CN115777162A - 用于leo卫星通信的天线和天线系统 - Google Patents

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Abstract

实施例涉及天线。特别地，实施例涉及适合于部署为例如低地球轨道(LEO)卫星等卫星的部分的天线。一些实施例涉及用于LEO卫星的天线阵列。

Description

用于LEO卫星通信的天线和天线系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年5月1日提交的第2020901388号澳大利亚临时专利申请以及于2021年1月15日提交的第2021900079号澳大利亚临时专利申请的优先权，所述澳大利亚临时专利申请中的每一者的内容以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
实施例涉及天线。特别地，实施例涉及适合于部署为例如低地球轨道(LEO)卫星等卫星的部分的天线。一些实施例涉及用于LEO卫星的天线阵列。
背景技术
意图在卫星中使用的天线会受到相当大的物理约束。所述物理约束涉及用于合并天线的卫星中可用的有限空间，以及对卫星质量的实际或成本限制。所述约束可通过使用微型或纳米卫星而进一步放大，所述微型或纳米卫星在尺寸上较小并且需要尽可能为轻量。不管物理约束如何，现代通信系统要求更大通信效率、低功耗、在更大频率带宽上的改进扫描性能和操作。
需要解决或改善先前天线或天线系统的一个或多个缺点或不足，或至少向其提供有用的替代方案。
不应由于对已包含在本说明书中的文件、动作、材料、装置、物件等的任何论述在本申请的每一权利要求的优先权日之前便已存在而承认任何或所有这些内容形成现有技术基础的部分，或为与本公开相关的领域中的公共常识。
在整个本说明书中，词语“包括(comprise)”或例如“包括(comprises或comprising)”等变化形式将理解为暗示包括所陈述的元件、整数或步骤，或元件、整数或步骤的群组，但不排除任何其它元件、整数或步骤，或元件、整数或步骤的群组。
发明内容
一些实施例涉及一种天线，其包括：
底座；
第一天线贴片主体；以及
第二天线贴片主体，其安置成大体上平行于所述第一天线贴片主体且与所述第一天线贴片主体间隔开；
其中所述第一和第二天线贴片主体沿着中心轴线对准且耦合到所述底座；并且
其中所述第一和第二天线贴片主体中的每一者限定表面波纹。
一些实施例的所述第一天线贴片主体和所述第二天线贴片主体可通过耦合到所述底座的中心支柱而保持为间隔开的关系。在一些实施例中，所述第一和第二天线贴片主体可通过所述中心支柱耦合到所述底座。在一些实施例中，所述中心支柱可与所述第一和第二天线贴片主体中的一者或两者一体地形成。
一些实施例的所述天线可形成为堆叠式贴片配置。
一些实施例的所述底座形成围绕所述第一和第二天线贴片主体而不围绕上部侧的大体上正方形的杯，所述杯包含从所述底座朝向所述上部侧突出的第一、第二、第三和第四侧壁。
一些实施例的所述第一天线贴片主体可定位成更接近于所述底座且具有比所述第二天线贴片主体大的横向长度。
一些实施例的所述第一和第二天线贴片主体可包含不具有波纹的中心区。
在一些实施例中，所述第一天线贴片主体可具有安置在朝向所述第一天线主体的外部横向边缘的间隔开位置处的两个探针耦合部分。
在一些实施例中，所述第一和第二天线贴片主体在所述第一和第二天线贴片主体耦合到所述底座之处的外部的区域以及除所述两个探针耦合部分处以外的区域中具有大体上相同的厚度。一些实施例的所述表面波纹可以浅角度形成。
所述第一天线贴片主体的所述表面波纹可与所述第二天线贴片主体的所述表面波纹对准，以使得所述第一和第二天线贴片主体的间隔在平行于所述中心轴线的方向上大体上恒定。
一些实施例的所述第一和第二天线贴片主体可一体地形成为单式主体的部分。一些实施例的所述单式主体可包含与所述中心轴线对准的中心耦合部分。在一些实施例中，所述单式主体可通过3D打印形成。一些实施例的所述第一和第二天线贴片主体可由铝或铝合金形成。
一些实施例的所述天线可具有约5至30mm的横向长度和宽度以及约1至5mm的深度。
一些实施例涉及一种贴片天线阵列，其包括邻近地定位的天线中的多个天线。在一些实施例中，所述天线中的所述多个天线被布置成形成阵列。在一些实施例中，邻近天线中的所述第一天线贴片主体之间的间隔可大体上均匀。一些实施例的所述邻近天线可共享杯壁。在一些实施例中，所述贴片天线阵列可具有可充当每一天线的所述底座的单式底座。
在一些实施例中，所述贴片天线阵列可进一步包括邻近于所述贴片天线阵列安装以用于允许每一天线的校准的调谐元件。
在一些实施例中，每一天线的所述底座限定第一和第二探针容纳部分以接收相应第一和第二探针，所述第一和第二探针耦合到所述第一贴片天线主体，其中所述第一和第二探针容纳部分相对于所述中心轴线而间隔开90°。一些实施例的每一天线的所述底座可在所述底座的与相应第一和第二探针容纳部分相对的侧面上限定第一和第二RF平衡部分。
一些实施例涉及一种用于堆叠式贴片天线的天线贴片主体，所述天线主体可形成为单式主体，所述单式主体包含第一天线贴片主体、第二天线贴片主体以及将所述第一天线贴片主体接合到所述第二天线贴片主体的中心部分，其中所述第一和第二天线贴片主体可大体上彼此平行且彼此间隔开。在一些实施例中，所述单式主体可通过3D打印形成。在一些实施例中，所述单式主体可由铝或铝合金形成。在一些实施例中，所述中心部分可限定孔以允许所述天线贴片主体耦合到天线底座。
