CN112467366B - 一种近场低扰的星载微带馈源组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近场低扰的星载微带馈源组件，包括：宽频微带馈源、馈源支撑筒、半刚电缆和多个介质支撑结构；其中，所述宽频微带馈源与所述馈源支撑筒的顶端相连接；所述半刚电缆通过多个介质支撑结构设置于所述馈源支撑筒的内部；所述半刚电缆的一端与所述宽频微带馈源相连接，所述半刚电缆的另一端通过外部馈电端口与外部的发射机实现射频互连。本发明既发挥了微带低剖面、低遮挡、大功率容量的优势，又实现了大功率射频电缆的中心对称馈电，抑制了电缆对微带辐射缝隙的近场扰动，有效改进了馈源轴比方向图的对称性，保证了较好的相位中心稳定度，提升了馈源对反射器的照射效率。

Description

一种近场低扰的星载微带馈源组件

技术领域

本发明属于星载天线技术领域，尤其涉及一种近场低扰的星载微带馈源组件。

背景技术

随着航天器任务对星载天线增益不断提升的需求，大型正馈伞状反射面天线在导航、通信、深空探测等领域得到了广泛应用，如何实现结构更紧凑、近场扰动更小、效率更优的馈源组件，成为此类天线设计的重点。

针对UHF和L等较低的工作频段，为了避免大口径馈源和副反射器的遮挡，伞状反射面天线通常采用正馈单反射面构型，且选用的F/D较小，约为0.3-0.6。其馈源组件通常为宽波束螺旋或者微带天线。

若采用背射螺旋或者顶馈螺旋进行馈电，由于引入了螺旋线介质支撑，在大功率应用中易受到功率容量的限制，且螺旋天线纵向尺寸较大，对反射面有明显遮挡，会降低天线的孔径效率，另一方面螺旋线易和伞状天线机构部件干涉。微带馈源具有低剖面、低插损，易实现多频、双极化等优点，但由于伞状天线为柔性天线，其收拢包络小，因此不能采用大角度支杆对馈源和电缆进行支撑。如果采用传统的底馈微带馈源，射频电缆距离微带辐射缝隙边缘仅0.1波长，将处于馈源的近场感应区，且结构上为非对称分布，其扰动和遮挡会导致馈源的交叉极化、相位中心稳定度差，以其为初级馈源照射的波束将出现波束对称性差、轴比下降等问题。在导航天线应用中还会因相位中心波动导致服务区信号质量降级、导航精度下降。且电缆组件从微带反射板底部绕制和固定，会影响反射器组件的收拢包络，易和伞状反射器的结构组件干涉。

现有馈源组件已经不能满足星载伞状反射面天线对大功率紧凑型馈源的迫切需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种近场低扰的星载微带馈源组件，实现了结构紧凑、低交叉极化和相位中心稳定度优的馈电结构。通过采用顶馈宽频空气微带馈源，对其进行反向馈电，既发挥了微带低剖面、低遮挡、大功率容量的优势，又实现了大功率射频电缆的中心对称馈电，抑制了电缆对微带辐射缝隙的近场扰动，有效改进了馈源轴比方向图的对称性，保证了较好的相位中心稳定度，提升了馈源对反射器的照射效率，易于和伞状天线反射器集成设计。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种近场低扰的星载微带馈源组件，包括：宽频微带馈源、馈源支撑筒、半刚电缆和多个介质支撑结构；其中，所述宽频微带馈源与所述馈源支撑筒的顶端相连接；所述半刚电缆通过多个介质支撑结构设置于所述馈源支撑筒的内部；所述半刚电缆的一端与所述宽频微带馈源相连接，所述半刚电缆的另一端通过外部馈电端口与外部的发射机实现射频互连。

上述近场低扰的星载微带馈源组件中，宽频微带馈源包括反射板、微带贴片、馈电网络和中心馈电端口；其中，所述馈电网络设置于所述反射板的一表面；所述馈电网络的馈电探针穿过所述反射板与所述微带贴片相连接，所述微带贴片与所述反射板的另一表面有缝隙；所述中心馈电端口的一端依次穿过微带贴片和反射板与馈电网络相连接；所述中心馈电端口的另一端与所述半刚电缆的一端相连接。

