CN112367102B - 低剖面收发天线共形时分复用通信电路及卫星通信终端 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种低剖面收发天线共形时分复用通信电路及卫星通信终端。包括N个阵列分布的微带天线、与N个微带天线中的M个微带天线的有线连接端一一连接的M个开关、N个低噪声放大器、M个功率放大器、N路合一路的合路器、以及一路分M路的功分器；任一开关的两个动触点端分别连接一个低噪声放大器的输入端和一个功率放大器的输出端，未连接开关的微带天线的有线连接端分别连接一个低噪声放大器的输入端；N个低噪声放大器的输出端分别连接合路器的N个输入端，M个功率放大器的输入端分别连接功分器的M个输出端，M≤N。通过收发复用微带天线阵元的方式，减小天线口径和阵列单元数量，大幅简化了阵列电路设计，低剖面，低成本。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信终端技术领域，具体涉及一种低剖面收发天线共形时分复用通信电路及便携式的卫星通信终端。
背景技术
传统Ka频段卫星通信终端主要由室外单元(ODU)和室内单元(IDU)构成。室外单元包括天线单元、馈电单元、Ka频段上变频器(BUC)和低噪声处理模块(LNB)等高频部件组成，主要完成电磁波收发，以及Ka频段至L/S等频段转换处理，通过同轴电缆线连接至室内单元；室内单元包含了L/S等相对低频段的射频收发机、A/D、D/A及基带调制解调、媒体访问控制层、链路层处理、网络层处理等电路，通过以太网接口连接至网络中，形成完整的卫星通信回路。同时，室外单元中天线部分多采用抛物面天线，虽然具有增益高的优点，但是体积大、风阻大、不便携，限制了其使用场景。开发便携式、低剖面天线对于卫星通信终端应用具有非常重要的意义，而其中业界广为关注的电扫阵列天线，需要较大数量的波束赋形器件，当前仍面临成本过高的问题。
因此，研究室内和室外单元合一、具有低剖面天线的卫星通信终端，使其兼具低成本、低剖面、便携特性，对于拓展卫星通信应用和满足当前低轨卫星通信系统建设应用需求，均有十分迫切的需求和重要研究价值。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种低剖面收发天线共形时分复用通信电路及便携式的卫星通信终端。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种低剖面收发天线共形时分复用通信电路，包括N个阵列分布的微带天线、与所述N个微带天线中的M个微带天线的有线连接端一一连接的M个开关、N个低噪声放大器、M个功率放大器、N路合一路的合路器、以及一路分M路的功分器；任一所述开关的两个动触点端分别连接一个低噪声放大器的输入端和一个功率放大器的输出端，未连接开关的所述微带天线的有线连接端分别连接一个低噪声放大器的输入端；N个低噪声放大器的输出端分别连接合路器的N个输入端，M个功率放大器的输入端分别连接功分器的M个输出端，所述M和N均为正整数，且M≤N；M个开关同时接通到M个功率放大器实现M个波束信号发送，或者M个开关同时接通到M个低噪声放大器实现N个波束信号接收。
上述技术方案：该电路利用在时分复用的卫星通信系统中接收和发射波束不同时存在的特点，通过收发复用微带天线阵元的方式，减小了天线口径和阵列单元数量，大幅简化了阵列电路设计，低剖面，低成本；充分利用功分器/合路器网络功率可分配、合成的特点，实现了阵列天线多波束收发时，通道功率可按任意比进行合成、分配。
在本发明一种优选实施方式中，所述功分器为采用级联微带网络结构的功分器；和/或所述合路器为采用级联微带网络结构的合路器。
上述技术方案：结构简单易实施，成本低，便于宽带匹配，具有良好端口隔离的效果。
在本发明一种优选实施方式中，所述功分器复用合路器的M个通路。
上述技术方案：简化电路结构，降低成本。
在本发明一种优选实施方式中，还包括设于功分器的级联微带网络的全部或部分级间的多个第一增益补偿放大器，和/或还包括设于合路器的级联微带网络的全部或部分级间的多个第二增益补偿放大器。