在一些实施例中，所述中心部分可包含可向内朝向所述第一和第二天线贴片主体之间的轴向中间位置汇聚的汇聚壁部分。所述汇聚壁部分可安置在所述中心部分的一侧上。一些实施例的所述中心部分可具有穿过所述汇聚壁部分的中部的矩形横截面轮廓。在一些实施例中，所述矩形横截面轮廓可从所述第一或第二天线贴片主体的平行横截面轮廓成角度地偏移。所述中心部分可具有穿过所述汇聚壁部分的与所述中部间隔开的部分的非矩形横截面轮廓。
一些实施例涉及一种天线，其包括：底座；以及天线贴片主体，其经由所述中心部分耦合到所述底座。
一些实施例涉及一种天线，其包括：
底座；
第一天线贴片主体；
第二天线贴片主体，其安置成大体上平行于所述第一天线贴片主体且与所述第一天线贴片主体间隔开；以及
第一、第二、第三和第四直壁，其在所述第一和第二天线贴片主体的相应四个侧上从所述底座突出；
其中所述第一和第二天线贴片主体沿着中心轴线对准且耦合到所述底座；并且
其中当在所述中心轴线的方向上查看时，所述第一和第二天线贴片主体具有矩形轮廓。
在一些实施例中，所述第一天线贴片主体可定位成更接近于所述底座且可具有比所述第二天线贴片主体大的横向长度。
在一些实施例中，气隙可使所述第一和第二天线贴片主体在所述中心部分的径向外部的位置处分离。在一些实施例中，所述气隙可使所述第一和第二天线主体在平行于所述中心轴线的方向上间隔开大体上固定的距离。
一些实施例涉及一种LEO卫星，其具有安装在其上的：至少一个天线或贴片天线阵列。
一些实施例涉及一种用于形成天线贴片主体的方法，其包含将可由3D打印机执行的打印模型传输到所述3D打印机以打印所述天线贴片主体。
一些实施例涉及一种组装LEO卫星的方法，其包含在所述LEO卫星的底盘的外部面上安装：天线阵列或根据所述实施例的所述天线中的多个天线。
附图说明
图1是根据一些实施例的LEO卫星通信系统的框图；
图2是根据一些实施例的贴片天线阵列的平面视图；
图3是根据一些实施例的天线阵列元件的平面视图；
图4是根据一些实施例的天线阵列元件的另一平面视图；
图5是图4的天线阵列元件的侧面横截面视图；
图6是根据一些实施例的探针部分天线阵列元件的特写横截面侧视图；
图7是根据一些实施例的天线阵列元件的接地平面的俯视图；
图8是根据一些实施例的天线阵列的平面视图；
图9是根据一些实施例的天线元件的侧面横截面视图；
图10是根据一些实施例的图9中所展示的天线元件的探针耦合区的放大侧面横截面视图；
图11是根据一些实施例的天线元件的仰视图；
图12是图8中所展示的天线阵列的侧视图；
图13是根据一些实施例的单个天线的侧面横截面视图；
图14是根据一些实施例的天线的中心部分的横截面视图；
图15是下部天线贴片元件和中心部分的横截面视图，其中在图9的天线元件的上部贴片与下部贴片之间的点处截取所述截面；
图16是图9的天线元件的下部天线贴片元件和中心部分的透视横截面视图，其中在紧接在上部天线贴片元件下方的点处截取所述截面；
图17是根据一些实施例的天线阵列的一部分的透视图，其进一步详细地展示调谐元件；
图18是根据一些实施例的天线阵列的一部分的透视图，其进一步详细地展示调谐元件；
图19是根据一些实施例的天线阵列的一部分的侧视图，其进一步详细地展示调谐元件；
图20A、20B和20C示出根据一些实施例的天线阵列的探针元件；
图21是根据一些实施例的天线阵列的接地平面的后视图；
图22是根据一些实施例的天线阵列的底座的俯视图或平面视图，其展示在天线阵列的一个天线安装区段中接收到的天线元件；
图23是示出根据一些实施例的用于单个天线的微带导电电路层的示意图；
图24是根据一些实施例的用以示出定位在接地平面上方的微带导电电路层的天线阵列的后侧的局部透视图；
图25是根据一些实施例的装配有安装层并展示范例性电缆位置的天线阵列的后视图；以及
图26是根据一些实施例的装配有天线阵列的范例性LEO卫星的透视图。
具体实施方式
实施例大体上涉及天线。一些实施例涉及单个天线的特征。特别地，实施例涉及适合于部署为例如低地球轨道(LEO)卫星等卫星的部分的天线。一些实施例涉及用于LEO卫星的天线阵列，并且一些实施例涉及包含此类天线阵列的LEO卫星。对于上下文，展示并关于图1描述包含范例性天线阵列的范例性LEO卫星系统。
图1是根据一些实施例的LEO卫星通信系统100的框图。LEO通信系统100包括地面组件和卫星组件两者，所述地面组件和卫星组件被配置成彼此通信以提供通信服务。LEO通信系统100包括一个或多个LEO卫星110；一个或多个远程地面通信系统120，以及与网络150通信的至少一个地面站130，客户端装置140可通过所述网络与通信系统100交互。通信系统100的一个目标是使由远程地面通信系统120搜集的数据对于客户端装置140为易于获得的(尽管在高时延下)，同时处理从远程位置通过LEO卫星110向客户端装置140传送信息的通信约束。
远程地面通信系统120包括传感器装置网络122，所述传感器装置网络可被配置成例如与地面网关121无线地通信。传感器装置网络122可包括位于远程区域中的若干或许多传感器装置，举例来说，在所述远程区域中，例如因特网或蜂窝式网络等常规通信网络可能不可用。此类远程区域可包含例如矿场、远程农业用地、远程科研站。举例来说，传感器装置可被配置成感测各种环境条件、机器状态或可用于跟踪牛的移动。举例来说，传感器装置网络122可在约700km2的区域上方延伸。地面网关装置121接收并存储由传感器装置网络122的传感器装置传输的信息。地面网关装置121还充当传感器装置网络122中的装置与LEO卫星110之间的信息中继装置。
