CN112688073B - 反射式多波束卫星通信平板阵列天线控制系统及仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反射式多波束卫星通信平板阵列天线控制系统及仿真方法，反射式多波束卫星通信平板阵列天线受FPGA控制，实现了电控多波束扫描，通过可编程逻辑芯片电控控制，多波束的状态改变速率相对于传统的机械控制方式将大大提高，并且软件控制改变方式也允许实现更灵活的多波束辐射方式，为更多的地面终端提供服务。

Description

反射式多波束卫星通信平板阵列天线控制系统及仿真方法

技术领域

本发明应用于卫星通信领域，所公开的实例均涉及平板相控阵天线，并且更具体地涉及反射式多波束卫星通信平板阵列天线控制系统及仿真方法。

背景技术

目前多波束天线已广泛用于卫星通信、成像和雷达检测领域。根据天线的实现形式，多波束天线可分为三类：多波束透镜天线、多波束反射器天线、多波束阵列天线。（1）多波束透镜天线的优点在于不妨碍馈电天线，各种形式的灵活设计以及良好的广角扫描特性；缺点是存在表面失配和介电损耗，结构复杂，微透镜阵列单元不易在高频下加工。（2）具有反射器的多波束反射器天线结构简单、重量轻、技术成熟、增益高，已经在许多系统中得到应用，并且已经完成了许多反射天线的实质性研究。（3）多波束阵列天线可以实现大角度波束覆盖，它没有泄漏，没有遮挡，输入功率大并且易于控制波束间距；缺点是馈电网络很复杂。而相控阵天线具有很好的多波束性能，但是成本相对较高。

从天线理论上讲，相控天线阵列通常是指产生无线电波束的天线阵列通过电子方式指向不同方向，而无需移动天线。在相控天线阵列中，来自发射机的射频电流以正确的相位关系被馈送到各个天线，从而使来自独立天线的无线电波加在一起以增加沿期望方向的辐射，同时抵消和抑制不希望方向的辐射。

在传统相控天线阵列中，来自发射机的功率通过由处理器控制的移相器馈送到天线，移相器通过电子方式改变相位，从而将无线电波束转向不同的方向。

传统的相控阵天线结构由天线孔径板、收发器模块、信号组合器/分配器和分配网络组成。天线孔径板是一个包含相控阵天线中无源天线元件的支撑结构。连接到天线元件的收发器模块提供低噪声放大，以保持接收灵敏度和功率放大，以达到所需的发射信号功率水平。信号组合器/分配器和分配网络组合来自多个天线元件的接收信号和/或为多个天线元件分配发射信号。收发器模块通常通过连接器连接到孔板上的天线元件和信号合并/分配网络。对于毫米波相控阵天线，由于天线元件的间距很小，因此需要微型高频连接器。另外，收发器模块需要小型化并单独屏蔽以避免相互耦合。信号合并/分配网络和分配网络通过微型连接器连接到收发器模块，并且需要非常复杂的互连才能实现阵列歧管。这样的传统实现以高成本以及复杂的制造和组装为代价提供了高性能。除了用于信号互连的阵列歧管之外，还希望具有用于控制和同步总线的串行总线实现。对于任何高速数字互连，长互连布线/走线都需要缓冲器来维持信号集成度和总线速度以希望保持互连尽可能短，还希望保持互连串行总线中的信号数量尽可能少。但是，天线馈源位于天线基板中的规则网格中，使用威尔金森组合器的常规分销网络将无法正常工作，需要一种用于多波束相控阵天线的低成本实现以及简化的数字信号控制和同步。

近年来，近地轨道（LEO）卫星的发展对相控阵天线的性能提出了更高的要求。一方面，近地轨道（LEO）卫星在非对地静止轨道中移动时要求跟踪和保持通信链路，需要相控阵天线能进行多反射波束的同时操控，另一方面，卫星的可用空间有限、承载力有限，需要相控阵天线尺寸小、重量轻。

