CN114204260A - Q/v频段低轨卫星瓦片式相控阵接收标准子阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Q/V频段低轨卫星瓦片式相控阵接收标准子阵。该子阵包括：天线罩、天线阵面、瓦片式相控阵接收模块、合成网络和壳体；天线罩采用能有效改善大角度扫描圆极化轴比的电磁超材料；天线阵面包含多个天线单元；瓦片式相控阵接收模块以多通道的多功能芯片为主体，芯片内部集成了放大、移相、衰减功能。本发明具有波束切换灵活、同时多波束、大角度扫描低圆极化轴比、集成度及可靠性高、模块化的特点，可自由拼接，为构架任意规模相控阵提供了便利。

Description

Q/V频段低轨卫星瓦片式相控阵接收标准子阵

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，涉及一种Q/V频段低轨卫星瓦片式相控阵接收标准子阵。

背景技术

随着卫星通信的快速发展，相控阵因其在多波束、快速跟踪扫描以及高可靠性方面的优势得到越来越广泛的应用。目前国际商业通信卫星通信载荷在继续使用传统C、Ku频段的基础上，已经逐步向频率更高的Ka频段发展。可预见，未来商业卫星带宽资源需求仍会继续增长，Ka频段的资源也会日趋拥挤。随着通信容量需求不断提升，数据传输量对带宽的需求不断增大，发展Q/V频段的通信载荷技术也就迫在眉睫。

在实际应用中，相控阵雷达分时生成多个方向波束，对多个目标进行照射并跟踪。这种传统的雷达在同一时刻仅照射一个目标，如果两个目标在某个时刻在雷达方位角范围内较近，则发射一个较宽的波束即可照射两个目标。但是这种方法若用于观测同一时刻多个不同方位目标时便不再适用。

在卫星通信中，由于电离层存在，电磁波通过时会出现法拉第旋转效应，而圆极化波能够有效克服法拉第旋转效应所带来的影响，故在卫星通信中常采用圆极化天线。轴比是圆极化天线的一个重要的性能指标，它代表圆极化的纯度，轴比不大于3dB的带宽，定义为天线的圆极化带宽。它是衡量整机对不同方向的信号增益差异性的重要指标，故改善圆极化天线大角度轴比至关重要。天线罩是保护天线系统免受外部环境影响的结构物。它在电气性能上具有良好的电磁波穿透特性，机械性能上能经受外部恶劣环境的作用。室外天线通常置于露天工作，直接受到自然界中暴风雨、冰雪、沙尘以及太阳辐射等的侵袭，由于天线罩是天线系统前面的保护屏障物，所以现有天线罩的重点研究均在透波率与轻量化上，对于如何设计天线罩结构及材料，从而确保大角度扫描时良好的圆极化轴比特性却很少见有记载。

发明内容

为了解决同一时刻多个不同方位目标的观测问题，以及如何确保大角度扫描时良好的圆极化轴比特性的问题，本发明提供了一种Q/V频段低轨卫星瓦片式相控阵接收标准子阵。

为了实现以上目的，本发明提出以下方案：

一种Q/V频段低轨卫星瓦片式相控阵接收标准子阵，包括：天线罩、天线阵面、瓦片式相控阵接收模块和壳体；

天线罩、天线阵面、瓦片式相控阵接收模块自上而下依次设置，且天线阵面、瓦片式相控阵接收模块均位于壳体内部；

天线罩包括罩体以及内嵌于罩体中且呈矩形周期排列的多个金属环组，该周期性排列的金属环组构造了电磁超材料；

天线阵面包括N个正交缝隙耦合馈电的多层贴片宽带微带圆极化天线单元，其中N≥16；

瓦片式相控阵接收模块(3)包括M个相控阵接收子模块，每个相控阵接收子模块中均包括N/M个低噪声放大器、N/M个多功能芯片以及H套N/M路合1的合成器；其中M≥1，H≥2，且M与N的取值需保证N/M为正整数；

N/M个低噪声放大器与N/M个多功能芯片一一对应，用于接收天线单元发送的信号并进行放大处理后输入至多功能芯片；

每个多功能芯片均包括1分H功分器以及H路并行的信号处理通道，每个信号处理通道都集成有放大器、移相器、衰减器以及均衡器；

每个多功能芯片中的1分H路功分器将天线单元输出的信号分成H路后，再经过H路信号处理通道处理，输出H路信号，将所有多功能芯片的H路信号按照顺序编号后分别输出至H套N/M路合1的合成器进行同编号合束；