LEO卫星110包括带有天线阵列117的通信系统、射频前端115、数字逻辑处理装置114、处理器112、与处理器112通信的存储器113，以及数据处置子系统116。LEO卫星110还包括电力管理子系统111。
天线阵列117包括两个或更多个天线元件，每一天线元件是能够接收或传输或既能接收又能传输无线电波或信号的独立天线。多个天线元件实现LEO卫星110的通信系统的空间滤波或波束成形能力。
LEO卫星110还包括射频前端115，所述射频前端对由天线阵列117接收到的信号执行预处理或对提供到天线阵列117以供传输的信号执行处理。举例来说，所述处理可包括将模拟信号转换成数字信号或反之亦然、对信号进行信道化，以及对信号的特定频带进行选择或拒绝。
可重新配置的数字逻辑处理装置114包括经由可编程互连件连接的可配置逻辑块(CLB)的矩阵。可重新配置的数字逻辑处理装置114可被动态地重新编程以提供所要应用程序或通过通信系统100提供通信服务所需的功能性。CLB可被重新配置成实施各种数字逻辑处理能力。CLB可被配置成通过恰当地编程互连件以实施复杂的逻辑运算而彼此合作地操作。有利的是，可重新配置的数字逻辑处理装置114可被动态地重新配置以考虑到LEO卫星在轨道期间的位置变化以及随之而来的对由LEO卫星的通信系统执行的空间滤波的需求的变化。在一些实施例中，可重新配置的数字逻辑处理装置114可为或包含现场可编程门阵列(FPGA)。
LEO卫星110还包括与存储器113和可重新配置的数字逻辑处理装置114通信的至少一个处理器112。处理器112具有根据存储在存储器113中的指令和数据来重新配置可重新配置的数字逻辑处理装置114的能力。在一些实施例中，LEO卫星110可经由链路170从地面站130接收命令或指令。所述命令可包含以下指令：重新配置可重新配置的数字逻辑处理装置114以满足LEO卫星110与一个或多个远程地面通信系统120之间的变化的通信要求。用以在LEO卫星110处于轨道中时重新配置可重新配置的数字逻辑处理装置114的能力在使用所描述的实施例提供卫星通信服务时提供了相当大的灵活性。
存储器113包括与LEO卫星110有关的轨道计划数据118。轨道计划数据118包含与在LEO卫星110穿越其轨道时LEO卫星110随时间相对于地球和各种远程地面通信系统120的计划位置有关的数据。轨道计划数据118还包括参考了指示在某一时间段内轨道中的LEO卫星110的计划位置的星历表记录(存储在存储器113中)的天线阵列配置记录，以及与关于星历表记录而定义的每一天线元件相关联的阵列因子系数或权重。与每一天线元件相关联的阵列因子系数或权重(在特定时间)定义数学运算，所述数学运算待由可重新配置的数字逻辑处理装置114执行以处理由每一天线元件接收到的信号或处理提供到每一天线元件以供传输的信号。阵列因子系数或权重是包括实数系数和虚数系数的复数。可由可重新配置的数字逻辑处理装置114使用存储在存储器113中的阵列因子系数或权重来执行数学运算。
至少一个处理器112被配置成执行存储在存储器113中的软件程序代码以周期性地检查LEO卫星110的当前计划轨道位置和/或实际确定的轨道位置，并且接着存取与当前(确定)轨道位置相关联的轨道计划数据以确定待提供到可重新配置的数字逻辑处理装置114的阵列因子系数以用于在下一(接续)时间段内的信号传输和/或接收。阵列因子系数的复位(以及因此对以数字方式形成的波束或零陷波束的重导向)可根据与LEO卫星110的所确定位置相对应的星历表数据而频繁地发生。这意味着，在LEO卫星110在特定地面区域上经过的期间，阵列因子系数可在经过周期(例如，200至250秒，任选地约240秒)内复位多次，同时LEO卫星在所述特定区域的范围内。在经过周期内针对特定区域将阵列因子系数复位多次会引起成角度地调整LEO卫星110的一个或多个形成或零陷波束以考虑到相对于特定区域的卫星移动。这允许调整卫星的形成或零陷波束以更好地跟踪并瞄准特定地面区域以用于改进通信效率。在一些实施例中，可根据用于经过已知地面区域(含有用于通信的目标装置的场)的星历表数据来设定阵列因子系数，并且将阵列因子系数维持计划时间(例如，用于所述目标地面区域的整个经过周期)，同时以数字方式形成的或零陷波束经过所述区域。接着可根据用于LEO卫星计划经过的下一目标地面区域的星历表数据来复位阵列因子系数。
地面站130是被设计成用于从LEO卫星110中的每一者接收并传输信号或无线电波的地面无线电站。地面站130包括用以与LEO卫星110通信的合适天线以及用以将从LEO卫星110接收到的数据传送到网络150的合适网络接口组件。网络150可为或包含数据网络，例如因特网，客户端装置140可经由所述数据网络接收或存取由地面站130接收到的数据。客户端装置140可为例如计算机服务器或终端用户计算装置，例如台式计算机、膝上型计算机、智能手机或平板计算机。
图2是根据一些实施例的通信系统的贴片天线阵列200的范例性平面视图。贴片天线阵列200展示为线性阵列。线性阵列的天线元件沿着一个线性维度定位，即，天线元件沿着一条线定位以形成贴片天线阵列。贴片天线阵列200展示为位于由LEO卫星110的底盘限定或安装在所述地盘上的共同底座平面上的天线元件阵列。贴片天线阵列200的每一天线元件或贴片天线202a、202b、202c、202d具有杯形的堆叠式贴片配置。在一些实施例中，天线元件或贴片202a、202b、202c、202d可彼此均匀地间隔开。天线阵列200还可包括两个同轴探针210和220。探针210和220彼此正交(即，相隔90度)，并且可轴向固定以在LEO卫星110的发射期间承受振动。
