CN112993597A - 一种星载多波束切换透明天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种星载多波束切换透明天线，属于天线技术领域。该天线包括太阳帆板、天线阵面和天线电路；其中天线阵面设置在太阳帆板的向光面上方，与太阳帆板之间具有间隙；天线阵面包括接收天线阵面和发射天线阵面；接收天线阵面和发射天线阵面均包括透明基板、设置在所述透明基板向光面上的微带天线阵和馈电网络、设置在透明基板背光面上的接地面，微带天线阵与馈电网络连接，微带天线阵、馈电网络和接地面均为透明结构；天线电路设置在太阳帆板的背光面上，天线电路包括接收天线电路发射天线电路。本发明中通过将天线阵面透明化，并与太阳帆板集成设计，提高了天线的辐射能力，进而提高了卫星的通信载荷能力。

Description

一种星载多波束切换透明天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种星载多波束切换透明天线。
背景技术
LEO卫星具有传输时延短、路径损耗小的优点，在移动卫星通信、天基物联网中有重要应用价值。低轨卫星与同步轨道卫星之间建立星间传输链路，可以提高低轨卫星对地球的业务覆盖范围。随着地面业务需求的增加，对低轨卫星载荷的需求已由过去的单一工作模式过渡到多任务模式。这种业务需求的变化对低轨卫星载荷的要求是，星载天线数量增加，需要提升天线增益。而小卫星平台空间有限，采用传统的天线设计方法，在狭小的空间范围内安装多付天线、提高天线增益存在技术难度。
因此为了提高低轨航天器天线的通信能力，科研人员提出利用航天器的太阳帆板与天线进行集成设计。在太阳能电池帆板上设计天线，主要有以下几种方式:(1)利用太阳能电池帆板上电池模块之间的安装缝隙，设计缝隙天线单元，必要时形成缝隙天线阵列。这种缝隙天线单元或者阵列是与太阳能电池模块共面放置的，参见Stefano Vaccaro等发表的论文：“Two Advanced Solar Antenna‘SOLANT’Designs for Satellite andTerrestrial Communications”，IEEE Transactions on Antennas and Propagation,Vol.15,No.8,2003,pp.2028-2034.这种方法的问题是，缝隙天线单元在组阵应用时，受限于太阳能电池模块的尺寸大小，可能造成单元间距大于半波长而出现方向图旁瓣；(2)在太阳能电池帆板的电池单元表面，采用导电薄膜印刷或者喷墨印刷技术形成网格化的微带天线，太阳光能够透过天线表面网格进入电池单元，参见Taha Yekan等发表的论文：“Conformal Integrated Solar Panel Antennas”,IEEE Antennas and PropagationMagazine,Vol.4,2017,pp.69-78.这种方法的问题是，太阳能电池模块对其表面上的网格状天线造成不可忽略的影响，难以对天线进行独立设计；(3)将太阳能电池模块放置在传统微带天线表面上，通过孔径耦合的方法对微带天线馈电，参见Thomas R.Jones等发表的论文：“Solar Panel Integrated Circular Polarized Aperture-Coupled Patch Antennafor CubeSat Applications”,IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,Vol.17,No.10,2018,pp.1895-1899.这种方法的问题是，微带天线大小受限于太阳能电池模块的尺寸，难以组阵应用和圆极化设计。
此外，申请号为201710080201.0的中国专利公开了一种航天器太阳能帆板共形天线，该专利中，将太阳能帆板的大面积基板作为天线底板，在太阳能帆板背面设计天线阵；以及，申请号为202010182993.4的中国专利公开了一种与太阳帆板共型设计的星载平面反射阵天线，同样是将天线阵面设置在太阳帆板的背面。然而，将天线阵面设置在太阳帆板背面时，虽然提高了天线的辐射面积，但在天线工作时，太阳帆板的金属基板对信号会有一定的干扰作用，从而影响卫星通信质量。
综上分析，可以看出，现有的与太阳帆板集成设计的天线，辐射能力依然受限，导致卫星的通信载荷能力较弱，因此需要对天线进行再设计，以提高低轨航天器的通信能力。
发明内容
技术问题：针对现有的星载天线辐射能力有限的问题，本发明提供一种星载多波束切换透明天线，通过将天线阵面透明化，并与太阳帆板集成设计，提高了天线的辐射能力，并且通信可靠性高。
技术方案：本发明提供一种多波束切换的星在透明天线，包括：
太阳帆板；
天线阵面，设置在所述太阳帆板的向光面上方，与太阳帆板之间具有间隙；所述天线阵面包括用于接收信号的接收天线阵面和用于发射信号的发射天线阵面；所述接收天线阵面和发射天线阵面均包括透明基板、设置在所述透明基板向光面上的微带天线阵和馈电网络、设置在透明基板背光面上的接地面，所述微带天线阵与馈电网络连接，所述微带天线阵、馈电网络和接地面均为透明结构；
天线电路，设置在所述太阳帆板的背光面上，所述天线电路包括与接收天线阵面连接的接收天线电路和与发射天线阵面连接的发射天线电路。
进一步地，所述微带天线阵包括呈矩形阵列设置的M×N个天线单元，沿行方向分布的N个天线单元形成一个N元线阵，每个所述N元线阵通过合路网络与馈电网络的对应端口连接；或，
沿列方向分布的M个天线单元形成一个M元线阵，每个所述M元线阵通过合路网络与馈电网络的对应端口连接；
所述合路网络使得相邻的两个天线单元中信号的相位相差90°。
进一步地，所述馈电网络为巴特勒矩阵多波束馈电网络或平面罗特曼透镜多波束馈电网络。
进一步地，所述微带天线单元、馈电网络、接地面及合路网络均采用金属网格工艺，利用矩形网格或菱形网格离散化，使得微带天线单元、接地面及合路网络呈透明结构。