M个相控阵接收子模块则输出H×M路合束信号，每路合束信号按照顺序编号输出。

进一步地，当M≥2时，该子阵还包括设置在瓦片式相控阵接收模块下方的合成网络，合成网络包括H套M路合1的合成器；H套M路合1的合成器输入为H×M路合束信号，H套M路合1的合成器输出为H路二次合束信号。

进一步地，上述金属环组包括三层大小不同的六边形金属环，三层六边形金属环内嵌高度不同，小环离所述天线阵面最远，大环离所述天线阵面最近；金属环组的外形尺寸随着偏离所述天线阵面中心的距离逐渐变大。

进一步地，上述天线阵面中以2×2个天线单元作为一个阵面子模块，阵面子模块内四个天线单元依次旋转90°。

进一步地，单个天线单元从上到下依次为天线部分、馈线部分和圆极化结构部分。

进一步地，天线部分包括从辐射面、主辐射面、介质腔、第一介质层和第二介质层；介质腔用于增大天线带宽；从辐射面设置在第一介质层上，主辐射面设置在第二介质层上。

进一步地，馈线部分包括具有两个正交矩形缝隙的第一地板、两个正交馈线、第三介质层、第四介质层和第二地板；

第一地板、第三介质层、两个正交馈线、第四介质层和第二地板自上而下依次设置；

第三介质层(2123)和第四介质层(2124)上设计金属化过孔，包围两个正交馈线形成基片集成波导腔。

进一步地，圆极化结构包括自上而下依次设置的第五介质层、3dB电桥、第六介质层以及第三地板；3dB电桥为带状线结构。

进一步地，壳体上设置有H个用于输出二次合束信号的射频接口以及一个用于提供电源和控制信号的电源及控制接口。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明具有波束切换灵活、同时多波束的特点。本发明的天线阵面采用以多个正交缝隙耦合馈电的多层贴片宽带微带圆极化天线单元构成，并结合采用多个相控阵接收子模块组成的瓦片式相控阵接收模块，能够实现同一时刻对多个不同方位目标进行观测，大大提升了天线的观测效率。

2、本发明具有大角度扫描低圆极化轴比的特点。本发明采用呈矩形周期排列的多个金属环组和罩体构成天线罩，通过天线罩内部周期性排列的多个金属环组构造了电磁超材料，补偿了大角度扫描时阵元间的相位差异，能有效改善波束扫描大角度圆极化轴比性能。

3、本发明具有可靠性高、易维修的特点。本发明采用多功能芯片方案，一个相控阵接收子模块包含多个多功能芯片，可以有效的简化芯片外围电路和互联工序、缩减芯片电路面积，提高组件集成度和综合性能，使组件单个通道电路占有空间减小，实现瓦片式组件高密度集成、低成本设计，解决瓦片式相控阵天线横向空间受限的问题。同时每个子阵模块相互独立，可以单独进行调试。如果出现故障，可以方便地拆卸任一子阵进行维修或更换，从而提高设备的维修性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明的三维爆炸视图；

图2为天线罩的三维视图；

图3为天线罩的俯视图；

图4为单个天线单元的三维爆炸视图；

图5为天线子模块的三维爆炸视图；

图6为相控阵接收子模块的原理示意图；

附图标记如下：

1-天线罩、11-罩体、12-金属环组；

2-天线阵面；21-天线单元、211-天线部分、2111-从辐射面、2112-主辐射面、2113-介质腔、2114-第一介质层、2115-第二介质层、212-馈线部分、2121-第一地板、2122-两个正交馈线、2123-第三介质层、2124第四介质层、2125-第二地板、213-圆极化结构、2131-第五介质层、2132-3dB电桥、2133-第六介质层、2134-第三地板；

3-瓦片式相控阵接收模块；

4-合成网络；5-壳体；

6-射频接口；7-电源及控制接口。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接：同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，一种Q/V频段低轨卫星瓦片式相控阵接收标准子阵，包括：天线罩1、天线阵面2、瓦片式相控阵接收模块3、合成网络4和壳体5；

天线罩1、天线阵面2、瓦片式相控阵接收模块3、合成网络4自上而下依次设置；

如图2、3所示，天线罩1包括罩体11以及内嵌于罩体11中且呈矩阵周期排列的多个金属环组12(本实施例中金属环组的个数为16)，通过该周期性排列的16个金属环组构造了电磁超材料；每个金属环组12包括三层大小不同的六边形金属环，三层六边形金属环内嵌高度不同，小环离所述天线阵面2最远，大环离所述天线阵面2最近；16个金属环组12的外形尺寸随着偏离所述天线阵面2中心的距离逐渐变大，通过调节每个金属环组12的尺寸可补偿波束扫描引起的相位偏差，保证大角度扫描时良好的圆极化轴比特性。

