔热层、射频电路层和位于馈电网络下方的控制供电层。控制供电层将电源模块的产生的电流分配给其它有源模块，并进行波束控制、主备电路切换控制、供电开关控制、温度监测和电压监测，电源模块将平台电源母线提供的电压转换成相控阵天线系统各模块所需的各种电压；与天线阵面一体集成的瓦式TR组件和变频模块在馈电网络上方水平排列，形成具有最低纵向高度结构的射频电路层；射频电路层根据需要配置发射波束或者接收波束，当波束配置为发射波束时，发射变频频模块将发射中频信号变频至射频，在馈电网络中进行功率分配并馈入T组件，再经各发射通道移相和功率放大后，由对应的天线单元进行辐射；当波束配置为接收波束时，R组件各接收通道将对应天线单元接收到的射频信号进行放大和移相后输出，在馈电网络中进行合成并传输到接收变频模块，然后下变频至中频输出。
透波隔热层为透波热控罩，在天线外部环境与天线内部模块间形成有效的热隔离。所述热控天线罩采用具有耐辐照特性的介质材料，天线罩表面喷涂热控白漆，并且各波束透波区域的介质材料厚度约为四分之一介质波长。
射频电路层包含第一天线阵面、第一瓦式TR组件、第一变频模块，第二天线阵面、第二瓦式TR组件、第二变频模和馈电网络。结构上，与天线阵面一体集成的瓦式TR组件和变频模块在馈电网络上方水平排列，该结构确保射频电路层具有最低的纵向高度；电路上，第一天线阵面、第一瓦式TR组件、第一变频模块形成第一个天线波束，该波束可以根据需要配置为发射波束或者接收波束；第二天线阵面、第二瓦式T R组件、第二变频模块形成第二个天线波束，该波束也可根据需要配置为发射波束或者接收波束。
控制供电层包含位于馈电网络下方的综合控制板、水平排列在综合控制板下方的频综模块和电源模块，综合控制板通过板间连接器与第一瓦式TR组件、第一变频模块、第二瓦式TR组件、频综模块和电源模块各有源模块进行互联。频综模块通过射频接头分别与第一变频模、第二变频模连接，为其提供本振信号，电源模块将平台电源母线提供的电压转换成相控阵天线系统各模块所需的各种电压。
参阅图2、图3。整机装配时由螺钉2将最上层的透波热控罩1，中间层的馈电网络11，以及位于最下层的频综模块13、电源模块14固定在一起。第一天线阵面3配置为发射天线阵面，第一TR组件含上盖板4、下盖板5并配置为T组件，具有中频接口的第一变频模块9配置为发射变频模块，这些模块用于形成发射波束。第二天线阵面第二天线阵面3配置为接收天线阵面，第二TR组件含上盖板7、下盖板8并配置为R组件，具有中频接口的第二变频模块10配置为接收变频模块，这些模块用于形成接收波束。以上组成部分并排安装于馈电网络11上表面，综合控制板12安装于馈电网络11下表面。
实心箭头为模拟信号，空心箭头为电源信号，双箭头为控制信号。平台母线上电源信号由电源模块转换成天线系统各模块所需的各种电压，经综合控制板分配到各有源模块，为其供电。控制信号通过综合控制板12控制信号接口进入天线，分配到各有源模块，控制其工作状态，带有参考信号接口的频综模块13通过射频接头与发射变频模块和接收变频模块连接，分别提供发射和接收本振信号。发射天线阵面发射中频信号通过发射变频频模块变频至射频，在馈电网络中进行功率分配并馈入T组件，再经各发射通道移相和功率放大后，经发射天线阵面中对应的天线单元进行辐射，第二天线阵面收射频信号通过天线阵面各天线单元接收，经R组件对应接收通道进行放大和移相后输出，在馈电网络中进行合成并传输到接收变频模块，然后下变频至中频输出。
所述天线阵面为微带天线阵列，采用多层印制电路板技术实现，该多层印制电路板通过焊接工艺与底部的金属板固定，此金属板同时也是收发组件的上盖板，该上盖板在MMIC芯片区域设置微组装工艺腔，用于芯片与电路之间的键合空间，上盖板还设有采用毛纽扣(fuzzbuttons)技术的互联工艺孔，用于天线层多层印制电路板与收发组件多层印制电路板间的射频信号互联，该多层电路板内置了供电层、控制层、次级波束形成网络层和MMIC芯片粘接层。多层电路板采用焊接工艺与下盖板固定，同时确保射频地连接。对于发射组件，一个重要特征是对单通道输出功率进行限制，使得单通道的具有较小的热耗，整个发射组件的总热耗和热密度都保持在较低水平。
参阅图4、图5、图6所示的另一实施实例，该实例是对图1实施例的功能扩展。通过扩展，发射天线形成2个发射波束，接收天线形成2个接收波束。在图4发射天线系统的结构示意图中第一、第二波束模块均设置为发射波束模块，即第一天线阵面3配置为第一发射天线阵面,第一TR组件(含上下盖板)配置为第一T组件，第一变频模块9配置为第一发射变频模块；第二天线阵面6配置为第二发射天线阵面,第二TR组件(含上下盖板)配置为第二T组件，第二变频模块10配置为第二发射变频模块。图5接收天线系统的结构示意图中第一、第二波束模块均设置为接收波束模块，即第一天线阵面3配置为第一接收天线阵面,第一TR组件(含上下盖板)配置为第一R组件，第一变频模块9配置为第一接收变频模块；第二天线阵面6配置为第二接收天线阵面,第二TR组件(含上下盖板)配置为第二R组件，第二变频模块10配置为第二接收变频模块。接收天线省略了电源模块，其所需电源信号由发射天线电源模块产生，通过接收综合控制板输出，经外部连接输入接收天线，最后由接收综合控制板进行分发。