发明内容

基于现有技术，本发明提供了一系列基于改进型反射式多波束平板阵列天线的技术方案，既能实现多反射波束的同时操控，又大大减少了整个阵列天线结构的尺寸、重量。

本发明主要通过以下技术方案实现：

首先，本发明提出了一种反射式多波束卫星通信平板阵列天线控制系统。所述控制系统包括反射式多波束平板阵列天线、阵列天线控制模块以及向反射式多波束平板阵列天线发射信号源的信号源发射模块；所述反射式多波束平板阵列天线由24*24个相同的、独立受电压控制改变相移状态的基本单元结构构成；每个基本单元结构包括开关二极管、金属薄片、介质基层、金属基板；两个金属薄片分别对称印刷在同一个介质基层的上表面，同时两个金属基板分别对称设置在介质基层的下表面；所述介质基层设置有用于连接金属薄片、金属基板的金属孔；一个开关二极管同时与两个金属薄片连接；所述阵列天线控制模块包括写入控制程序的可编程逻辑芯片，通过信号线控制反射式多波束平板阵列天线的状态实现多波束控制。

本发明提供的这种小型化的天线控制系统可以通过产生方向性发射的电控阵列来产生高波束成形增益。其中，平板相控阵天线不仅尺寸小、重量轻，能充分满足卫星空间有限的限制条件，还允许卫星为多个地面终端提供服务。

优选的，所述开关二极管两端分别为上部正方形阳极、下部正方形阴极，上部正方形阳极和下部正方形阴极之间通过开关二极管中部连接；两个金属薄片分别为结构相同的上部金属片、下部金属片，上部金属片和下部金属片关于基本单元结构的法向中心轴中心对称，开关二极管的上部正方形阳极与上部金属片连接且下部正方形阴极与下部金属片连接。

优选的，所述上部金属片设置有依次连接的第一金属直线段、第二金属直线段、第三金属直线段、第一金属正方形、第四金属直线段、金属长方形、第五金属直线段、第二金属正方形、第六金属直线段、第七金属直线段、第八金属直线段；第一金属直线段、第八金属直线段的长度与宽度相同；第二金属直线段、第三金属直线段、第六金属直线段、第七金属直线段的长度与宽度相同；第一金属正方形、第二金属正方形的宽度相同；第四金属直线段、第五金属直线段的长度与宽度相同；所述金属孔位于第一金属正方形上。

所述下部金属片的结构与上部金属片的结构相同，只是二者对称设置，故不再赘述下部金属片的结构。

优选的，所述第一金属直线段的长度方向垂直于第二金属直线段的长度方向，第二金属直线段的长度方向垂直于第三金属直线段的长度方向，第三金属直线段的长度方向垂直于第四金属直线段的长度方向，第三金属直线段靠近第一金属正方形的末端与第四金属直线段靠近第一金属正方形的末端关于第一金属正方形的对角线对称。

其次，本发明基于上述的反射式多波束卫星通信平板阵列天线控制系统，还提供了一种仿真方法。

所述仿真方法具体包括以下步骤：

第一步，使用数学仿真计算方法，计算当控制机输入不同控制信号时，反射式多波束平板阵列天线对于相同的入射波会获得不同方向反射的波束角度，反射的波束具有两个方向角和，和是球坐标系里的角度；

第二步，使用电磁仿真软件进行反射式多波束卫星通信平板阵列天线控制系统的模型仿真，阵列天线控制模块在仿真模型中将发出控制信号等效为加到不同基本单元结构上的电压值，即改变等效模型中开关二极管开关状态，信号源发射模块在仿真模型中简化为浮于反射式多波束平板阵列天线上方的入射平面波，随着反射式多波束平板阵列天线中每个基本单元结构里开关二极管开关状态的改变，仿真得到不同方向角和的反射的波束；

第三步，将前两步不同仿真方法的结果对照，符合即验证正确。

本发明中，反射式多波束卫星通信平板阵列天线受FPGA控制，实现了电控多波束扫描，通过可编程逻辑芯片电控控制，多波束的状态改变速率相对于传统的机械控制方式将大大提高，并且软件控制改变方式也允许实现更灵活的多波束辐射方式，为更多的地面终端提供服务。

本发明的技术效果主要体现为以下几点。

（1）本发明中反射式多波束卫星通信平板阵列天线为平面阵列结构，基本单元结构随着电控二极管状态的改变而发生相移，而不是像传统相控阵天线那样依靠加载在天线背后的移相器实现相位移的改变，这样大大减少了阵列天线结构的尺寸、重量，满足占地面积要求。

（2）将本发明所述的反射式多波束卫星通信平板阵列天线控制系统应用于近地轨道卫星，允许卫星为多个地面终端提供服务。

（3）本发明中反射式多波束卫星通信平板阵列天线受可编程逻辑芯片控制，实现了电控多波束扫描，通过可编程逻辑芯片电控控制，多波束的状态改变速率相对于传统的机械控制方式将大大提高，并且软件控制改变方式也允许实现更灵活的多波束辐射方式，为更多的地面终端提供服务。