上述近场低扰的星载微带馈源组件中，多个介质支撑结构沿所述馈源支撑筒的长度均匀分布。

上述近场低扰的星载微带馈源组件中，所述馈源支撑筒的底端与星载伞状反射面天线的中心位置相连接。

上述近场低扰的星载微带馈源组件中，所述反射板的直径D为：

其中，k为波束宽度调整因子，θ为宽频微带馈源对反射板的照射角度，λ为工作波长。

上述近场低扰的星载微带馈源组件中，所述微带贴片的直径d为：

其中，

N为中间量，f为工作频率，ε为等效介电常数，h为微带贴片到反射板的距离。

上述近场低扰的星载微带馈源组件中，所述馈源支撑筒包括纸蜂窝和凯芙拉蒙皮；其中，纸蜂窝和凯芙拉蒙皮相连接。

上述近场低扰的星载微带馈源组件中，所述馈源支撑筒为圆柱结构，开设有电缆支撑法兰紧固孔和方形操作孔。

上述近场低扰的星载微带馈源组件中，半刚电缆的感应电场E为：

其中，T₁为幅度比例系数，E₀为微带贴片与反射板之间缝隙辐射的电场强度，J’₀为零阶贝塞尔函数的一阶导数，r为距离半刚电缆的分布半径，k为比例系数，exp(-jβr)为相位分布函数，β为自由空间传播常数。

上述近场低扰的星载微带馈源组件中，所述半刚电缆位于馈源支撑筒的中心线位置处。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明相较于传统技术的的微带馈电组件，采用了新型顶馈的微带馈电方式，由半刚电缆反向馈电到中心馈电端口、再由馈电网络实现微带贴片激励，实现对伞状反射面天线的反向馈电，即实现了微带的背射激励。由于半刚电缆在微带贴片的结构中央，整体结构对称，且远离微带辐射缝隙，实现了低扰馈电，由电缆上的感应电场E分布公式得到好处为：电场呈圆对称分布，形成差模分布，经近远场FFT变换后，电缆绕射形成圆对称的照射方向图,且在天线轴向的交叉极化得到抑制。因此，此馈电结构避免了电缆遮挡和绕射导致的交叉极化变差、相位中心波动大、波束对称性差的问题，提升了馈源对反射面的照射效率。

(2)本发明相较于传统技术的背射螺旋馈源组件，其纵向结构更为紧凑、插损更低。相对于螺旋天线功率容量易受到介质支撑的影响，微带馈源采用空气介质可提供更大的功率容量。本发明提供的微带馈源组件可通过馈电网络更易实现双圆极化馈电。

(3)本发明提供的半刚电缆走线位置位于微带馈源中心，不需从微带馈源反射板后端进行绕制，大大节省了走线空间。微带馈源的反射板可以和伞状天线的锁紧点共形设计，整机收拢包络更为紧凑，更易实现轻量化设计。本发明可满足非固网结合类伞状反射面天线对馈源组件结构紧凑、交叉极化低、相位中心稳定度优的需求，具有广泛的应用领域具备较好的市场竞争力。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为微带馈源组件总体结构示意图；

图2为微带馈源组件剖面示意图；

图3为宽频微带馈源结构示意图；

图4为顶馈型宽频微带馈源工作原理图

图5为宽频微带馈源和馈源支撑筒、半刚电缆互连结构示意图；

图6为微带馈源组件波束示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1为微带馈源组件总体结构示意图；图2为微带馈源组件剖面示意图。如图1和图2所示，该近场低扰的星载微带馈源组件包括：宽频微带馈源1、馈源支撑筒2、半刚电缆3和多个介质支撑结构8；其中，宽频微带馈源1与馈源支撑筒2的顶端相连接；半刚电缆3通过多个介质支撑结构8设置于馈源支撑筒2的内部；半刚电缆3的一端与宽频微带馈源1相连接，半刚电缆3的另一端通过外部馈电端口9与外部的发射机实现射频互连，如图5所示。

多个介质支撑结构8沿馈源支撑筒2的长度均匀分布。馈源支撑筒2的底端与星载伞状反射面天线10的中心位置相连接。

该近场低扰的星载微带馈源组件可作为星载伞状反射面天线10的馈源。射频信号由外部馈电端口9馈入，经过半刚电缆3传输到中心馈电端口7、再由馈电网络6对微带贴片5激励实现圆极化，最后由其初级方向图实现对反射面天线的照射，即整个射频传输过程由半刚电缆3实现对宽频微带馈源1的背射馈电结构。