在一些实施例中，例如如图2中所展示，对于与6U CubeSat一起使用，天线阵列200可具有4个线性对准的天线元件，其中例如总体尺寸为约81mm(宽度)×301mm(长度)×15mm(深度/厚度)。在其它实施例中，宽度、长度和深度尺寸可稍微变化，同时保持在天线阵列将安装至的LEO底盘的尺寸约束内。在一些实施例中，可替代地使用例如矩形阵列、L形阵列或圆形阵列来实施天线阵列117。均匀或非均匀距离可用以使矩形阵列或圆形阵列的天线元件间隔开。
图3是根据一些实施例的天线阵列200的范例性天线阵列元件或天线202a的平面视图。探针220和210分别在下部(激励)贴片上的点Y和X处与天线阵列元件202a接触。
图4是根据一些实施例的天线阵列200的范例性天线阵列元件202a的另一平面视图。图4示出第一(上部)条带/贴片410、第二(下部)条带/贴片420以及杯430。杯430嵌入或定位或并入在LEO卫星110的底盘的外部表面上。为了较大机械稳定性，可用较薄贴片来压印贴片410和420。两个贴片410和420由中心支柱440机械地支撑。经由两个正交同轴探针220和210来电激励下部贴片420。在一些实施例中，下部贴片可由非接触式电磁耦合件通过近程探针(电容耦合激励)或经由在接地平面中制造的槽(孔口耦合激励)来激励。
在一些实施例中，在贴片420下方具有微带混合网络(例如参见图23)。微带混合网络可创建两个端口，一个为右旋圆极化(RHCP)端口且另一个为左旋圆极化(LHCP)端口。合并左旋或右旋圆极化的传输会允许同时传输两个独立信号，每一极化上各一个，因为所传输的信号包括正交平面中的振荡，而不是单个极化传输的单个平面中的振荡。响应于与信号反射或缺乏到传输目标的清晰视线相关联的问题，圆极化传输更加稳固。
图5是图4中所展示的天线阵列元件202a的侧面横截面视图。杯430具有底座和围绕贴片410、420的四个侧壁，以限定杯的开放顶部。杯430具有在底座中的间隔开的开口510，探针210、220两者朝向贴片410和420分别穿过所述开口。
图6是根据一些实施例的天线阵列200的天线阵列元件202a的探针部分600的特写横截面侧视图。探针部分600包括同轴探针630和650。在一些实施例中，同轴探针或探针630和650可具有50欧姆的电阻。探针由铁氟龙(Teflon)套管610包围，所述铁氟龙套管又由铝地面底座660包围。在探针的底部，部分为接地平面640。在接地平面640与LEO卫星110的底盘的表面之间具有微带620。在一些实施例中，微带620可具有50欧姆的电阻。根据一些实施例，在同轴探针630的底部处具有晶须铜线670。晶须铜线670将探针630和650连接到微带620。在一些实施例中，可使用Sn96/Ag4合金焊料来焊接晶须铜线670。支撑微带620的电介质可例如为具有电介质厚度508μm(约0.5mm)的Rodgers RT-Duroid 6002(介电常数2.94)，并且在17μm(0.017mm)的铜厚度下在两侧上金属化。
图7是根据一些实施例的天线阵列元件202a的接地平面700的俯视图。接地平面金属化700限定经蚀刻区域或不连续区域710，以使得由电介质610支撑的激励探针不接触接地平面700。
本文中所公开的各种实施例的相控天线阵列有利地适合于在多个方向上创建多个同时传输或接收波束(或用于波束无效)。这增加了LEO卫星110的通信效率。
在与6U CubeSat有关的实施例中，对6U选定卫星底盘平台的空间限制使得需要将天线阵列拟合到卫星主体的一侧上的最大310×90×14mm3体积中。
为了执行阵列波束扫描，阵列中的辐射元件不应任意地分离，但应具有随阵列波束扫描角范围而变的间隔距离。如果天线元件到天线元件间隔太大，那么光栅瓣(其为一种寄生辐射瓣)可出现在天线辐射方向图中。此类光栅瓣可对天线系统的性能有害并且会降低信号传输效率，这可最终不利地影响整个卫星的性能。
在基于6U底盘的一些实施例中，75mm的(中心到中心)天线元件到天线元件间隔可用于S波段频率中的通信。邻近天线元件的邻近边缘可例如间隔约3mm至约5mm。在一些实施例中，相比于RF性能(即，避免光栅瓣)，卫星上的天线容纳可能更多地是性能限制因素。如果天线阵列在卫星上的空间容纳允许此类天线元件到天线元件间隔，那么天线阵列的所要RF性能可维持在接收模式，其中天线元件到天线元件间隔为78mm而无显著变化。
一般说来，当元件较小和/或轮廓极低时，就带宽来说，贴片天线的性能在带宽方面会降低。为了实现如本文中所描述的6U卫星实施例的卫星通信功能性所需的RF性能，但具有可适配至具有75mm的最大长度的阵列单元中的元件，可在贴片辐射器的横截面中形成纵向压缩或表面变化或波或波纹以增加其RF电长度，同时维持减小的机械长度。贴片表面的波状或波纹允许若干百分比的物理贴片尺寸减小，但这可足以允许CubeSat底盘的受约束物理空间内的所要RF性能。
然而，贴片表面的波或波纹图案化可引发制造挑战，因为其不适合于贴片天线辐射器的常规机械加工。根据一些实施例，贴片天线在具有波或波纹图案化的铝中的3D打印可用于制造贴片天线。然而，由于贴片天线的形状和性质以及3D打印机和过程的当前物理约束，波状或波纹状贴片的3D打印具有挑战性。
图8是根据一些实施例的天线阵列800的俯视图的示意图。天线阵列800包括4个天线810。在一些实施例中，天线阵列800可包括2个、3个或多于4个天线810。每一天线810可包括至少两个元件或贴片、寄生元件/贴片(820)和激励元件/贴片(图9中的910)。在一些实施例中，每一天线810可包括多于一个寄生贴片。寄生贴片和激励贴片可大体上彼此平行地安置。在通过天线阵列800进行传输期间，激励元件从馈送管线接收信号进料并且基于其接收的进料而产生传输辐射。寄生元件被设计成与激励元件谐振并且改进由每一天线810产生的辐射方向图的方向性和增益。寄生元件还改进了在较大频率带宽上由每一天线产生的辐射方向图的方向性和增益。类似地，对于接收信号，寄生元件改进由每一天线810接收到的辐射方向图的质量和强度，并且增加辐射元件频率带宽。