上述技术方案：避免多级级联带来的非理想效应积累，降低各端口功率幅度和相位的失配，补偿功分网络增益损耗和提升功合网络增益，提高各通道增益与性能。
在本发明一种优选实施方式中，还包括上混频器、下混频器和基带处理器，所述合路器的输出端与下混频器的输入端连接，所述下混频器的输出端与基带处理器的信号输入端连接，所述功分器的输入端与上混频器的输出端连接，上混频器的输入端与基带处理器的信号输出端连接；所述基带处理器的时分信号输出端与开关的控制端连接。
上述技术方案：通过上混频器实现对基带处理器输出的待发射信号的调制，通过下混频器实现对接收信号的解调，以便输入至基带处理器。
在本发明一种优选实施方式中，还包括设于下混频器的输出端与基带处理器的信号输入端之间的模数转换器，以及设于上混频器的输入端与基带处理器的信号输出端之间的数模转换器。
上述技术方案：实现数字信号和模拟信号之间的精密转换。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种便携式的卫星通信终端，包括收发部、带动所述收发部转动并支撑所述收发部的伺服支撑一体机构，所述收发部的上表面接收卫星发出的波束或者向卫星发送波束；所述收发部内设有本发明所述的低剖面收发天线共形时分复用通信电路。
上述技术方案：除具有上述低剖面收发天线共形时分复用通信电路的有益效果外，还具有将传统的微信通信终端的室内单元和室外单元合一，天线具有低剖面，伺服支撑一体机构提供终端机械对星功能，避免采用复杂高成本相控阵芯片，兼具低成本、低剖面、便携特性，对于拓展卫星通信应用和满足当前低轨卫星通信系统建设应用需求，均有十分迫切的需求和重要研究价值。
在本发明一种优选实施方式中，所述收发部从上至下依次设置有微带天线层、馈电层、电源层、合路层/功分层、功分层/合路层、器件层；低剖面收发天线共形时分复用通信电路中的微带天线采用瓦片式阵列结构设于所述微带天线层；所述馈电层设有连接微带天线有线连接端的导电元件；所述功分器设于功分层，所述合路器设于合路层；所述器件层布设有N个低噪声放大器、M个功率放大器、上混频器、下混频器、模数转换器、数模转换器和基带处理器。
上述技术方案：收发部结构紧凑，减小体积，提高便携性。
在本发明一种优选实施方式中，还包括设于收发部外的屏蔽罩；和/或所述伺服支撑一体机构上设有至少一个与外部进行数据通信的通信接口或通信模块，所述基带处理器与通信接口或通信模块连接。
上述技术方案：屏蔽罩用于天线和电路单元保护；通信接口或通信模块便于传送收发数据。
在本发明一种优选实施方式中，所述伺服支撑一体机构包括底座、设于收发部底部的转台、连接所述转台与所述底座的支撑杆，所述转台的驱动机构设于所述底座内部。
上述技术方案：转台的驱动机构设于底座内部，在提供良好的质心稳定性的同时利用了支撑空间，降低了终端体积，提升了终端美感。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一种优选实施方式中通信电路结构示意图；
图2是本发明一种优选实施方式中合路器的微带网络结构示意图；
图3是本发明一种优选实施方式中功分器的微带网络结构示意图；
图4是本发明一种优选实施方式中收发部结构示意图；
图5是本发明一种优选实施方式中便携式卫星通信终端的外形图。
附图标记：
A微带天线层；B馈电层；C电源层；D合路层；E功分层；F器件层；2微带天线；3开关；6合路器；7功分器；9下混频器；10上混频器；11数模转换器；12模数转换器；13基带处理器；15收发部；16伺服支撑一体机构。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明公开了一种低剖面收发天线共形时分复用通信电路，在一种优选实施方式中，如图1所示，该电路包括N个阵列分布的微带天线2、与N个微带天线2中的M个微带天线2的有线连接端一一连接的M个开关、N个低噪声放大器LNA、M个功率放大器PA、N路合一路的合路器6、以及一路分M路的功分器7；任一开关的两个动触点端分别连接一个低噪声放大器LNA的输入端和一个功率放大器PA的输出端，未连接开关的微带天线2的有线连接端分别连接一个低噪声放大器LNA的输入端；N个低噪声放大器LNA的输出端分别连接合路器6的N个输入端，M个功率放大器PA的输入端分别连接功分器7的M个输出端，M和N均为正整数，且M≤N；M个开关同时接通到M个功率放大器PA实现M个波束信号发送，或者M个开关同时接通到M个低噪声放大器LNA实现N个波束信号接收。