如图3和图4所示，宽频微带馈源1包括反射板4、微带贴片5、馈电网络6和中心馈电端口7；其中，馈电网络6设置于反射板4的一表面；馈电网络6的馈电探针穿过反射板4与微带贴片5相连接，微带贴片5与反射板4的另一表面有缝隙；中心馈电端口7的一端依次穿过微带贴片5和反射板4与馈电网络6相连接；中心馈电端口7的另一端与半刚电缆3的一端相连接。

宽频微带馈源1为顶馈型微带馈源结构，实现宽频微带馈源1反向馈电，馈电结构整体呈中心对称分布，降低了半刚电缆组件3对宽频微带馈源辐射缝隙的1的近场扰动，提升了馈源方向图的对称性和相位中心稳定度。

反射板4作为宽频微带馈源1的主支撑结构，位于其中间位置，并且提供对外结构接口。

微带贴片5位于反射板4的上一层位置,两者之间的缝隙共同形成微带辐射缝隙结构。

馈电网络6位于反射板4的下一层位置，且利用反射板4作为盖板实现轻量设计，为微带贴片5提供圆极化双点馈电。

中心馈电端口7位于宽频微带馈源1顶部，通过中空结构依次贯穿微带贴片5和反射板4，和底层的馈电网络6互连，实现微带的倒置馈电结构。

微带馈源组件部件各尺寸之间其约束关系如下：

公式(1.1)给出了反射板4直径D的计算方法。其中k为波束宽度调整因子，和馈源支撑筒(2)的材料相关,θ为馈源对反射面的照射角度，λ为工作波长。

公式(1.2)给出了微带贴片5直径d的计算方法,其中f为工作频率，ε为等效介电常数，h为微带贴片到反射板的距离。

通过上述公式(1.1)和公式(1.2)可快速确定宽频带微带馈源组件的关键尺寸及包络。根据反射板4直径D的计算结果，可确定整个馈源组件的最大直径，进一步明确与其相连接的馈源支撑筒2的直径。通过和反射板4结构共形设计，可快速确定伞状反射面天线收拢锁紧点包络，为整机结构设计和接口确定提供依据。根据天线的功率容量需求，通过公式(1.2)可对微带贴片5直径d以及微带贴片5到反射板4的距离h进行综合设计，计算微带馈源组件的纵向尺寸。

馈源支撑筒2采用轻量化介质支撑材料，由纸蜂窝和凯芙拉蒙皮组成，具有高强度、插损小、功率容量大、耐空间环境的特点；馈源支撑筒2外壁呈圆柱结构，留有电缆支撑法兰紧固孔和方形操作孔。

采用多组介质支撑8对半刚电缆3进行固定，对外部螺钉施加力矩，提升了半刚电缆3结构刚度和同轴度，降低了电缆散射对交叉极化的影响。

因采用了中心对称的馈电结构，微带馈源组件外包络直径仅0.8λ，降低了对反射面的遮挡和绕射，其反射板4以及馈源支撑筒2上设置的伞状天线反射器收拢锁紧点可共形设计，以其为馈源的伞状反射面天线的收拢包络也更为紧凑。

本发明提供的一种近场低扰的星载微带馈源组件，由宽频微带馈源1，馈源支撑筒2，半刚电缆3组成，整体包络结构对称、紧凑，外包络直径仅0.8λ，可提供低交叉极化、低相位扰动的的初级照射，可作为星载伞状反射面天线的馈源，特别适用于非固网结合的伞状反射器馈源组件，大大减小了天线整机的收拢包络。

宽频微带馈源1采用空气微带构型，均为铝合金材料，具有大功率容量、结构易加工实现的特点，由反射板4、微带贴片5、馈电网络6和中心馈电端口7等部件组成，整体结构由馈源支撑筒2进行支撑。由于采用了顶馈结构，可以实现大功率电缆的中心放置，使其原理微带馈源辐射缝隙，以抑制对馈源近场扰动导致的轴比和相位方向图波动。