进一步地，所述太阳帆板包括金属底板、设置在所述金属底板向光面上的若干电池模块，所述金属底板背光面上开有凹槽，所述天线电路设置在所述凹槽中；所述金属底板中开有与凹槽连通的线缆槽，用于设置通信电缆。
进一步地，所述天线阵面通过若干个支撑螺杆设置在金属底板上，所述支撑螺杆位于若干个电池模块之间的缝隙中。
进一步地，所述接收天线电路包括：
低噪放组件，与接收天线阵面的馈电网络的连接，用于将接收信号进行低噪声放大和接收下变频；
定向耦合器组件，与低噪放组件连接，用于产生接收主信号和取样信号；
滤波器组件，与定向耦合器组件连接，用于对取样信号进行滤波；
模数转换器，与滤波器组件连接，用于将滤波后的取样信号转换为数字信号；
波束切换控制模块，与模数转换器连接，根据所述取样信号，输出波束切换控制指令；
接收波束切换开关，与定向耦合器组件和波束切换控制模块连接，根据所述波束切换控制指令对接收波束切换开关进行切换控制，对接收主信号进行选择，得到最终接收信号波束。
进一步地，所述发射电路包括：
波束切换控制模块，根据发信终端的发射信号，输出波束切换控制指令；
发射波束切换开关，与波束切换控制模块连接，根据所述切换控制指令对来自发信终端的发射信号进行选择切换；
发射组件，与发射波束切换开关和发射天线阵面的馈电网络连接，用于将选择后的发射信号波束进行功率放大，经放大后的发射信号经过发射天线阵面的馈电网络进行馈电，然后通过发射天线阵面的微带天线阵发射。
进一步地，所述接收波束切换开关和发射波束切换开关均为多波束切换开关，所述多波束切换开关包括级联的P级切换开关组件、合路端口和若干个波束端口，每级切换开关组件分别包括P，P-1，…,1个子切换开关，通过调整子切换开关状态，使得所述多波束切换开关能够进行行波束连续切换，保证至少一个波束端口连通。
进一步地，子切换开关包括：
第一微带线，包括依次连接的第一端口开关、第一线段、第二线段、第三线段、第四线段和第二端口开关，所述第二线段和第三线段连接点处设置有第五线段，所述第一线段与第四线段之间设置有第一射频开关；
第二微带线，与所述第二线段平行耦合，第二微带线的一端通过第二射频开关与第一线段连接，另一端通过第三射频开关与第五线段连接；
第三微带线，与所述第三线段平行耦合，第三微带线的一端通过第四射频开关与第四线段连接，另一端通过第五射频开关与第五线段连接。
进一步地，所述子切换开关的状态包括：
当所述第一端口开关允许通过信号波束时但第二端口开关禁止通过信号波束时，第一端口开关闭合，第二端口开关开路，第一射频开关、第二射频开关、第三射频开关连通，第四射频开关、第五射频开关均断开；
当所述第一端口开关禁止通过信号波束时但第二端口开关允许通过信号波束时，第一端口开关开路，第二端口开关闭合，第一射频开关、第四射频开关、第五射频开关均连通，第二射频开关、第三射频开关均断开；
当所述第一端口开关和第二端口开关均允许通过信号波束时，第一端口开关闭合，第二端口开关闭合，第一射频开关连通，第二射频开关、第三射频开关、第四射频开关、第五射频开关均断开。
进一步地，波束切换控制模块输出控制指令的方法包括：
输入切换控制模块中的K个信号波束，并进行编号；
相邻编号的波束信号进行合路，产生K-1个合路信号波束；
通过比较2K-1个信号波束的幅值大小，得到幅值最大的信号波束，输出对应的波束切换控制指令。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明的实施例中的透明天线，将发射天线阵面和接收天线阵面均设计为透明结构，设置在太阳帆板的向光面上方，而将发射天线电路和接收天线电路设置在太阳帆板的背光面上，实现了天线与太阳帆板的集成设计，充分利用了航天器的太阳帆板，从而极大地增加了天线的口径面积；同时，太阳光照射到天线阵面时，由于天线阵面是透明的，使得太阳光线能够透过天线阵面，照射在太阳帆板上，因此天线阵面不会影响太阳帆板工作；此外，由于天线阵面位于太阳帆板的向光面，在与高轨卫星进行通信时，能够减少太阳帆板的影响，因此，利用本发明的实施例中的天线，有效地提高了天线的辐射能力，增加了卫星通信载荷的业务容量。
(2)在传统的天线技术中，多波束切换方法在射频开关切换瞬间，有信号的短时中断现象。为了避免这个问题，本发明采用多波束无间断切换技术，通过所提供的多波束切换开关及相应切换方式，实现多波束的无间断连续切换，在波束切换瞬间，至少有一个波束通道是连通的，消除信号的短时中断，提高多波束切换瞬间的通信可靠性。
(3)低轨卫星绕地飞行，在飞抵通信区域时，需要与高轨卫星之间建立星间链路。传统技术中，采用单一固定波束，受天线波束指向角的影响，低轨卫星与高轨卫星星间通信时间短。本发明实施例中的透明天线产生多波束，利用所提供的多波束开关，实现了多波束切换控制，通过多波束切换的方法实现LEO星载透明天线的波束指向GEO卫星，与单一固定波束相比，多波束切换的方法可以延长星间通信的保持时间。
附图说明
图1为本发明的相控阵天线的应用场景图；
图2为本发明的相控阵天线的工作原理图；
图3为本发明的实施例中接收天线阵面的剖面结构示意图；
图4为本发明的实施例中发射天线阵面的剖面结构示意图；
图5为本发明的实施例中接收天线阵面或发射天线阵面的立体示意图；
图6为矩形网格离散化示意图；
图7为菱形网格离散化示意图；
图8为本发明实施例中接收/发射天线电路的原理图；
图9为本发明的实施例中多波束切换开关的示意图；
图10为本发明的实施例中多波束切换开关的原理图；
图11为本发明的实施例中子切换开关(或一级)的结构示意图；
图12为本发明的实施例中子切换开关(或一级)的原理图；
图13为本发明的实施例中二级多波束切换开关的结构示意图；
图14为本发明的实施例中二级多波束切换开关的原理图。
图中有：100、太阳帆板；110、金属底板；120、电池模块；130、凹槽；140、线缆槽；150、支撑螺杆；160、同轴电缆；170、金属盖板；
200、接收天线阵面；
300、发射天线阵面；
400、接收天线电路；410、低噪放组件；411、低噪放模块；420、定向耦合器组件；421、定向耦合器；430、滤波器组件；440、模数转换器；450、接收波束切换开关；