天线阵列800还包括调谐元件830以充当校准探针。调谐元件830用以在天线阵列800展开之后调谐RF前端115和/或可重新配置的逻辑处理装置114的处理逻辑。调谐元件830可在调谐(校准)过程期间产生传输或接收由每一天线元件810传输的信号。基于每一天线元件810对由调谐元件830进行的传输的响应和/或调谐元件830对由每一天线元件810进行的传输的响应，可优化RF前端115或可重新配置的数字逻辑处理装置114中的各种信号处理参数/配置以调谐每一天线元件810。在一些实施例中，调谐元件830可由黄铜制成，并且馈送管线(例如，同轴电缆)可经提供以将调谐元件830连接到RF前端115。
在天线阵列800中，天线810线性地布置以形成线性天线阵列。在一些实施例中，天线810可以二维图案布置以形成非线性阵列。举例来说，在一些实施例中，天线810可以4×3的二维阵列图案(包含12个天线810)布置。在一些实施例中，天线810可以4×N的二维阵列图案布置。在天线阵列800中，每一天线元件810彼此等距地间隔开以形成线性天线阵列800。在一些实施例中，形成天线阵列的一部分的天线810可不彼此等距地间隔开。天线810提供形成可与LEO卫星的特定底盘相关联的特定部署约束的不同定向的天线阵列的灵活性。
根据一些实施例，每一天线810可具有约5至30mm的横向长度和宽度。根据一些实施例，每一天线810可具有约8至15mm的横向长度和宽度。根据一些实施例，每一天线820可具有约1至5mm的深度。根据一些实施例，每一天线820可具有约1至2mm的深度。
图9是天线元件810的横截面视图900，其示出寄生元件或寄生天线贴片主体820和激励元件或激励天线贴片主体910。在激励元件910中提供探针区904。探针区在中心轴线1312(图13)的方向上的厚度902可为约2mm。厚度902可能稍微大于每一贴片主体820、910的波纹的峰间深度(从最高点到最低点的距离)。探针区904允许将馈送探针连接到激励元件904以从RF前端115传输馈送信号或将由天线元件810接收到的信号传送到RF前端115。天线元件810还包括螺纹孔口906以接收支撑螺钉以将天线元件810安装在接地平面(图13中展示)上。激励元件910还可包括RF平衡元件912。RF平衡元件912模拟探针区904的结构和RF特性以平衡由整个激励元件910进行的RF传输或接收。在一些实施例中，天线元件的横截面908的厚度可为4.8mm。
激励元件910的横截面可比寄生元件820的横截面长。激励元件910和寄生元件820的横截面定向或图案可紧密地互为镜像，以允许两个元件在信号的传输或接收期间谐振。位于寄生元件820与激励元件910之间的是连接元件或中心部分916。
天线元件810的主体可为3D打印的。然而，天线元件810的复杂堆叠式贴片结构可使得将整个天线元件810进行3D打印为单个单元变得具有挑战性的。分开地打印天线的不相交元件，例如分开地打印或以其它方式形成寄生元件820和激励元件910，可缓解将元件形成为单个单元的制造挑战。然而，分开打印或制造两个元件820和910以及将其组合以形成天线元件810可能会在天线元件810中引入不合需要的RF特性并且引入不必要的组装和部分对准复杂性。组合分开制造或打印的元件820和910还可使天线阵列800的组装和校准过程更加复杂。在天线阵列800中引入额外部分会使总体阵列不太稳固。
3D打印整个天线元件810允许使用均匀或连续的金属材料，所述金属材料提供用于信号的传输或接收的更优RF特性。连接元件916可被如此塑形成允许将整个天线元件810进行3D打印为单个部分。通过挤压金属进行的3D打印需要连续支撑结构以允许打印整个天线元件810。在一些实施例中，可打印天线元件810，其中首先打印激励元件910，接着打印连接元件916。在打印连接元件916之后，可使用连接元件916作为用于打印其余部分的支撑结构来打印寄生元件820。在一些实施例中，孔口或孔906或探针区904中的孔口可形成为3D打印过程的部分。孔906允许将天线810耦合到天线底座。孔口可随后带螺纹以允许螺钉接收在天线组合件的孔口中。在一些实施例中，天线贴片主体820和910可为大体上正方形或矩形。
图10示出根据一些实施例的探针区904的放大视图。探针区904包括用以接收探针1004的螺纹孔口1002。
图11示出根据一些实施例的激励元件910的俯视图。激励元件910包括两个探针接收元件1102和两个RF平衡元件1108。激励元件910还包括用以接收支撑螺钉的螺纹孔口1104以及两个销孔1106。在一些实施例中，销孔1106可为允许将定位销定位成进一步物理强化天线元件810的定位销孔。
图12是天线阵列800的侧视图，其示出与适配器1204连通的调谐元件830。在一些实施例中，适配器1204可由黄铜构造且连接到RF馈送电缆以在调谐元件830与RF前端115之间传送信号。图12中还示出定位在每一天线元件810周围的侧壁1202。图12中还示出定位在两个天线元件810之间的壁1212。壁1202和1212限定每一天线元件810周围的物理屏障以固定天线元件810。如图12中所示出，可在壁1202之间限定间隙。还示出接地平面1208，所述接地平面可容纳例如PCB等电路系统以处理在探针区904与RF前端115之间的RF信号。可在壁1202之间设置间隙1214。壁1202和1212一起形成每一天线810的杯，并且当每一天线810同时传输或接收信号时在天线阵列800中提供某一程度的天线到天线隔离。