在本实施方式中，如图1所示，N个微带天线2中M个(N≥M，均为正整数)收发共用，通过开关3切换为收或发，天线分时处理接收波束和发射波束，大幅减小了终端口径，具有便携、小型化特点。其中，因发射波束等效全向辐射功率(EIRP)与阵列数量平方成正比，接收波束天线增益等效噪声温度比(G/T)与阵列数量成正比，通常M个微带天线2用于收发共用，N－M个微带天线2仅用于接收。
在本实施方式中，M个低插损开关3优选但不限于采用GaAs、RF SOI等工艺的开关器件，能达到毫米波段1dB以内插损，具有低插损、大容量、高隔离特性，降低对收发器件发射功率和噪声系数要求。
在本实施方式中，M个高增益、高效率线性的功率放大器PA优选但不限于采用GaN、GaAs工艺，N个低噪声放大器LNA优选但不限于采用GaAs或RF SOI工艺，即可为开关3、低噪声放大器LNA、功率放大器PA一体化集成芯片，也可为分立器件，灵活度大，均在毫米波段具有良好射频性能。优选的，高增益低噪声放大器LNA的噪声系数优于2dB，能获得更高的G/T值，减少阵列单元数量，同时降低了后级增益要求；功率放大器PA的效率优于30％，能获得高EIRP同时，降低了对系统散热要求，同时降低了前级增益补偿放大的要求。
在本实施方式中，合路器6和功分器7优选但不限于采用现有的廉价、简洁的板级威尔金森电路或集成芯片；如采用板级威尔金森结构组成的合路器6和功分器7，如图4所示，仅需提供一层金属布线层，即可实现一路信号分成M路信号或N路信号合成一路信号，两层金属布线层分别实现接收波束功率合成与发射波束功率分配。合路器6和功分器7均可采用经典威尔金森结构，达到宽带匹配、良好端口隔离效果；整体通过多个一分二或者二合一，级联满足功率分配与合成要求。
在一种优选实施方式中，如图3所示，功分器7为采用级联微带网络结构的功分器7。
在一种优选实施方式中，如图2所示，合路器6为采用级联微带网络结构的合路器6。
在一种优选实施方式中，如图3所示，还包括设于功分器7的级联微带网络的全部或部分级间的多个第一增益补偿放大器AMP1。如图3所示，还包括设于合路器6的级联微带网络的全部或部分级间的多个第二增益补偿放大器AMP2。
在本实施方式中，优选的，在每4到5级功率合成或分配网络之间，插入高性能的增益补偿放大器，提高各通道增益与性能。
在一种优选实施方式中，如图1所示，还包括上混频器10、下混频器9和基带处理器13，合路器6的输出端与下混频器9的输入端连接，下混频器9的输出端与基带处理器13的信号输入端连接，功分器7的输入端与上混频器10的输出端连接，上混频器10的输入端与基带处理器13的信号输出端连接；基带处理器13的时分信号输出端与开关的控制端连接。
在一种优选实施方式中，如图1所示，还包括设于下混频器9的输出端与基带处理器13的信号输入端之间的模数转换器12，以及设于上混频器10的输入端与基带处理器13的信号输出端之间的数模转换器11。