500、发射天线电路；510、发射波束切换开关；520、发射组件；521、发射模块；
010、透明基板；020、微带天线阵；021、天线单元；030、馈电网络；040、接地面；050、合路网络；060、波束切换控制模块；070、子切换开关；071、第一微带线；0711、第一端口开关；0712、第一线段；0713、第二线段；0714、第三线段；0715、第四线段；0716、第二端口开关；0717、第五线段；072、第一射频开关；073、第二微带线；074、第二射频开关；075、第三射频开关；076、第三微带线；077、第四射频开关；078、第五射频开关；0701、第一子切换开关；0702、第二子切换开关；0703、第三子切换开关。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。其中，术语“第一”、“第二”等仅限于描述目的，不能理解为对数量等的限制；并且，“连接”一词，作广义上解释，既可以是机械连接，也可以是电连接，或者信号连接等。
如1为本发明的实施例中的透明天线应用场景示意图，主要是将透明天线设置在低轨卫星上，用于与高轨卫星的星间通信，当然，也可应用与其他航天器上，用于通信。
如图2所示，本发明的实施例中，透明天线包括太阳帆板100、天线阵面和天线电路。其中，天线阵面包括用于接收信号的接收天线阵面200和用于发射信号的发射天线阵面300，接收天线阵面200和发射天线阵面300均设置在所述太阳帆板100的向光面上方，并与太阳帆板100之间具有间隙。在本发明的实施例中，见图3-5，接收天线阵面200和发射天线阵面300均包括透明基板010、设置在所述透明基板010向光面上的微带天线阵020和馈电网络030、设置在透明基板010背光面上的接地面040，微带天线阵020与馈电网络030连接，并且，微带天线阵020、馈电网络030和接地面040均为透明结构。
如图3和图4，天线电路包括与接收天线阵面200连接的接收天线电路400和与发射天线阵面300连接的发射天线电路500，分别用于对接收信号和发射信号进行处理，接收天线电路400和发射天线电路500均设置在太阳帆板100背光面上。在本发明的实施例中，天线阵面的端口通过同轴电缆160垂直引接到太阳帆板100的背光面，实现天线阵面与天线电路的连接。
本发明的实施例中的透明天线，将发射天线阵面300和接收天线阵面200均设计为透明结构，设置在太阳帆板的向光面上方，而将发射天线电路500和接收天线电路400设置在太阳帆板100的背光面上，实现了天线与太阳帆板的集成设计，充分利用了航天器的太阳帆板100，从而极大地增加了天线的口径面积；同时，太阳光照射到天线阵面时，由于天线阵面是透明的，使得太阳光线能够透过天线阵面，照射在太阳帆板100上，因此天线阵面不会影响太阳帆板工作；此外，由于天线阵面位于太阳帆板100的向光面，在与高轨卫星进行通信时，能够减少太阳帆板100的影响，因此，利用本发明的实施例中的天线，有效地提高了天线的辐射能力，增加了卫星通信载荷的业务容量。
在本发明的实施例中，如图5所示，微带天线阵020包括呈矩形阵列设置的M×N个天线单元021，在本发明的实施例中，天线单元021采用切角微扰结构，以产生圆极化电磁场辐射和接收。其中，沿行方向分布的N个天线单元021形成一个N元线阵，每个N元线阵通过一个合路网络050与馈电网络030的对应端口连接；或者，在其他实施例中，沿列方向分布的M个天线单元021形成一个M元线阵，每个M元线阵通过合路网络050与馈电网络030的对应端口连接。例如，如图5所示的微带天线阵020，包括2×4个天线单元021，沿行方向(图5中X方向)，每行有4个天线单元021，沿列方向(图5中Y方向)，每列2个天线单元021，在该实施例中，沿列方向2个天线单元021组成一个二元线阵；共有4个列方向的二元线阵，使得接收天线阵面200发射天线阵面300均能产生4个波束。
每个线阵中的M或N个天线单元通过合路网络连接在一起，从而利用顺序旋转馈电技术使得相邻的两个天线单元021中信号的相位相差90°，其中合路网络050为可采用现有的网络设计方法进行设计，满足目的即可。
当M或N其中一个值为1时，那么微带天线阵020构成一个一维平面天线阵列，而当M和N均不为1，则构成一个二维平面天线阵列。
进一步地，在本发明的实施例中，馈电网络030采用的馈电网络030为巴特勒矩阵多波束馈电网络或平面罗特曼透镜多波束馈电网络，不仅能够进行多波束的输入或输出，产生若干个波束，以对应不同的指向空间，而且便于实现一维平面设计。例如在图5所示的实施例中，采用的是一个四波束的巴特勒矩阵馈电网络，能够同时进行四个波束的馈电。
为了使得天线阵面为透明结构，在本发明的实施例中，微带天线单元021、馈电网络030、接地面040及合路网络050均采用消费电子领域中玻璃触控面板的金属网格(MetalMesh)工艺，如图6和图7所示，利用矩形网格或菱形网格离散化，离散化后线宽在微米量级别，使得微带天线单元021、馈电网络030、接地面040及合路网络050呈透明结构。同时，透明基板010采用涤纶树脂、尼龙、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺等透光性材质，因此当将天线阵面设置在太阳帆板100的向光面上方时，不会遮挡光线，从而不影响太阳帆板100工作。
在本发明的实施例中，如图3-4，太阳帆板100包括金属底板110、设置在所述金属底板110的向光面上的若干个电池模块120。如果直接将天线电路设置在金属底板110的背光面上，会使得金属底板110的背光面不平整，从而不便于太阳帆板100的收缩折叠，因此在本发明的实施例中，在金属底板110的背光面上凹槽130，将天线电路置于凹槽130中，并通过金属盖板170将凹槽130封闭，使得金属底板110的背光面平整，便于太阳帆板100的折叠。说明的是，当接收天线阵面200和发射天线阵面300设置在航天器一侧的太阳帆板100上时，可将接收天线电路400和发射天线电路500设置在一个凹槽130中；如果当接收天线阵面200和发射天线阵面300分别设置在航天器两侧的太阳帆板100上时，可在每侧的金属底板110的背光面上各开一个凹槽130，分别放置接收天线电路400和发射天线电路500。