图13是根据一些实施例的定位在天线阵列框架1302中的天线元件810的侧面横截面视图。图13中示出连接元件916，所述连接元件形成居中地定位在寄生元件820和激励元件910上以及其之间的中心部分。还示出允许安装接地平面1208和天线元件810的底座平面1302。螺钉1308将接地平面1208附连到底座平面1302。螺钉1310将天线元件810附连到底座平面1302。M2和/或M3螺钉可用于将组件耦合到底座平面1302。底座平面1302允许整个天线阵列800附连到LEO卫星110的底盘。围绕天线元件810的几何中心限定的是轴线1312。还提供了允许激励元件910与将激励元件与RF前端115连接的RF进料之间的RF通信的探测元件1330。在探测元件1330中的电流耦合可被电容耦合代替，或被其中在接地平面中制造槽的孔口耦合代替。
寄生元件820和激励元件910两者可包括由例如脊1322等脊以及例如凹槽1324等凹槽限定的波纹1320。如在寄生元件820和激励元件910两者中限定的波纹是大体上平行的。所述波纹允许较长天线元件定位在较小空间中，从而在较有限的空间中提供较大的RF传输或接收能力。在LEO卫星110中，用于卫星的底盘的定位元件的空间通常有限，并且，尽管天线阵列的可用空间有限，但波纹允许RF通信能力的最大化。在一些实施例中，两个邻近脊1322之间的距离可为8mm至14mm。在一些实施例中，两个邻近脊之间的距离可为10mm至12mm。在一些实施例中，凹槽1324的深度可为0.5mm至1.5mm。在一些实施例中，凹槽1325的深度可为约1mm。可以浅角度限定波纹1320。举例来说，在一些实施例中，可以2度至20度的角度来限定波纹1320。在一些实施例中，可以5度至15度的角度来限定波纹1320。在一些实施例中，可以8度至12度的角度来限定波纹1320。
一些实施例的寄生元件820和激励元件910可不包括任何波纹。一些实施例的寄生元件820和激励元件910可具有矩形或正方形的大体上平面轮廓。
如图13中所示出，在元件910与820之间设置间隙1342。在一些实施例中，间隙1342可为气隙并且没有介电材料可存在于间隙1342中。
寄生元件820和激励元件910的表面波纹可彼此对准，以使得天线贴片主体的间隔在平行于中心轴线1312的方向上大体上恒定。
图14是天线元件810的中心部分1400的横截面视图，其更详细地示出连接元件或中心支柱916。轴线1412穿过连接元件916的中心，连接元件可围绕所述轴线对称地安置。连接元件916包括远离轴线1412且朝向寄生元件820和激励元件910中的每一者延伸的楔形区或汇聚壁部分1414。连接元件916的楔形区或汇聚壁部分1414形成结构的一部分，所述结构允许将整个天线元件810 3D打印为单个单元而大体上不会影响天线元件810的RF特性。
图15是如通过取走寄生元件820时所见的激励元件910和连接元件或中心部分916的横截面视图1500。如视图1500中所示出，连接元件915具有正方形横截面，其中楔形区1414安置在正方形的一个拐角处。连接元件或中心部分916的正方形形状与激励元件910和寄生元件820的正方形形状对角地对准，以用于改进3D打印制造效率。
如图15中所示出，在一些实施例中，中心部分916具有穿过汇聚壁部分1414的中部的矩形横截面轮廓1502。在一些实施例中，矩形横截面轮廓从第一或第二天线贴片主体的平行横截面轮廓成角度地偏移。
图16是如通过取走寄生元件820时所见的激励元件910和连接元件或中心部分916的侧面横截面视图1600。图16中示出中心部分916包含向内朝向第一和第二天线贴片主体之间的轴向中间位置(相对于轴线1312)汇聚的汇聚壁部分1414。汇聚壁部分1414可安置在中心部分916的一侧上。
图17示出从与寄生元件820相对应的一侧所见的天线阵列800的一部分的侧视图1700。图17示出与适配器1204连通的调谐元件1102。
图18示出从与底座平面1302相对应的一侧所见的天线阵列800的一部分的侧视图1800。视图1800中示出RF馈送管线1802的一部分，所述RF馈送管线向或从调谐元件1102传送RF进料。RF馈送管线1802可远离底座平面1302而朝向LEO卫星110的底盘突出。视图1800中还示出固定天线阵列800的各种分层组件的紧固螺钉1804的部分。
图19示出天线阵列800的一部分的侧视图1900，其示出调谐元件1102。
图20A、20B和20C示出根据一些实施例的与天线阵列800隔离的探测元件2000。探测元件2000包括：护套2002，其向探针提供RF绝缘；以及垫圈2004，其允许探测元件200机械地定位在接地平面1208中。探针1004可包括螺旋穿入以使探针1004紧密地对准在探针区904的孔口1002内。图20C示出根据一些实施例的探测元件2000的示范性尺寸。
图21示出根据一些实施例的接地平面1208的接地平面层2100。层2100被配置成接收RF微电路以允许每一天线元件810与RF前端115之间的RF通信。层2100包括用以接收探针1004的孔口2102。层2100还包括用以接收螺钉或安装元件以将每一天线元件810与接地平面1208安装在一起的孔口2104。在层2100的不与任何螺纹或安装元件相关联的部分中，还在层2100中设置凹陷部2106。在一些实施例中，凹陷部2106可具有2mm的深度。