附图说明

图1反射式多波束天线基本单元结构的正面结构；

图2反射式多波束天线基本单元结构的背面结构；

图3反射式多波束天线基本单元结构的侧面结构；

图4基本单元结构反射波的相位变化；

图5反射式多波束卫星通信平板天线阵列效果；

图6观测点与天线阵列的几何关系；

图7反射式多波束卫星通信平板阵列天线控制系统。

其中，1、反射式多波束平板阵列天线；2、阵列天线控制模块；3、信号源发射模块；11、开关二极管；12、金属薄片；13、金属孔；14、介质基层；15、金属基板；121、第一金属直线段；122、第二金属直线段；123、第三金属直线段；124、第一金属正方形；125、第四金属直线段；126、金属长方形；127、第五金属直线段；128、第二金属正方形；129、第六金属直线段；130、第七金属直线段；131、第八金属直线段。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明的特征作更进一步描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限制本发明的范围，凡在本发明精神范围内所做的任何等同修改和变换，都在本发明保护范围之内。

本实施例中，反射式多波束平板阵列天线1由24*24个基本单元结构构成。每个基本单元结构的结构相同，且每个基本单元结构均独立受电压控制改变相移状态。

如图1-3所示，每个基本单元结构包括开关二极管11、金属薄片12、介质基层14、金属基板15；两个金属薄片12分别对称印刷在同一个介质基层14的上表面，同时两个金属基板15分别对称设置在介质基层14的下表面；所述介质基层14设置有用于连接金属薄片12、金属基板15的金属孔13；一个开关二极管11同时与两个金属薄片12连接。

本实施例中，反射式多波束卫星通信平板阵列天线为平面阵列结构，基本单元结构随着电控二极管状态的改变而发生相移，而不是像传统相控阵天线那样依靠加载在天线背后的移相器实现相位移的改变，从而大大减少了整个阵列天线结构的尺寸、重量。

所述基本单元结构中的开关二极管11为常见的市售开关二极管，在基本单元结构中随偏置电压不同起通断作用。开关二极管11两侧电压受可编程逻辑芯片控制，且不同基本单元结构之间的状态相对独立，即每个基本单元结构的开关二极管11的开关状态独立受到阵列天线控制模块2的控制。当开关状态不同时，基本单元结构对入射到表面的电磁波产生不同响应，实现不同相位突变的反射波，不同开关二极管11控制状态下基本单元结构对相同入射波得到的反射波相位仿真计算结果如图4所示，两种不同状态下反射波的相位实现了180°的突变。

如图5所示，使用576个基本单元结构构成24*24的反射式多波束卫星通信平板天线阵列，对于整个阵列的反射波，通过广义斯奈尔定律可知，通过控制阵列表面的相位梯度控制反射波束的反射角。

下面用传统相控天线理论解释本发明中平板阵列天线控制电磁波的原理。如图7所示，一个

个相同尺寸的方形基本单元结构构成各向同性阵列天线，沿x-极化方向的基本单元结构尺寸为

，一个重复周期的尺寸为

；沿y-极化方向的基本单元结构尺寸为

，一个重复周期的尺寸为

；每个栅格的基本单元结构具有两种不同的状态，设第a行第b列的基本单元结构的反射相位为

，当一个平面波垂直入射时，电场反射的系数T表示为：

(1)

其中，

为初始相位，C为比例系数；

在远区电场的强度E表示为：

(2)

归一化方向图函数为：

(3)

其中，

是入射波在基本单元结构(a,b)上的幅值；

是基本单元结构(a,b)上的反射系数；

i²=-1；

k是电磁波的传播方向；

是观测点与基本单元结构(a,b)之间的距离；

和

分别观测点和基本单元结构(a,b)在坐标系里的表示。

观测点与天线阵列的几何关系如图6所示，由于观测点远离基本单元结构，因此对相位项做如下近似：

对式(3)做求和运算得到方向图函数的幅值：

(4)

(5)

(6)

其中，

用来设定相位之差；

为了获得最大的反射，

在获得最大反射的方向应为1，此时两个方向角

和

满足下列关系：

(7)

(8)