为了使得天线能够将信号传输到航天器本体中，在本发明的实施例中，金属底板110中开有与凹槽130连通的线缆槽140，用于设置通信电缆，从而避免了在太阳帆板100外部进行布线，不影响太阳帆板100的平整度以及避免通信电缆收外接环境影响造成损坏。
进一步的，在本发明的实施例中，如图3-4，发射天线阵面300和接收天线阵面200通过若干个支撑螺杆150设置在金属底板110上，从而使得发射天线阵面300和接收天线阵面200与太阳帆板100之间具有间隙；并且，支撑螺杆150位于若干个电池模块120之间的缝隙中，从而不用对电池模块120进行钻孔，减少对电池模块120的影响。
天线性能的好坏，不仅依赖于其整体结构，并且依赖于其电路。在本发明的实施例中，如图8所示，接收天线电路400包括：低噪放组件410、定向耦合器组件420、滤波器组件430、模数转换器440、波束切换控制模块060和接收波束切换开关450。其中，低噪放组件410与接收天线阵面200的馈电网络030的连接，用于将接收信号进行低噪声放大和接收下变频，形成接收波束的中频信号；在本发明的实施例中，低噪放组件410包括与接收天线阵面200的馈电网络030的输出端口等数量的低噪放模块411，每个低噪放模块411与对应的输出端口连接。例如，对于图5所示的天线阵面结构中，接收天线阵面200的馈电网络030的输出端口具有4个端口，因此低噪放组件410中包括4个低噪放模块411。
定向耦合器组件420与低噪放组件410连接，接收信号进入定向耦合器组件420后产生接收主信号和取样信号。在本发明的实施例中，定向耦合器组件420中包括与低噪放模块411等数量的定向耦合器421，每个定向耦合器421与对应的低噪放模块411连接，因此可产生若干个主接收信号和等数量的取样信号。同样，当接收天线阵面200为图5所示的结构，则定向耦合器组件420包括4个定向耦合器421，共输出干个主接收信号和4个的取样信号。
滤波器组件430与定向耦合器组件420连接，用于对取样信号进行滤波。
模数转换器440，与滤波器组件430连接，用于对滤波后的取样信号进行模数转换，转换为相应的数字信号，当若干个取样信号输入后，产生等数量的对应的数字信号。例如，输入4个取样信号后，经模数转换后，输出4个对应的数字信号。
波束切换控制模块060与模数转换器440连接，根据取样信号，输出一个波束切换控制指令，例如输如4个数字信号，输出一个波束切换控制指令。
接收波束切换开关450与定向耦合器组件420和波束切换控制模块060连接，可根据波束切换控制指令对接收波束切换开关450进行切换控制，对接收主信号进行选择。由于定向耦合器组件420组件能够产生若干个主接收信号，但这若干个主接收信号并不都是想要的，因此，必须进行挑选，选择需要的那个主接收信号，因此切换控制指令输入到接收波束切换开关450后，会控制接收波束切换开关450进行切换选择，选择出需要的主接收信号，即最终的接收信号。
结合图5所示的天线阵面，从信号的角度对信号接收过程进行进一步说明，接收天线阵面200的馈电网络030输出4个信号波束，然后4个信号波束通过对应的低噪放组件410进行低噪声放大和接收下变频，输出4个接收波束的中频信号。中频信号进入定向耦合器组件420，产生4个主接收信号和4个取样信号；4个主接收信号直接进入接收波束切换开关450等待选择，而4个取样信号经过滤波和模数转换，进入波束切换控制模块060，波束切换控制模块060对4个取样信号进行处理，输出波束切换控制指令；根据波束切换控制指令控制收接收波束切换开关450进行切换，选择出需要的接收信号波束，得到最终的接收信号，说明的是，选择出的接收信号并不一定是4个主接收信号的中的一个，也可能是其中两个的合路信号。
信号的发射和接收是一个反向的过程，如图8所示，发射天线电路400包括波束切换控制模块060、发射波束切换开关510和发射组件520。其中波束切换控制模块060根据发信终端的发射信号，输出波束切换控制指令；发射波束切换开关510与波束切换控制模块060连接，根据所述切换控制指令对来自发信终端的发射信号进行选择切换，得到选择的发射信号波束；发射组件520与发射波束切换开关510连接和发射天线阵面300的馈电网络030连接，将选择后的发射信号波束进行功率放大，经放大后的发射信号经过发射天线阵面300的馈电网络030进行馈电，然后通过发射天线阵面300的微带天线阵020发射到太空空间。发射组件520中包括与发射天线阵面300的馈电网络030的输入端口等数量的发射模块521，例如，对于图5所示的天线阵面结构，发射组件520包括4个发射模块521。
在本发明的实施例中，发射天线电路500和接收天线电路400可以使用同一个波束切换控制模块060对发射波束切换开关510和接收波束切换开关450进行控制。
同样，结合图5所示天线阵面的结构，从信号角度进行进一步的说明。发信终端发出4个发射信号，发射信号进入波束切换控制模块060，输出一个波束切换控制指令，通过该波束切换控制指令控制发射波束切换开关510，对发射信号进行选择，选择出最终发射的信号，然后将选择后的信号经过发射组件进行功率放大，放大后通过发射天线阵面300的馈电网络030进行馈电，然后通过天线单元021发射到宇宙空间。同样，说明的是，选择出的接收信号并不一定是4发射信号的中的一个，也可能是其中两个的合路信号。
在传统的天线技术中，多波束切换方法在射频开关切换瞬间，有信号的短时中断现象。为了避免这个问题，本发明采用多波束无间断切换技术，在波束切换瞬间，至少有一个波束通道是连通的，消除信号的短时中断，提高多波束切换瞬间的通信可靠性。实现多波束连续切换，是依靠多波束切换开关完成的，因此在本发明的实施例中，接收波束切换开关450和发射波束切换开关510均为多波束切换开关，并提供一种多波束切换开关的结构，如图9和图10所示，多波束切换开关包括级联的P级切换开关组件、一个合路端口和若干个波束端口，每级切换开关组件分别包括P，P-1，…,1个子切换开关070，通过调整子切换开关070状态，使得所述多波束切换开关能够进行行波束连续切换，保证至少一个波束端口连通，例如图10中，多波束开关包括J个波束端口和一个合路端口，可以产生2J-1个波束，其中包括J个单波束，J-1个合波束，因此，可以通过所提供的多波束切换开关，实现多波束的连续切换。