图22示出根据一些实施例的可为接地平面1208的一部分的天线元件接收层2200。天线元件接收层2200包括与层2100中限定的孔口相对应的各种孔口。用于接收探针1004的孔口2202对应于层2100的孔口2102。类似地，孔口2204对应于层2100的孔口2104。天线元件接收层2200的部分2206示出在层2200上接收或定位的天线元件810。
图23示出根据一些实施例的被配置成用于与探测元件2000耦合的微带层2300。微带层2300包括其中可接收探针200的端部的两个探针接触点2302。微带层2300还包括馈送管线或馈送端部2304以通过后续馈送管线(图25中示出)向和从RF前端115馈送信号。
图24示出根据一些实施例的定位在接地平面层2100上方的微带层2300的视图2400。微带层2300定位在接地平面层2100的与包括天线元件810的接地平面层的侧面相对的侧面上。接地平面层2100的孔口2102被定位成在微带层2300定位在接地平面层2100上方时与探针接触点2302对齐。
图25示出装配有用于每一天线元件820的微带层2300的接地平面层2100的视图2500。将每一馈送管线2304与RF前端连接起来的是馈送管线或馈送电缆2502。在一些实施例中，可出于稳定性而固化馈送管线或电缆2502并且使用电缆支架2304来固定所述馈送管线或电缆。馈送管线或电缆2502可延伸到LEO卫星110的底盘中以馈送到RF前端115中。可通过用螺钉2308固定的罩盖2306来保护每一微带层2300。
图26是根据一些实施例的装配有天线阵列800的LEO卫星2600的平面视图。LEO卫星2600是6U卫星。
一些实施例涉及一种用于形成天线贴片主体的方法，其包含将可由3D打印机执行的打印模型传输到所述3D打印机以打印所述天线贴片主体。
一些实施例涉及一种组装LEO卫星的方法，其包含在所述LEO卫星的底盘的外部面上安装：天线阵列或根据所述实施例的所述天线中的多个天线。
所属领域的技术人员将了解，可在不脱离本公开的广泛一般范围的情况下对上述实施例作出众多变化和/或修改。因此，本发明的实施例应被视为在所有方面都是说明性而非限制性的。

Claims (50)

1.一种天线，其包括：
底座；
第一天线贴片主体；以及
第二天线贴片主体，其安置成大体上平行于所述第一天线贴片主体且与所述第一天线贴片主体间隔开；
其中所述第一和第二天线贴片主体沿着中心轴线对准且耦合到所述底座；并且
其中所述第一和第二天线贴片主体中的每一者限定表面波纹。
2.根据权利要求1所述的天线，其中所述第一天线贴片主体和所述第二天线贴片主体通过耦合到所述底座的中心支柱而保持为间隔开的关系。
3.根据权利要求2所述的天线，其中所述第一和第二天线贴片主体通过所述中心支柱耦合到所述底座。
4.根据权利要求3所述的天线，其中所述中心支柱与所述第一和第二天线贴片主体中的一者或两者一体地形成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的天线，其中所述天线形成为堆叠式贴片配置。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的天线，其中所述底座形成围绕所述第一和第二天线贴片主体而不围绕上部侧的大体上正方形的杯，所述杯包含从所述底座朝向所述上部侧突出的第一、第二、第三和第四侧壁。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的天线，其中所述第一天线贴片主体定位成更接近于所述底座且具有比所述第二天线贴片主体大的横向长度。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的天线，其中所述第一和第二天线贴片主体包含不具有波纹的中心区。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的天线，其中所述第一天线贴片主体具有安置在朝向所述第一天线主体的外部横向边缘的间隔开位置处的两个探针耦合部分。
10.根据权利要求9所述的天线，其中所述第一和第二天线贴片主体在所述第一和第二天线贴片主体耦合到所述底座之处的外部的区域以及除所述两个探针耦合部分处以外的区域中具有大体上相同的厚度。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的天线，其中所述表面波纹以浅角度形成。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的天线，所述第一天线贴片主体的所述表面波纹与所述第二天线贴片主体的所述表面波纹对准，以使得所述第一和第二天线贴片主体的间隔在平行于所述中心轴线的方向上大体上恒定。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的天线，其中所述第一和第二天线贴片主体一体地形成为单式主体的部分。
14.根据权利要求13所述的天线，其中所述单式主体包含与所述中心轴线对准的中心耦合部分。
15.根据权利要求13至14中任一项所述的天线，其中所述单式主体通过3D打印形成。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的天线，其中所述第一和第二天线贴片主体由铝或铝合金形成。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的天线，其中所述天线具有约5至30mm的横向长度和宽度以及约1至5mm的深度。
18.一种贴片天线阵列，其包括：