天线阵面2包括N个正交缝隙耦合馈电的多层贴片宽带微带圆极化天线单元(本实施例中天线单元的个数为64个)，且每2×2个天线单元作为一个阵面子模块(即阵面子模块的个数为16个)；

如图4所示，单个天线单元21从上到下依次为天线部分211、馈线部分212和圆极化结构部分213。

天线部分211包括从辐射面2111(图4中圆形片)、主辐射面2112(图4中方形片)、介质腔2113、第一介质层2114和第二介质层2115，介质腔2113用于增大天线带宽。

馈线部分212包括具有两个正交矩形缝隙(图4中A1和A2为两个正交的矩形缝隙)的第一地板2121、两个正交馈线2122、第三介质层2123、第四介质层2124和第二地板2125，第一地板2121也作为天线单元的地板，在第三介质层2123和第四介质层2124上设计金属化过孔，包围两个正交馈线，形成基片集成波导腔。

圆极化结构213包括第五介质层2131、3dB电桥2132、第六介质层2133以及第三地板2134；

两个正交馈线2122通过两个正交矩形缝隙耦合能量，激励起两种正交模式，实现垂直和水平极化工作状态，当两个正交馈线馈入能量幅度相等，相位相差±90°时，天线单元工作于左旋圆极化或右旋圆极化状态。该天线单元21通过带状线结构的3dB电桥2132实现圆极化特性。

其中，从辐射面2111、主辐射面2112、第一地板2121、两个正交馈线2122、第二地板2125、3dB电桥2132、以及第三地板2134为7个金属层；

介质腔2113、第一介质层2114、第二介质层2115、第三介质层2123、第四介质层2124、第五介质层2131、以及第六介质层2133为7个介质层。

如图5所示，每个阵面子模块中，四个天线单元依次旋转90°，从而可一步拓宽及改善圆极化轴比特性。

瓦片式相控阵接收模块3包括M个相控阵接收子模块(本实施例中相控阵接收子模块的个数为4)；

如图6所示，每个相控阵接收子模块中均包括N/M个低噪声放大器、N/M个多功能芯片以及H套N/M路合1的合成器；(本实施例中，由于N＝64、M＝4，H＝4，则本实施例中低噪声放大器和多功能芯片均为16个,16路合1的合成器为4个)；

16个低噪声放大器与16个多功能芯片一一对应，低噪声放大器用于接收天线单元发送的信号并进行放大处理后输入至多功能芯片；

每个多功能芯片均包括1分4路功分器以及4路并行的信号处理通道，每个信号处理通道都集成有放大器、移相器、衰减器以及均衡器，

每个多功能芯片中的1分4功分器将天线单元输出的信号分成4路后，经过多功能芯片内的4路信号处理通道处理后输出4路信号，将所有多功能芯片的4路信号按照顺序编号后分别输出至4套16路合1的合成器进行同编号合束；

最终4个相控阵接收子模块则输出16路合束信号，每路合束信号按照顺序编号输出至合成网络；

合成网络4包括H套M路合1的合成器(本实施例为4套4路合1的合成器)，4套4路合1的合成器将4个相控阵接收子模块输出的编号相同的合束信号再次进行合束，形成4路二次合束信号；

壳体5为支撑主体，天线阵面2、瓦片式相控阵接收模块3、合成网络4自上而下依次位于壳体5内部，壳体5上设置H个有SMP连接器的射频接口6(本实施例中射频接口6的数量为4，4路二次合束信号分别通过一个射频接口6向外输出)以及一个J30J连接器的电源控制接口7。

本实施例为瓦片式相控阵接收标准子阵可以积木式拼搭扩展，自由拼接，灵活设计，便捷的构架任意规模相控阵。

基于上述对Q/V频段低轨卫星瓦片式相控阵接收标准子阵结构的描述，现对该标准子阵的工作原理进行以下介绍：

该标准子阵工作的具体过程为：

信号穿过天线罩1到达天线阵面，由天线阵面2接收，每个天线单元21输出一个圆极化波，每个多功能芯片对接一个天线单元21输出的天线端口，该多功能芯片先进行功分，再对每一路通道进行移相、衰减以及放大后输出4路信号，该4路信号按照顺序编号；

将16个多功能芯片输出编号相同的信号合束成一路，最终一个相控阵接收子模块输出4路合束信号，则4个相控阵接收子模块共输出16路合束信号，每路合束信号按照顺序编号；

合成网络4将4个相控阵接收子模块输出的编号相同的合束信号再次进行合束，形成四路二次合束信号，每路二次合束信号通过一个射频接口6向外输出。

此处需要强调一点是：如果该实施例中瓦片式相控阵接收模块3仅包括1个相控阵接收子模块，则不需要合成网络4进行二次合束处理，瓦片式相控阵接收模块3直接将信号通过射频接口6向外输出