通常，低轨卫星绕地飞行，在飞抵通信区域时，需要与高轨卫星之间建立星间链路。采用单一固定波束，受天线波束指向角的影响，低轨卫星与高轨卫星星间通信时间短。本发明实施例中的透明天线产生多波束，利用所提供的多波束开关，实现了多波束切换控制，通过多波束切换的方法实现LEO星载透明天线的波束指向GEO卫星，与单一固定波束相比，多波束切换的方法可以延长星间通信的保持时间。
具体的，如图11所示，本发明的一种实施例中，子切换开关070包括第一微带线071、第二微带线073、第三微带线076。其中，第一微带线071包括依次连接的第一端口开关0711、第一线段0712、第二线段0713、第三线段0714、第四线段0715和第二端口开关0716，第二线段0713和第三线段0714连接点处设置有第五线段0717，第一线段0712与第四线段0715之间设置有第一射频开关072；第二微带线073与第二线段0713曲率相同，第二微带线073的一端通过第二射频开关074与第一线段0712连接，另一端通过第三射频开关075与第五线段0717连接；第三微带线076与第三线段0714曲率相同，第三微带线076的一端通过第四射频开关077与第四线段0715连接，另一端通过第五射频开关078与第五线段0717连接。在本发明的实施例中，例如图11所示，整个子波束切换开关呈U形。
在应用所提出的子切换开关070时，有如下几种开关状态：
1)当所述第一端口开关0711允许通过信号波束时但第二端口开关0716禁止通过信号波束时，第一端口开关0711闭合，第二端口开关0716开路，第一射频开关072、第二射频开关074、第三射频开关075连通，第四射频开关077、第五射频开关078均断开；
2)当所述第一端口开关0711禁止通过信号波束时但第二端口开关0716允许通过信号波束时，第一端口开关0711开路，第二端口开关0716闭合，第一射频开关072、第四射频开关077、第五射频开关078均连通，第二射频开关074、第三射频开关075均断开；
3)当所述第一端口开关0711和第二端口开关0716均允许通过信号波束时，第一端口开关0711闭合，第二端口开关0716闭合，第一射频开关072连通，第二射频开关074、第三射频开关075、第四射频开关077、第五射频开关078均断开。
在本发明的实施例中，第一端口开关0711和第二端口开关0716均采用的单刀三掷开关，因此，子切换开关070是一个五端口的射频器件，包括4个波束端口和1个合路端口。下面提供两种具体的多波束切换开关结构及相应的波束切换过程：
当多波束切换开关只包括一级切换开关组件时，即P＝1，那么此时多波束切换开关的结构就是一个子切换开关070；如图12所示，第一端口开关0711设置端口b1和b3，对应单波束B1、B3，第二端口开关0716设置端口b2和b4，对应单波束B2、B4，并且相邻编号端口对应的波束能够合成一个合波束，因此有3个合路波束B5、B6、B7，其中B5＝B1+B2，B6＝B2+B3，B7＝B3+B4，则此时，B1、B5、B2、B6、B3、B7、B4构成一个连续的信号波束组，利用本发明的多波束切换开关，通过调整子切换开关的状态，可以从任一个波束切换到相邻的波束。
具体的，假设当前工作波束为B1，此时，第一端口开关0711置于端口b1，第二端口开关0716开路，第一射频开关072、第二射频开关074、第三射频开关075连通，第四射频开关077、第五射频开关078均断开。当由B1切换到B5时，接入波束B2，此时，第一端口开关0711置于b1，第二端口开关0716置于b2，第一射频开关072连通，第二射频开关074、第三射频开关075、第四射频开关077、第五射频开关078均断开。当由B5切换到B2，此时，第一端口开关0711开路，第二端口开关0716保持置于b2，第一射频开关072、第四射频开关077、第五射频开关078均连通，第二射频开关074、第三射频开关075均断开。当由B2切换到B6，第一端口开关0711置于b3，第二端口开关0716保持置于b2，第一射频开关072连通，第二射频开关074、第三射频开关075、第四射频开关077、第五射频开关078均断开。当由B6切换到B3，第一端口开关0711保持置于b3，第二端口开关0716开路，第一射频开关072、第二射频开关074、第三射频开关075连通，第四射频开关077、第五射频开关078均断开。当由B3切换到B7，则第一端口开关0711保持置于b3，第二端口开关0716置于b4，第一射频开关072、第四射频开关077、第五射频开关078均连通，第二射频开关074、第三射频开关075均断开。当由B7切换到B4，则第一端口开关0711开路，第二端口开关0716保持置于端口b4，第一射频开关072、第四射频开关077、第五射频开关078均连通，第二射频开关074、第三射频开关075均断开。
通过上述开关的切换动作，可以完成七个波束信号B1、B5、B2、B6、B3、B7、B4之间的连续切换，当然也可以按照反方向进行连续切换，即按照B4、B7、B3、B6、B2、B5、B1的顺序。
而此时，波束切换控制模块060产生控制指令的方式为：输入切换控制模块中的4个信号波束，并进行编号，分别为B1、B2、B3、B4；相邻编号的波束信号进行合路，产生3个合路信号波束，即B5、B6、B7，其中B5＝B1+B2，B6＝B2+B3，B7＝B3+B4；通过比较B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7的幅值大小，得到幅值最大的信号波束，输出对应的波束切换控制指令。然后利用波束切换控制指令对多波束切换开关进行切换控制，选择出需要的波束，选择后的波束可能是单波束，也可能是合波束。