在本实施方式中，该通信电路包含N个微带天线2构成阵列，其中，N个微带天线2(即全部)可用作接收阵列天线，M个微带天线2可分时复用作发射阵列天线，M≤N、皆为正整数，还包含M个低插损开关3、M个功率放大器PA、N个低噪声放大器LNA、级联的功分器7网络(一路分M路)、级联的合路器6网络(N路合一路)、多个增益补偿放大器PMA、一路上混频器9与数模转换器12(DAC/Digital Analog Converter)、一路下混频器10与模数转换器11(ADC/Analog Digital Converter)以及基带处理器13。开关3为一刀两掷开关，优选的，可为电控开关。N个微带天线2分别与M个低插损开关3和N－M个低噪声放大器LNA连接，M个低插损开关3两端口分别连接M个独立的低噪声放大器LNA和M个独立的功率放大器PA，总计为N个的低噪声放大器LNA再连接至N路合一路的合路器6网络，总计为M个的功率放大器PA与一路分M路的功分器7网络连接，功分器7/合路器6网络分别与上变频9/下变频10、DAC 11/ADC 12对应级联，再最终均连接至基带处理处理器13。
在本实施方式中，当上述通信电路发射波束时，关闭低噪声放大器LNA和第二增益补偿放大器AMP2，所有开关3均接通对应的功率放大器PA，断开低噪声放大器LNA，基带处理13将上层包数据处理为协议物理层要求格式的调制符号数据，经数模转换器11转换为模拟基带信号，再进一步通过上混频器10上变频完成载波调制，驱动多级功率分配网络，第一增益补偿放大器AMP1补偿功率分配网络引入的各类损耗后，进一步经过功分器7，实现一路至M路功率分配，在M路通道上分别通过功率放大器PA完成功率放大，低插损开关3处于发射档位，M路功率信号经由M个微带天线2辐射输出，形成空间信号增强的发射波束传向卫星。
在本实施方式中，当上述通信电路接收波束时，低插损开关3处于接收档位。所有开关3均接通低噪声放大器LNA，断开功率放大器PA。N个微带天线2独立接收N路波束，分别经N个低噪声放大器LNA实现信号放大，N路独立放大后的信号通过合路器6逐级进行功率合成，为了进一步提高增益，补充合路非理想效应损耗，第一增益补偿放大器AMP1处于合路网络级间位置，最终级联的合路器6网络实现N路至一路功率合成，再进一步下变频9去射频载波，由模数转换器12(ADC)转换成数字基带信号，进一步通过基带处理器13电路处理，送至系统应用层或相关外设接口等。
在本实施方式中，如图4所示，微带天线2通过将矩形贴片切角即可实现圆极化，好处在于圆极化的微带天线2构成的阵列也是圆极化的，满足卫星通信天线圆极化要求；优选的，微带天线2通过增加介质板厚度、改变贴片和地面形状增加波束宽度；优选的，微带天线2通过双馈电形式，实现双圆极化；在波束带宽恶化轴比情况下，可用顺序旋转阵列技术改善轴比特性。所述微带天线2具有频带宽、支持多频段、双圆极化等特性，十分适合Ku/K/Ka等波段卫星通信。
在一种优选实施方式中，功分器7复用合路器6的M个通路。
本发明还公开了一种便携式卫星通信终端，如图5所示，包括收发部15、带动收发部转动并支撑收发部的伺服支撑一体机构16，收发部15的上表面接收卫星发出的波束或者向卫星发送波束；收发部15内设有上述的低剖面收发天线共形时分复用通信电路。
在一种优选实施方式中，如图4所示，收发部15从上至下依次设置有微带天线层A、馈电层B、电源层C、合路层D/功分层E、功分层E/合路层D、器件层F；低剖面收发天线共形时分复用通信电路中的微带天线2采用瓦片式阵列结构设于微带天线层A；馈电层B设有连接微带天线2有线连接端的导电元件；功分器7设于功分层E，合路器6设于合路层D；器件层F布设有N个低噪声放大器LNA、M个功率放大器PA、上混频器10、下混频器9、模数转换器12、数模转换器11和基带处理器13。
在一种优选实施方式中，还包括设于收发部15外的屏蔽罩。
在一种优选实施方式中，伺服支撑一体机构16上设有至少一个与外部进行数据通信的通信接口或通信模块，基带处理器13与通信接口或通信模块连接。在本实施方式中，通信接口优选但不限于为USB接口、网口，通信模块优选但不限于为WIFI模块。
在一种优选实施方式中，如图4所示，伺服支撑一体机构16包括底座、设于收发部底部的转台、连接转台与底座的支撑杆，转台的驱动机构设于底座内部。