馈源支撑筒2作为组件的整体结构支撑，为复合材料制件。采用轻量化透波介质支撑材料，由芳纶纸蜂窝和凯芙拉蒙皮Kevlar平纹编织布采用复合工艺制作形成，具有高强度、插损小、功率容量大、耐空间环境适用的特点；馈源支撑筒2外壁呈圆柱结构，留有电缆支撑法兰紧固孔和方形操作孔。为了抑制对馈源的遮挡和绕射，所用紧固件均采用聚酰亚胺材料，由发泡胶紧固成型。馈源支撑筒2加工完成后需进行机械接口测量，保证制件表面平整，平面度要求≤0.3mm。目视检查天线馈源支撑结构外观质量，要求内外壁光滑、洁净。

半刚电缆3为大功率部件，采用螺纹电缆结构实现长度和角度微调，，电缆位于馈源组件中心处，通过多组介质支撑8固定到馈源支撑筒2，一侧连接微带馈源1的中心馈电端口7，另一侧通过外部馈电端口9和天线外部的组件实现射频互连。设计过程中可根据三维模型进行预先走形，整机总装过程中根据其螺纹结构进行长度和走形微调。

半刚电缆3的感应电场E为：

其中，T₁为幅度比例系数，E₀为微带贴片5与反射板4之间缝隙辐射的电场强度，J’₀为零阶贝塞尔函数的一阶导数，r为距离半刚电缆的分布半径，k为比例系数，exp(-jβr)为相位分布函数，β为自由空间传播常数。半刚电缆3的感应电场E呈圆对称分布，形成差模分布，经近远场FFT变换后，电缆绕射形成圆对称的照射方向图,且在天线轴向的交叉极化得到抑制。因此，此馈电结构避免了电缆遮挡和绕射导致的交叉极化变差、相位中心波动大、波束对称性差的问题，提升了馈源对反射面的照射效率

微带馈源组件射频信号传输过程和工作原理如图2所示：外部射频信号由半刚电缆3反向馈电到中心馈电端口7、再由馈电网络6经由馈电探针对微带贴片5激励，由其初级方向图实现对伞状反射面天线的照射，即整个射频传输过程由半刚电缆3实现对宽频微带馈源1的背射激励。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式和馈源组件的总装过程作进一步详细描述。步骤如下：

(1.1)根据图3完成宽频微带馈源1总装，标测机械接口和平面度，平面度要求≤0.1mm。完成驻波测试，测试数据均合格后，进行下一步总装工作。

(1.2)宽频微带馈源1和馈源支撑筒2总装，通过8个螺钉进行紧固，需控制其平面度，平面度要求≤0.1mm；

(1.3)半刚电缆3和介质支撑8组装。使用半刚电缆3与宽频微带馈源1及馈源支撑筒2进行位置对比，确定各组介质支撑8纵向位置。调整各部件间隙，使用介质螺钉对半刚电缆3和多瓣结构的介质支撑8进行紧固。需严格控制各组介质支撑8的角度，保持旋转方向一致，减小对馈源的遮挡和绕射；

(1.4)半刚电缆3和介质支撑8组合体和馈源支撑筒2预组装。将半刚电缆3和介质支撑8组合体馈源支撑筒2从底部装入，查看半刚电缆3TNC端口与微带馈源中心馈电端口7距离，根据距离使用调整垫片进行调整，直至电缆与馈源刚好接触，即固定TNC端口后电缆不受力；

(1.5)半刚电缆8射频端口和微带馈源中心馈电端口7互连，通过馈源支撑筒2预留的操作孔进行操作，对TNC端口施加力矩进行固定，采用结构胶进行紧固；

(1.6)介质支撑8与馈源支撑筒2组装连接。观察介质支撑8与馈源支撑筒2内部间隙，可用塞尺测量间隙，根据间隙使用热缩布对介质支撑8进行缠绕，直至消除间隙为止，由介质螺钉进行紧固。通过操作孔和观察孔进行状态检查和力矩控制，完成微带馈源组件总装，其整体结构如图2所示。

针对微带馈源组件总装模型采用专业电磁仿真软件进行了验证，其方向图如图6所示，因为避免了半刚电缆3导致的近场扰动，其波束方向图更为对称，提供了更优的照射效率，可满足伞状反射面天线的低扰馈源工程应用。