利用上述结构及切换方式的多波束切换开关，即可应用于具有如图5所示结构天线阵面的天线中，完成接收信号和发射信号的波束连续切换控制。
如果天线阵面的微带天线阵020为2×8个天线单元，并且依然是沿着列方向分布的两个天线单元021构成一个二元线阵，那么此时，多波束切换开关包括2级切换开关组件级联，即P＝2，此时，第一级切换开关组件包括2个子切换开关070，第二级切换开关组件包括1个子切换开关070。具体的，如图13和图14所示，第一级切换开关组件包括2个子切换开关070，分别为第一子切换开关0701和第二子切换开关0702，其中第一子切换开关0701的第一端口开关0711设置端口b1、b3，对应单波束B1、B3，第二端口开关0716设置端口b2、b4，对应单波束B2、B4；第二子切换开关0702的第一端口开关0711设置端口b5、b7，对应单波束B5、B7，第二端口开关0716设置端口b6、b8，对应单波束B5、B7。相邻编号端口的波束合路，得到合波束B9、B10、B11、B12、B13、B14、B15，其中B9＝B1+B2、B10＝B2+B3、B11＝B3+B4、B12＝B4+B5、B13＝B5+B6、B14＝B6+B7、B15＝B7+B8。
第二级切换开关组件包括第三子切换开关0703，其中第三子切换开关0703的第一端口开关0711与第一子切换开关0701的合路端口连接，第三子切换开关0703的第二端口开关0716与第二子切换开关0702的合路端口连接，由此，能够在波束B1、B9、B2、B10、B3、B11、B4、B12、B5、B13、B6、B14、B7、B15、B8共15个波束中，从任一个波束切换到与之相邻的另一个波束。进行波束连续切换时，各开关的状态如下：
假设当前波束为B1，此时有：
1)第一子切换开关0701：第一端口开关0711置于b1端口，第二端口开关0716开路，第一射频开关072、第二射频开关074、第三射频开关075连通，第四射频开关077、第五射频开关078均断开；
2)对于第二子切换开关0702：第一端口开关0711和第二端口开关0716均开路；
3)对于第三子切换开关0703：第一端口开关0711闭合，第二端口开关0716闭合或开路，第一射频开关072、第二射频开关074、第三射频开关075连通，第四射频开关077、第五射频开关078均断开。
当由B1切换到B9时，有：
1)对于第一子切换开关0701：第一端口开关0711置于b1，第二端口开关0716置于b2，第一射频开关072连通，第二射频开关074、第三射频开关075、第四射频开关077、第五射频开关078均断开；
2)对于第二子切换开关0702：与B1波束时的第三子切换开关0703的状态一致；
3)对于第三子切换开关0703：与B1波束时的第三子切换开关0703的状态一致。
当由B9切换到B2时，有：
1)对于第一子切换开关0701：第一端口开关0711开路，第二端口开关0716保持置于b2，第一射频开关072、第四射频开关077、第五射频开关078均连通，第二射频开关074、第三射频开关075均断开；
2)对于第二子切换开关0702：与B1波束时的第三子切换开关0703的状态一致；
3)对于第三子切换开关0703：与B1波束时的第三子切换开关0703的状态一致。
当由B2切换到B10时，有：
1)对于第一子切换开关0701：第一端口开关0711置于b3，第二端口开关0716保持置于b2，第一射频开关072连通，第二射频开关074、第三射频开关075、第四射频开关077、第五射频开关078均断开；
2)对于第二子切换开关0702：与B1波束时的第三子切换开关0703的状态一致；
3)对于第三子切换开关0703：与B1波束时的第三子切换开关0703的状态一致。
当由B10切换到B3时，有：
1)对于第一子切换开关0701：第一端口开关0711保持置于b3，第二端口开关0716开路，第一射频开关072、第二射频开关074、第三射频开关075连通，第四射频开关077、第五射频开关078均断开
2)对于第二子切换开关0702：与B1波束时的第三子切换开关0703的状态一致；
3)对于第三子切换开关0703：与B1波束时的第三子切换开关0703的状态一致。
当由B3切换到B11时，有：
1)对于第一子切换开关0701：第一端口开关0711保持置于b3，第二端口开关0716置于b4，第一射频开关072、第四射频开关077、第五射频开关078均连通，第二射频开关074、第三射频开关075均断开；
2)对于第二子切换开关0702：与B1波束时的第三子切换开关0703的状态一致；
3)对于第三子切换开关0703：与B1波束时的第三子切换开关0703的状态一致。
当由B11切换到B4时，有：
1)对于第一子切换开关0701：第一端口开关0711开路，第二端口开关0716保持置于端口b4，第一射频开关072、第四射频开关077、第五射频开关078均连通，第二射频开关074、第三射频开关075均断开；
2)对于第二子切换开关0702：与B1波束时的第三子切换开关0703的状态一致；
3)对于第三子切换开关0703：与B1波束时的第三子切换开关0703的状态一致。
当由B4切换到B12时，有：
1)对于第一子切换开关0701：第一端口开关0711开路，第二端口开关0716保持置于端口b4，第一射频开关072、第四射频开关077、第五射频开关078均连通，第二射频开关074、第三射频开关075均断开；
2)对于第二子切换开关0702：第一端口开关0711置于b5端口，第二端口开关0716开路，第一射频开关072、第二射频开关074、第三射频开关075连通，第四射频开关077、第五射频开关078均断开；
3)对于第三子切换开关0703：第一端口开关0711闭合，第二端口开关0716闭合，第一射频开关072连通，第二射频开关074、第三射频开关075、第四射频开关077、第五射频开关078均断开。