邻近地定位的根据权利要求1至17中任一项所述的天线中的多个天线。
19.根据权利要求18所述的贴片天线阵列，其中所述天线中的所述多个天线被布置成形成线性阵列。
20.根据权利要求18或权利要求19所述的贴片天线阵列，其中邻近天线中的所述第一天线贴片主体之间的间隔大体上均匀。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的贴片天线阵列，其中邻近天线共享杯壁。
22.根据权利要求18至21中任一项所述的贴片天线阵列，其中所述贴片天线阵列具有充当每一天线的所述底座的单式底座。
23.根据权利要求18至22中任一项所述的贴片天线阵列，其进一步包括邻近于所述贴片天线阵列安装以用于允许每一天线的校准的调谐元件。
24.根据权利要求18至23中任一项所述的贴片天线阵列，其中每一天线的所述底座限定第一和第二探针容纳部分以接收相应第一和第二探针，所述第一和第二探针耦合到所述第一贴片天线主体，其中所述第一和第二探针容纳部分相对于所述中心轴线而间隔开90°。
25.根据权利要求18至24中任一项所述的贴片天线阵列，其中每一天线的所述底座在所述底座的与相应第一和第二探针容纳部分相对的侧面上限定第一和第二RF平衡部分。
26.一种用于堆叠式贴片天线的天线贴片主体，所述天线主体形成为单式主体，所述单式主体包含第一天线贴片主体、第二天线贴片主体以及将所述第一天线贴片主体接合到所述第二天线贴片主体的中心部分，其中所述第一和第二天线贴片主体大体上彼此平行且彼此间隔开。
27.根据权利要求26所述的天线贴片主体，其中所述单式主体通过3D打印形成。
28.根据权利要求26或权利要求27所述的天线贴片主体，其中所述单式主体由铝或铝合金形成。
29.根据权利要求26至28中任一项所述的天线贴片主体，其中所述中心部分限定孔以允许所述天线贴片主体耦合到天线底座。
30.根据权利要求26至29中任一项所述的天线贴片主体，其中所述中心部分包含向内朝向所述第一和第二天线贴片主体之间的轴向中间位置汇聚的汇聚壁部分，所述汇聚壁部分安置在所述中心部分的一侧上。
31.根据权利要求30所述的天线贴片主体，其中所述中心部分具有穿过所述汇聚壁部分的中部的矩形横截面轮廓。
32.根据权利要求31所述的天线贴片主体，其中所述矩形横截面轮廓从所述第一或第二天线贴片主体的平行横截面轮廓成角度地偏移。
33.根据权利要求31或权利要求32所述的天线贴片主体，其中所述中心部分具有穿过所述汇聚壁部分的与所述中部间隔开的部分的非矩形横截面轮廓。
34.一种天线，其包括：
底座；以及
根据权利要求26至33中任一项所述的天线贴片主体，其经由所述中心部分耦合到所述底座。
35.一种天线，其包括：
底座；
第一天线贴片主体；
第二天线贴片主体，其安置成大体上平行于所述第一天线贴片主体且与所述第一天线贴片主体间隔开；以及
第一、第二、第三和第四直壁，其在所述第一和第二天线贴片主体的相应四个侧上从所述底座突出；
其中所述第一和第二天线贴片主体沿着中心轴线对准且耦合到所述底座；并且
其中当在所述中心轴线的方向上查看时，所述第一和第二天线贴片主体具有矩形轮廓。
36.根据权利要求35所述的天线，其中所述第一天线贴片主体和所述第二天线贴片主体形成为单式主体的部分，所述单式主体还包含将所述第一天线贴片主体接合到所述第二天线贴片主体的中心部分。
37.根据权利要求36所述的天线，其中所述单式主体通过3D打印形成。
38.根据权利要求36或权利要求37所述的天线，其中所述单式主体由铝或铝合金形成。
39.根据权利要求36至38中任一项所述的天线，其中所述中心部分限定孔以允许所述天线贴片主体耦合到所述天线底座。
40.根据权利要求36至39中任一项所述的天线，其中所述中心部分包含向内朝向所述第一和第二天线贴片主体之间的轴向中间位置汇聚的汇聚壁部分，所述汇聚壁部分安置在所述中心部分的一侧上。
41.根据权利要求40所述的天线，其中所述中心部分具有穿过所述汇聚壁部分的中部的矩形横截面轮廓。
42.根据权利要求41所述的天线，其中所述矩形横截面轮廓从所述第一或第二天线贴片主体的平行横截面轮廓成角度地偏移或旋转。
43.根据权利要求41或权利要求42所述的天线，其中所述中心部分具有穿过所述汇聚壁部分的与所述中部间隔开的部分的非矩形横截面轮廓。
44.根据权利要求35至43中任一项所述的天线，其中所述第一和第二天线贴片主体中的每一者限定表面波纹。
45.根据权利要求35至44中任一项所述的天线，其中所述第一天线贴片主体定位成更接近于所述底座且具有比所述第二天线贴片主体大的横向长度。
46.根据权利要求1至17和35至45中任一项所述的天线，其中气隙使所述第一和第二天线贴片主体在所述中心部分的径向外部的位置处分离。
47.根据权利要求46所述的天线，其中所述气隙使所述第一和第二天线主体在平行于所述中心轴线的方向上间隔开大体上固定的距离。
48.一种LEO卫星，其具有安装在其上的：根据权利要求1至17或34至47所述的至少一个天线；或根据权利要求18至25中任一项所述的贴片天线阵列。
49.一种用于形成天线贴片主体的方法，其包含将能够由3D打印机执行的打印模型传输到所述3D打印机以打印根据权利要求26至33中任一项所述的天线贴片主体。
50.一种制造LEO卫星的方法，其包含在所述LEO卫星的底盘的外部面上安装：根据权利要求18至25中任一项所述的天线阵列；或根据权利要求1至17和34至47中任一项所述的天线中的多个天线。
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