其中，

是重复一个周期的物理长度；

表示入射电磁波的波长。

结合公式和仿真计算，本发明中的反射式多波束卫星通信平板阵列天线控制系统分别在不同控制条件下实现对反射波束方向的操控，在特定的控制算法下，反射波束在三维空间内自由活动，实现多反射波束的同时操控。

下面我们提供了几种阵列中二极管状态的控制序列作为示范，实际的控制方法将远多于范例，这里仅用作举例证明。二极管状态控制顺序1为“断开-导通”的循环，二极管状态控制顺序2为“断开-断开-断开-导通-导通-导通”的循环，二极管状态控制顺序3为“断开-断开-断开-断开-导通-导通-导通-导通”的循环。通过对阵列的仿真计算，当x轴和y轴分别使用顺序1和顺序2，得到φ=71°，θ=64°，和φ=0°，θ=36.5°的反射波束；当x轴和y轴分别使用顺序1和顺序3，得到φ=77°，θ=61°，和φ=0°，θ=25.5°的反射波束；当x轴和y轴分别使用顺序2和顺序3，得到φ=80°，θ=17.4°的反射波束。当然这里只是一个简单的距离，当x轴和y轴使用相同的二极管状态控制顺序的时候，反射波束的φ角为45°，θ角等同于每列的控制方法得到的角度。所以，当改变使x轴和y轴不同控制方法的时候，获得更多的φ角，获得反射波束的三维扫描。特别的，将x轴和y轴的二极管状态控制顺序互换，反射波束的φ角将关于45°对称，θ角不发生改变。所以初步验证，通过几种二极管状态控制序列，φ角就实现在空间中82°到0°的变化，θ角就实现在空间中82°到16°的变化。而同时叠加不同的控制序列，就实现对多波束的分别操控。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上，提出一种反射式多波束卫星通信平板阵列天线控制系统，所述天线控制系统包括反射式多波束平板阵列天线1、阵列天线控制模块2以及向反射式多波束平板阵列天线1发射信号源的信号源发射模块3。所述反射式多波束平板阵列天线1由24*24个相同的、独立受电压控制改变相移状态的基本单元结构构成。

所述开关二极管11两端分别为上部正方形阳极、下部正方形阴极，上部正方形阳极和下部正方形阴极之间通过开关二极管11中部连接；两个金属薄片12分别为结构相同的上部金属片、下部金属片，上部金属片和下部金属片关于基本单元结构的法向中心轴中心对称，开关二极管11的上部正方形阳极与上部金属片连接且下部正方形阴极与下部金属片连接。

所述上部金属片、下部金属片为结构相同、对称设置的两个金属薄片12。一个金属薄片12设置有依次连接的第一金属直线段121、第二金属直线段122、第三金属直线段123、第一金属正方形124、第四金属直线段125、金属长方形126、第五金属直线段127、第二金属正方形128、第六金属直线段129、第七金属直线段130、第八金属直线段131；第一金属直线段121、第八金属直线段131的长度与宽度相同；第二金属直线段122、第三金属直线段123、第六金属直线段129、第七金属直线段130的长度与宽度相同；第一金属正方形124、第二金属正方形128的宽度相同；第四金属直线段125、第五金属直线段127的长度与宽度相同；所述金属孔13位于第一金属正方形上。

进一步地，所述第一金属直线段121的长度方向垂直于第二金属直线段122的长度方向，第二金属直线段122的长度方向垂直于第三金属直线段123的长度方向，第三金属直线段123的长度方向垂直于第四金属直线段125的长度方向，第三金属直线段123靠近第一金属正方形124的末端与第四金属直线段125靠近第一金属正方形124的末端关于第一金属正方形124的对角线对称。

本实施例中，印刷在介质基层14表面的金属薄片12和金属基板15的厚度均为2um。基本单元结构大小是3mm×3mm。介质基层14是相对介电常数为3.75的石英介质材料，介质厚度为0.3mm。正面印刷金属薄片12的大小的改变，影响基本单元结构对反射波的相位响应，可根据实际需要进行调整。

本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例基于实施例2所提供的反射式多波束卫星通信平板阵列天线控制系统，提供了一种仿真方法，包括以下步骤：

第一步，使用数学仿真计算方法，计算当控制机输入不同控制信号时，反射式多波束平板阵列天线1对于相同的入射波会获得不同方向反射的波束角度，反射的波束具有两个方向角和，和是球坐标系里的角度；