当由B12切换到B5时，有：
1)对于第一子切换开关0701：第一端口开关0711和第二端口开关0716均开路；
2)对于第二子切换开关0702：第一端口开关0711置于b5端口，第二端口开关0716开路，第一射频开关072、第二射频开关074、第三射频开关075连通，第四射频开关077、第五射频开关078均断开；
3)对于第三子切换开关0703：第一端口开关0711闭合或开路，第二端口开关0716闭合，第一射频开关072、第四射频开关077、第五射频开关078均连通，第二射频开关074、第三射频开关075均断开。
当由B5切换到B13时，有：
1)对于第一子切换开关0701：第一端口开关0711和第二端口开关0716均开路；
2)对于第一子切换开关0701：第一端口开关0711置于b5，第二端口开关0716置于b6，第一射频开关072连通，第二射频开关074、第三射频开关075、第四射频开关077、第五射频开关078均断开；
3)对于第三子切换开关0703：与B12切换到B5时的第三子切换开关0703的状态一致。
当由B13切换到B6时，有：
1)对于第一子切换开关0701：第一端口开关0711和第二端口开关0716均开路；
2)对于第二子切换开关0702：第一端口开关0711开路，第二端口开关0716保持置于b6，第一射频开关072、第四射频开关077、第五射频开关078均连通，第二射频开关074、第三射频开关075均断开；
3)对于第三子切换开关0703：与B12切换到B5时的第三子切换开关0703的状态一致。
当由B6切换到B14时，有：
1)对于第一子切换开关0701：第一端口开关0711和第二端口开关0716均开路；
2)对于第二子切换开关0702：第一端口开关0711置于b7，第二端口开关0716保持置于b6，第一射频开关072连通，第二射频开关074、第三射频开关075、第四射频开关077、第五射频开关078均断开；
3)对于第三子切换开关0703：与B12切换到B5时的第三子切换开关0703的状态一致。
当由B14切换到B7时，有：
1)对于第一子切换开关0701：第一端口开关0711和第二端口开关0716均开路；
2)对于第二子切换开关0702：第一端口开关0711保持置于b7，第二端口开关0716开路，第一射频开关072、第二射频开关074、第三射频开关075连通，第四射频开关077、第五射频开关078均断开；
3)对于第三子切换开关0703：与B12切换到B5时的第三子切换开关0703的状态一致。
当由B7切换到B15时，有：
1)对于第一子切换开关0701：第一端口开关0711和第二端口开关0716均开路；
2)对于第二子切换开关0702：第一端口开关0711保持置于b7，第二端口开关0716置于b8，第一射频开关072、第四射频开关077、第五射频开关078均连通，第二射频开关074、第三射频开关075均断开；
3)对于第三子切换开关0703：与B12切换到B5时的第三子切换开关0703的状态一致。
当由B15切换到B8时，有：
1)对于第一子切换开关0701：第一端口开关0711和第二端口开关0716均开路；
2)对于第二子切换开关0702：第一端口开关0711开路，第二端口开关0716保持置于端口b8，第一射频开关072、第四射频开关077、第五射频开关078均连通，第二射频开关074、第三射频开关075均断开；
3)对于第三子切换开关0703：与B12切换到B5时的第三子切换开关0703的状态一致。
通过上述的方式，使得多波束切换开关可以在B1、B9、B2、B10、B3、B11、B4、B12、B5、B13、B6、B14、B7、B15、B8共15个波束中，从任一个波束切换到与之相邻的另一个波束连续切换，当然也可以按照反方向进行连续切换，即按照B8、B15、B7、B14、B6、B13、B5、B12、B4、B11、B3、B10、B2、B9、B1的顺序。
此时，波束切换控制模块060产生控制指令的方法为：输入波束切换控制模块060中的8个信号波束，并进行编号，分别为B1～B8；相邻编号的波束信号进行合路，产生7个合路信号波束，B9～B15，其中B9＝B1+B2、B10＝B2+B3、B11＝B3+B4、B12＝B4+B5、B13＝B5+B6、B14＝B6+B7、B15＝B7+B8。
通过比较B1～B15的幅值大小，得到幅值最大的信号波束，输出对应的波束切换控制指令。
上面给出了P＝1和P＝2时的多波束切换开关的具体结构以及相应的切换方式，当存在P取更大值时，也可以参照上述的多波束切换开关，得到具体的多波束切换开关结构及相应的切换控制方式。
利用所给出的多波束切换开关及相应控制方式，能够避免传统多波束切换过程中，有信号短时中断的问题。因此，在多波束切换的过程中，至少有一个波束通道是连通的，消除信号的短时中断，提高了多波束切换瞬间的通信可靠性。
综上，本发明的星载多波束切换透明天线，能够有效的提升天线的辐射能力，同时还能够增加星间链路通信时间，提高多波束切换瞬间的通信可靠性。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种星载多波束切换透明天线，其特征在于，包括：
太阳帆板(100)；
天线阵面，设置在所述太阳帆板(100)的向光面上方，与太阳帆板(100)之间具有间隙；所述天线阵面包括用于接收信号的接收天线阵面(200)和用于发射信号的发射天线阵面(300)；所述接收天线阵面(200)和发射天线阵面(300)均包括透明基板(010)、设置在所述透明基板(010)向光面上的微带天线阵(020)和馈电网络(030)、设置在透明基板(010)背光面上的接地面(040)，所述微带天线阵(020)与馈电网络(430)连接，所述微带天线阵(020)、馈电网络(030)和接地面(040)均为透明结构；
天线电路，设置在所述太阳帆板(100)的背光面上，所述天线电路包括与接收天线阵面(200)连接的接收天线电路(400)和与发射天线阵面(300)连接的发射天线电路(500)。