本发明针对传统Ka频段卫星通信终端天线部分体积大、风阻大、不便携，限制了其使用场景，提出了一种低成本、便携式、低剖面收发天线共形卫星通信设终端。该通信终端通过高性能基板实现天线、电路一体化低剖面承载；该通信终端设置了使主要热量耗散的散热通道，散热通道优选但不限于经过功率放大器PA、低噪声放大器LNA等器件，散热通道上设有任一种类的散热器，散热器可以但不限于采用辐射散热，对流散热或传导散热的结构，例如散热片、半导体散热器、工质散热等；伺服支撑一体机构提供终端机械对星功能，避免采用复杂高成本相控阵芯片；屏蔽罩用于天线和电路单元保护；底座为终端提供固定、支撑和伺服机构布置空间等。天线采用收发共面微带阵列形式，通过复用减小了终端天线口径、单元数量；算法与伺服结构的良好配合实现良好对星，收发波束垂直于天线阵面，大幅简化了阵列电路设计，使得终端达到便携化、低剖面、低成本的效果。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种低剖面收发天线共形时分复用通信电路，其特征在于，包括N个阵列分布的微带天线、与所述N个微带天线中的M个微带天线的有线连接端一一连接的M个开关、N个低噪声放大器、M个功率放大器、N路合一路的合路器、以及一路分M路的功分器；
任一所述开关的两个动触点端分别连接一个低噪声放大器的输入端和一个功率放大器的输出端，未连接开关的所述微带天线的有线连接端分别连接一个低噪声放大器的输入端；N个低噪声放大器的输出端分别连接合路器的N个输入端，M个功率放大器的输入端分别连接功分器的M个输出端，所述M和N均为正整数，且M≤N；
M个开关同时接通到M个功率放大器实现M个波束信号发送，或者M个开关同时接通到M个低噪声放大器实现N个波束信号接收；
还包括上混频器、下混频器和基带处理器，所述合路器的输出端与下混频器的输入端连接，所述下混频器的输出端与基带处理器的信号输入端连接，所述功分器的输入端与上混频器的输出端连接，上混频器的输入端与基带处理器的信号输出端连接；所述基带处理器的时分信号输出端与开关的控制端连接。
2.如权利要求1所述的低剖面收发天线共形时分复用通信电路，其特征在于，所述功分器为采用级联微带网络结构的功分器；和/或所述合路器为采用级联微带网络结构的合路器。
3.如权利要求2所述的低剖面收发天线共形时分复用通信电路，其特征在于，所述功分器复用合路器的M个通路。
4.如权利要求2所述的低剖面收发天线共形时分复用通信电路，其特征在于，还包括设于功分器的级联微带网络的全部或部分级间的多个第一增益补偿放大器，和/或还包括设于合路器的级联微带网络的全部或部分级间的多个第二增益补偿放大器。
5.如权利要求1所述的低剖面收发天线共形时分复用通信电路，其特征在于，还包括设于下混频器的输出端与基带处理器的信号输入端之间的模数转换器，以及设于上混频器的输入端与基带处理器的信号输出端之间的数模转换器。
6.一种便携式的卫星通信终端，其特征在于，包括收发部、带动所述收发部转动并支撑所述收发部的伺服支撑一体机构，所述收发部的上表面接收卫星发出的波束或者向卫星发送波束；
所述收发部内设有权利要求1－5之一所述的低剖面收发天线共形时分复用通信电路。
7.如权利要求6所述的便携式的卫星通信终端，其特征在于，所述收发部从上至下依次设置有微带天线层、馈电层、电源层、合路层/功分层、功分层/合路层、器件层；
低剖面收发天线共形时分复用通信电路中的微带天线采用瓦片式阵列结构设于所述微带天线层；
所述馈电层设有连接微带天线有线连接端的导电元件；
所述功分器设于功分层，所述合路器设于合路层；
所述器件层布设有N个低噪声放大器、M个功率放大器、上混频器、下混频器、模数转换器、数模转换器和基带处理器。
8.如权利要求6所述的便携式的卫星通信终端，其特征在于，还包括设于收发部外的屏蔽罩；
和/或所述伺服支撑一体机构上设有至少一个与外部进行数据通信的通信接口或通信模块，基带处理器与通信接口或通信模块连接。
9.如权利要求6所述的便携式的卫星通信终端，其特征在于，所述伺服支撑一体机构包括底座、设于收发部底部的转台、连接所述转台与所述底座的支撑杆，所述转台的驱动机构设于所述底座内部。
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