尽管上述已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权力要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种模块化星载Ka频段有源相控阵天线系统，包括：在纵向维度呈分层分布的透波隔热层、射频电路层和位于馈电网络下方的控制供电层，其特征在于：控制供电层将电源模块的产生的电流分配给其它有源模块，并进行波束控制、主备电路切换控制、供电开关控制、温度监测和电压监测，电源模块将平台电源母线提供的电压转换成相控阵天线系统各模块所需的各种电压；与天线阵面一体集成的瓦式TR组件和变频模块在馈电网络上方水平排列，形成具有最低纵向高度结构的射频电路层；射频电路层根据需要配置发射波束或者接收波束，当波束配置为发射波束时，发射变频频模块将发射中频信号变频至射频，在馈电网络中进行功率分配并馈入T组件，再经各发射通道移相和功率放大后，由对应的天线单元进行辐射；当波束配置为接收波束时，R组件各接收通道将对应天线单元接收到的射频信号进行放大和移相后输出，在馈电网络中进行合成并传输到接收变频模块，然后下变频至中频输出。
2.如权利要求1所述的模块化星载Ka频段有源相控阵天线系统，其特征在于：射频电路层包含第一天线阵面、第一瓦式TR组件和第一变频模块，第二天线阵面、第二瓦式TR组件和第二变频模和馈电网络，结构上，与天线阵面一体集成的瓦式TR组件和变频模块在馈电网络上方水平排，电路上，第一天线阵面、第一瓦式TR组件和第一变频模块形成第一个天线波束，该天线波束根据需要配置为发射波束或者接收波束；第二天线阵面、第二瓦式TR组件和第二变频模块形成第二个天线波束，该天线波束也可根据需要配置为发射波束或者接收波束。
3.如权利要求1所述的模块化星载Ka频段有源相控阵天线系统，其特征在于：控制供电层包含位于馈电网络下方的综合控制板、水平排列在综合控制板下方的频综模块和电源模块，综合控制板通过板间连接器与第一瓦式TR组件、第一变频模块、第二瓦式TR组件、频综模块和电源模块各有源模块进行互联。
4.如权利要求1所述的模块化星载Ka频段有源相控阵天线系统，其特征在于：频综模块通过射频接头分别与第一变频模、第二变频模连接，为其提供本振信号，电源模块将平台电源母线提供的电压转换成相控阵天线系统各模块所需的各种电压。
5.如权利要求1所述的模块化星载Ka频段有源相控阵天线系统，其特征在于：整机装配时由螺钉(2)将最上层的透波热控罩(1)，中间层的馈电网络(11)，以及位于最下层的频综模块(13)、电源模块(14)固定在一起。
6.如权利要求1所述的模块化星载Ka频段有源相控阵天线系统，其特征在于：第一天线阵面(3)配置为发射天线阵面，第一TR组件含上盖板(4)、下盖板(5)并配置为T组件，具有中频接口的第一变频模块(9)配置为发射变频模块，这些模块用于形成发射波束。
7.如权利要求1所述的模块化星载Ka频段有源相控阵天线系统，其特征在于：第二天线阵面(3)配置为接收天线阵面，第二TR组件含上盖板(7)、下盖板(8)并配置为R组件，具有中频接口的第二变频模块(10)配置为接收变频模块，这些模块用于形成接收波束，以上组成部分并排安装于馈电网络(11)上表面，综合控制板(12)安装于馈电网络(11)下表面。
8.如权利要求1所述的模块化星载Ka频段有源相控阵天线系统，其特征在于：控制信号通过综合控制板(12)控制信号接口进入天线，分配到各有源模块，控制其工作状态，带有参考信号接口的频综模块(13)通过射频接头与发射变频模块和接收变频模块连接，分别提供发射和接收本振信号。
9.如权利要求1所述的模块化星载Ka频段有源相控阵天线系统，其特征在于：发射天线阵面发射中频信号通过发射变频频模块变频至射频，在馈电网络中进行功率分配并馈入T组件，再经各发射通道移相和功率放大后，经发射天线阵面中对应的天线单元进行辐射，第二天线阵面收射频信号通过天线阵面各天线单元接收，经R组件对应接收通道进行放大和移相后输出，在馈电网络中进行合成并传输到接收变频模块，然后下变频至中频输出。
10.如权利要求1所述的模块化星载Ka频段有源相控阵天线系统，其特征在于：所述天线阵面为微带天线阵列，采用多层印制电路板技术实现，该多层印制电路板通过焊接工艺与底部的金属板固定，此金属板同时也是收发组件的上盖板，该上盖板在MMIC芯片区域设置微组装工艺腔，用于芯片与电路之间的键合空间，上盖板还设有采用毛纽扣(fuzzbuttons)技术的互联工艺孔，用于天线层多层印制电路板与收发组件多层印制电路板间的射频信号互联，该多层电路板内置了供电层、控制层、次级波束形成网络层和MMIC芯片粘接层。
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