2.根据权利要求1所述的透明天线，其特征在于，所述微带天线阵(020)包括呈矩形阵列设置的M×N个天线单元(021)，沿行方向分布的N个天线单元(021)形成一个N元线阵，每个所述N元线阵通过合路网络(050)与馈电网络(030)的对应端口连接；或，
沿列方向分布的M个天线单元(021)形成一个M元线阵，每个所述M元线阵通过合路网络(050)与馈电网络(030)的对应端口连接；
所述合路网络(050)使得相邻的两个天线单元(021)中信号的相位相差90°。
3.根据权利要求2所述的透明天线，其特征在于，所述馈电网络(030)为巴特勒矩阵多波束馈电网络或平面罗特曼透镜多波束馈电网络。
4.根据权利要求2所述的透明天线，其特征在于，所述微带天线单元(021)、馈电网络(030)、接地面(040)及合路网络(050)均采用金属网格工艺，利用矩形网格或菱形网格离散化，使得微带天线单元(021)、接地面(040)及合路网络(050)呈透明结构。
5.根据权利要求1所述的透明天线，其特征在于，所述太阳帆板(100)包括金属底板(110)、设置在所述金属底板(110)向光面上的若干电池模块(120)，所述金属底板(110)背光面上开有凹槽(130)，所述天线电路设置在所述凹槽(130)中；所述金属底板(110)中开有与凹槽(130)连通的线缆槽(140)，用于设置通信电缆。
6.根据权利要求1所述的透明天线，其特征在于，所述天线阵面通过若干个支撑螺杆(150)设置在金属底板(110)上，所述支撑螺杆(150)位于若干个电池模块(120)之间的缝隙中。
7.根据权利要求1所述的透明天线，其特征在于，所述接收天线电路(400)包括：
低噪放组件(410)，与接收天线阵面(200)的馈电网络(030)的连接，用于将接收信号进行低噪声放大和接收下变频；
定向耦合器组件(420)，与低噪放组件(410)连接，用于产生接收主信号和取样信号；
滤波器组件(430)，与定向耦合器组件(420)连接，用于对取样信号进行滤波；
模数转换器(440)，与滤波器组件(430)连接，用于将滤波后的取样信号转换为数字信号；
波束切换控制模块(060)，与模数转换器(440)连接，根据所述取样信号，输出波束切换控制指令；
接收波束切换开关(450)，与定向耦合器组件(420)和波束切换控制模块(060)连接，根据所述波束切换控制指令对接收波束切换开关(450)进行切换控制，对接收主信号进行选择，得到最终接收信号波束。
8.根据权利要求1所述的透明天线，其特征在于，所述发射电路(500)包括：
波束切换控制模块(060)，根据发信终端的发射信号，输出波束切换控制指令；
发射波束切换开关(510)，与波束切换控制模块(060)连接，根据所述切换控制指令对来自发信终端的发射信号进行选择切换；
发射组件(520)，与发射波束切换开关(510)和发射天线阵面(300)的馈电网络(030)连接，用于将选择后的发射信号波束进行功率放大，经放大后的发射信号经过发射天线阵面(300)的馈电网络(030)进行馈电，然后通过发射天线阵面(300)的微带天线阵(020)发射。
9.根据权利要求7或8所述的透明天线，其特征在于，所述接收波束切换开关(450)和发射波束切换开关(510)均为多波束切换开关，所述多波束切换开关包括级联的P级切换开关组件、合路端口和若干个波束端口，每级切换开关组件分别包括P，P-1，…,1个子切换开关(070)，通过调整子切换开关(070)状态，使得所述多波束切换开关能够进行行波束连续切换，保证至少一个波束端口连通。
10.根据权利要求9所述的透明天线，其特征在于，子切换开关(070)包括：
第一微带线(071)，包括依次连接的第一端口开关(0711)、第一线段(0712)、第二线段(0713)、第三线段(0714)、第四线段(0715)和第二端口开关(0716)，所述第二线段(0713)和第三线段(0714)连接点处设置有第五线段(0717)，所述第一线段(0712)与第四线段(0715)之间设置有第一射频开关(072)；
第二微带线(073)，与所述第二线段(0713)平行耦合，第二微带线(073)的一端通过第二射频开关(074)与第一线段(0712)连接，另一端通过第三射频开关(075)与第五线段(0717)连接；
第三微带线(076)，与所述第三线段(0714)平行耦合，第三微带线(076)的一端通过第四射频开关(077)与第四线段(0715)连接，另一端通过第五射频开关(078)与第五线段(0717)连接。
11.根据权利要求10所述的透明天线，其特征在于，所述子切换开关(070)的状态包括：
当所述第一端口开关(0711)允许通过信号波束时但第二端口开关(0716)禁止通过信号波束时，第一端口开关(0711)闭合，第二端口开关(0716)开路，第一射频开关(072)、第二射频开关(074)、第三射频开关(075)连通，第四射频开关(077)、第五射频开关(078)均断开；
当所述第一端口开关(0711)禁止通过信号波束时但第二端口开关(0716)允许通过信号波束时，第一端口开关(0711)开路，第二端口开关(0716)闭合，第一射频开关(072)、第四射频开关(077)、第五射频开关(078)均连通，第二射频开关(074)、第三射频开关(075)均断开；
当所述第一端口开关(0711)和第二端口开关(0716)均允许通过信号波束时，第一端口开关(0711)闭合，第二端口开关(0716)闭合，第一射频开关(072)连通，第二射频开关(074)、第三射频开关(075)、第四射频开关(077)、第五射频开关(078)均断开。
12.根据权利要求7或8所述的透明天线，其特征在于，波束切换控制模块(060)输出控制指令的方法包括：
输入切换控制模块中的K个信号波束，并进行编号；
相邻编号的波束信号进行合路，产生K-1个合路信号波束；
通过比较2K-1个信号波束的幅值大小，得到幅值最大的信号波束，输出对应的波束切换控制指令。
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