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种Q/V频段低轨卫星瓦片式相控阵接收标准子阵，其特征在于，包括：天线罩(1)、天线阵面(2)、瓦片式相控阵接收模块(3)和壳体(5)；

天线罩(1)、天线阵面(2)、瓦片式相控阵接收模块(3)自上而下依次设置，且天线阵面(2)、瓦片式相控阵接收模块(3)均位于壳体(5)内部；

天线罩(1)包括罩体(11)以及内嵌于罩体(11)中且呈矩形周期排列的多个金属环组(12)，该周期性排列的金属环组构造了电磁超材料；

天线阵面(2)包括N个正交缝隙耦合馈电的多层贴片宽带微带圆极化天线单元(21)，其中N≥16；

瓦片式相控阵接收模块(3)包括M个相控阵接收子模块，每个相控阵接收子模块中均包括N/M个低噪声放大器、N/M个多功能芯片以及H套N/M路合1的合成器；其中M≥1，H≥2，且M与N的取值需保证N/M为正整数；

N/M个低噪声放大器与N/M个多功能芯片一一对应，用于接收天线单元发送的信号并进行放大处理后输入至多功能芯片；

每个多功能芯片均包括1分H功分器以及H路并行的信号处理通道，每个信号处理通道都集成有放大器、移相器、衰减器以及均衡器；

每个多功能芯片中的1分H路功分器将天线单元输出的信号分成H路后，再经过H路信号处理通道处理，输出H路信号，将所有多功能芯片的H路信号按照顺序编号后分别输出至H套N/M路合1的合成器进行同编号合束；

M个相控阵接收子模块则输出H×M路合束信号，每路合束信号按照顺序编号输出。

2.如权利要求1所述的Q/V频段低轨卫星瓦片式相控阵接收标准子阵，其特征在于：当M≥2时，该子阵还包括设置在瓦片式相控阵接收模块(3)下方的合成网络(4)，合成网络包括H套M路合1的合成器；H套M路合1的合成器输入为H×M路合束信号，H套M路合1的合成器输出为H路二次合束信号。

3.如权利要求2所述的Q/V频段低轨卫星瓦片式相控阵接收标准子阵，其特征在于：所述金属环组(12)包括三层大小不同的六边形金属环，三层六边形金属环内嵌高度不同，小环离所述天线阵面(2)最远，大环离所述天线阵面(2)最近；金属环组12的外形尺寸随着偏离所述天线阵面(2)中心的距离逐渐变大。

4.如权利要求3所述的Q/V频段低轨卫星瓦片式相控阵接收标准子阵，其特征在于：所述天线阵面中以2×2个天线单元作为一个阵面子模块，阵面子模块内四个天线单元依次旋转90°。

5.如权利要求1-4任一权利要求所述的Q/V频段低轨卫星瓦片式相控阵接收标准子阵，其特征在于：单个天线单元(21)从上到下依次为天线部分(211)、馈线部分(212)和圆极化结构部分(213)。

6.如权利要求5所述的Q/V频段低轨卫星瓦片式相控阵接收标准子阵，其特征在于：天线部分(211)包括从辐射面(2111)、主辐射面(2112)、介质腔(2113)、第一介质层(2114)和第二介质层(2115)；介质腔(2113)用于增大天线带宽；从辐射面(2111)设置在第一介质层(2114)上，主辐射面(2112)设置在第二介质层(2115)上。

7.如权利要求5所述的Q/V频段低轨卫星瓦片式相控阵接收标准子阵，其特征在于：馈线部分(212)包括具有两个正交矩形缝隙的第一地板(2121)、两个正交馈线(2122)、第三介质层(2123)、第四介质层(2124)和第二地板(2125)；

第一地板(2121)、第三介质层(2123)、两个正交馈线(2122)、第四介质层(2124)和第二地板(2125)自上而下依次设置；

第三介质层(2123)和第四介质层(2124)上设计金属化过孔，包围两个正交馈线形成基片集成波导腔。

8.如权利要求5所述的Q/V频段低轨卫星瓦片式相控阵接收标准子阵，其特征在于：圆极化结构(213)包括自上而下依次设置的第五介质层(2131)、3dB电桥(2132)、第六介质层(2133)以及第三地板(2134)；

3dB电桥(2132)为带状线结构。

9.如权利要求1所述的Q/V频段低轨卫星瓦片式相控阵接收标准子阵，其特征在于：所述壳体上设置有H个用于输出二次合束信号的射频接口(6)以及一个用于提供电源和控制信号的电源及控制接口(7)。

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