本实施例相较于传统技术的的微带馈电组件，采用了新型顶馈的微带馈电方式，由半刚电缆反向馈电到中心馈电端口、再由馈电网络实现微带贴片激励，实现对伞状反射面天线的反向馈电，即实现了微带的背射激励。由于半刚电缆在微带贴片的结构中央，整体结构对称，且远离微带辐射缝隙，实现了低扰馈电，避免了电缆遮挡和绕射导致的交叉极化变差、相位中心波动大、波束对称性差的问题，提升了馈源对反射面的照射效率。

本实施例相较于传统技术的背射螺旋馈源组件，其纵向结构更为紧凑、插损更低。相对于螺旋天线功率容量易受到介质支撑的影响，微带馈源采用空气介质可提供更大的功率容量。本发明提供的微带馈源组件可通过馈电网络更易实现双圆极化馈电。

本实施例提供的半刚电缆走线位置位于微带馈源中心，不需从微带馈源反射板后端进行绕制，大大节省了走线空间。微带馈源的反射板可以和伞状天线的锁紧点共形设计，整机收拢包络更为紧凑，更易实现轻量化设计。本发明可满足非固网结合类伞状反射面天线对馈源组件结构紧凑、交叉极化低、相位中心稳定度优的需求，具有广泛的应用领域具备较好的市场竞争力。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种近场低扰的星载微带馈源组件，其特征在于包括：宽频微带馈源(1)、馈源支撑筒(2)、半刚电缆(3)和多个介质支撑结构(8)；其中，

所述宽频微带馈源(1)与所述馈源支撑筒(2)的顶端相连接；

所述半刚电缆(3)通过多个介质支撑结构(8)设置于所述馈源支撑筒(2)的内部；

所述半刚电缆(3)的一端与所述宽频微带馈源(1)相连接，所述半刚电缆(3)的另一端通过外部馈电端口(9)与外部的发射机实现射频互连；

所述宽频微带馈源(1)包括反射板(4)、微带贴片(5)、馈电网络(6)和中心馈电端口(7)；其中，

所述馈电网络(6)设置于所述反射板(4)的一表面；

所述馈电网络(6)的馈电探针穿过所述反射板(4)与所述微带贴片(5)相连接，所述微带贴片(5)与所述反射板(4)的另一表面有缝隙；

所述中心馈电端口(7)的一端依次穿过微带贴片(5)和反射板(4)与馈电网络(6)相连接；

所述中心馈电端口(7)的另一端与所述半刚电缆(3)的一端相连接。

2.根据权利要求1所述的近场低扰的星载微带馈源组件，其特征在于：多个介质支撑结构(8)沿所述馈源支撑筒(2)的长度均匀分布。

3.根据权利要求1所述的近场低扰的星载微带馈源组件，其特征在于：所述馈源支撑筒(2)的底端与星载伞状反射面天线(10)的中心位置相连接。

4.根据权利要求1所述的近场低扰的星载微带馈源组件，其特征在于：所述反射板(4)的直径D为：

其中，k为波束宽度调整因子，θ为宽频微带馈源对反射板的照射角度，λ为工作波长。

5.根据权利要求1所述的近场低扰的星载微带馈源组件，其特征在于：所述微带贴片(5)的直径d为：

其中，

N为中间量，f为工作频率，ε为等效介电常数，h为微带贴片到反射板的距离。

6.根据权利要求1所述的近场低扰的星载微带馈源组件，其特征在于：所述馈源支撑筒(2)包括纸蜂窝和凯芙拉蒙皮；其中，纸蜂窝和凯芙拉蒙皮相连接。

7.根据权利要求1所述的近场低扰的星载微带馈源组件，其特征在于：所述馈源支撑筒(2)为圆柱结构，开设有电缆支撑法兰紧固孔和方形操作孔。

8.根据权利要求1所述的近场低扰的星载微带馈源组件，其特征在于：半刚电缆(3)的感应电场E为：

其中，T₁为幅度比例系数，E₀为微带贴片(5)与反射板(4)之间缝隙辐射的电场强度，J’₀为零阶贝塞尔函数的一阶导数，r为距离半刚电缆的分布半径，k为比例系数，exp(-jβr)为相位分布函数，β为自由空间传播常数。

9.根据权利要求1所述的近场低扰的星载微带馈源组件，其特征在于：所述半刚电缆(3)位于馈源支撑筒(2)的中心线位置处。

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