第二步，使用电磁仿真软件进行反射式多波束卫星通信平板阵列天线控制系统的模型仿真，阵列天线控制模块2在仿真模型中将发出控制信号等效为加到不同基本单元结构上的电压值，即改变等效模型中开关二极管11开关状态，信号源发射模块3在仿真模型中简化为浮于反射式多波束平板阵列天线1上方的入射平面波，随着反射式多波束平板阵列天线1中每个基本单元结构里开关二极管11开关状态的改变，仿真得到不同方向角和的反射的波束；

第三步，将前两步不同仿真方法的结果对照，符合即验证正确。

本实施例的其他部分与实施例2相同，故不再赘述。

本申请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申请的精神和范围内，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，凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请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，均属于本申请技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.反射式多波束卫星通信平板阵列天线控制系统，其特征在于：包括反射式多波束平板阵列天线（1）、阵列天线控制模块（2）以及向反射式多波束平板阵列天线（1）发射信号源的信号源发射模块（3）；所述反射式多波束平板阵列天线（1）由24*24个相同的、独立受电压控制改变相移状态的基本单元结构构成；每个基本单元结构包括开关二极管（11）、金属薄片（12）、介质基层（14）、金属基板（15）；两个金属薄片（12）分别对称印刷在同一个介质基层（14）的上表面，同时两个金属基板（15）分别对称设置在介质基层（14）的下表面；所述介质基层（14）设置有用于连接金属薄片（12）、金属基板（15）的金属孔（13）；一个开关二极管（11）同时与两个金属薄片（12）连接；所述阵列天线控制模块（2）包括写入控制程序的可编程逻辑芯片，通过信号线控制反射式多波束平板阵列天线（1）的状态实现多波束控制；所述开关二极管（11）两端分别为上部正方形阳极、下部正方形阴极，上部正方形阳极和下部正方形阴极之间通过开关二极管（11）中部连接；两个金属薄片（12）分别为结构相同的上部金属片、下部金属片，上部金属片和下部金属片关于基本单元结构的法向中心轴中心对称，开关二极管（11）的上部正方形阳极与上部金属片连接且下部正方形阴极与下部金属片连接；

所述上部金属片设置有依次连接的第一金属直线段（121）、第二金属直线段（122）、第三金属直线段（123）、第一金属正方形（124）、第四金属直线段（125）、金属长方形（126）、第五金属直线段（127）、第二金属正方形（128）、第六金属直线段（129）、第七金属直线段（130）、第八金属直线段（131）；第一金属直线段（121）、第八金属直线段（131）的长度与宽度相同；第二金属直线段（122）、第三金属直线段（123）、第六金属直线段（129）、第七金属直线段（130）的长度与宽度相同；第一金属正方形（124）、第二金属正方形（128）的宽度相同；第四金属直线段（125）、第五金属直线段（127）的长度与宽度相同；所述金属孔（13）位于第一金属正方形上。

2.根据权利要求1所述的反射式多波束卫星通信平板阵列天线控制系统，其特征在于：所述第一金属直线段（121）的长度方向垂直于第二金属直线段（122）的长度方向，第二金属直线段（122）的长度方向垂直于第三金属直线段（123）的长度方向，第三金属直线段（123）的长度方向垂直于第四金属直线段（125）的长度方向，第三金属直线段（123）靠近第一金属正方形（124）的末端与第四金属直线段（125）靠近第一金属正方形（124）的末端关于第一金属正方形（124）的对角线对称。

3.基于权利要求1所述的反射式多波束卫星通信平板阵列天线控制系统的仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，使用数学仿真计算方法，计算当控制机输入不同控制信号时，反射式多波束平板阵列天线（1）对于相同的入射波会获得不同方向反射的波束角度，反射的波束具有两个方向角和，和是球坐标系里的角度；

第二步，使用电磁仿真软件进行反射式多波束卫星通信平板阵列天线控制系统的模型仿真，阵列天线控制模块（2）在仿真模型中将发出控制信号等效为加到不同基本单元结构上的电压值，即改变等效模型中开关二极管（11）开关状态，信号源发射模块（3）在仿真模型中简化为浮于反射式多波束平板阵列天线（1）上方的入射平面波，随着反射式多波束平板阵列天线（1）中每个基本单元结构里开关二极管（11）开关状态的改变，仿真得到不同方向角和的反射的波束；

第三步，将前两步不同仿真方法的结果对照，符合即验证正确。

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