CN116581544A - 用于卫星通信动中通的可切换双波段双极化victs天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天线领域，是用于卫星通信动中通的可切换双波段双极化VICTS天线系统，本发明为层状结构，包括双频VICTS天线子系统、双频双极化极化子系统、天线罩、机械子系统，所述机械子系统通过电动机和皮带连接双频VICTS天线子系统、双频双极化极化子系统和天线罩；还包括各层结构之间的气隙；所述各层还包括与机械子系统通过转接机构连接的支撑结构。本发明通过分层设置天线系统，在尺寸和成本降低的前提下，提高了增益和带宽，实现频带有效分离；提高了完整制造控制能力。通过一单独设立的电动机平台系统进行控制，亦实现了天线系统在两个频段实现过天顶角的扫描。

Description

用于卫星通信动中通的可切换双波段双极化VICTS天线系统

技术领域

本发明涉及天线领域，特别是指用于卫星通信动中通的可切换双波段双极化VICTS天线系统。

背景技术

现代卫星通信中，越来越多的情况需要当物体在卫星波束覆盖范围内移动时依然保持实时的通信，故卫星通信亦需要升级为卫星移动通信。而其中关键核心的技术就是在移动物体上的可进行实时跟踪卫星的通信天线，称之为“动中通”卫星天线。目前市场上，基于波束控制方法而分，实用的动中通卫星通信天线主要有两种，一种是有源电子扫描阵列天线(AESA天线)，另一种是机械扫描阵列天线(MSA天线)。

传统的MSA天线是旋转碟形天线，既反射面天线，由于其轮廓高，体积大，转向速度慢，使其应用受到很大限制。 AESA天线 是一种电子数字相控阵天线，其中每个天线单元都有一个模拟发射器/接收器模块(TRM)，用电子方式创建相移以将天线波束转向，而无需物理移动天线。与传统的 MSA天线 相比，AESA天线 的这种数字控制扫描特性使其实现天线波束快速扫描。并在 AESA天线 中，由于每个元件都有自己的TRM，所以单个元件的故障不会妨碍系统的运行，因此整机相对则更为可靠。然而，因为使用了大量的 TRM，所以AESA天线 的功耗高，馈电复杂，导致其成本较高。

现有技术中，存在通过结合机械操纵和电子扫描阵列技术优势的天线，ThinKomSolutions 公司发明了一种单波段可变倾角连续横向枝节 (VICTS) 阵列天线并发展成一系列单波段VICTS卫星通信动中通天线，这种天线使用电动机来控制波束的相位以改变波束方向的天线，是纯机器结构。与传统的MSA天线反射面天线 相比，VICTS天线轮廓低避免了体积庞大的反射面；与AESA天线 相比，VICTS 天线是机器运行控制相位，避免了大量的TRM，大大减少功耗。相对于MSA天线 和 AESA天线，VICTS 天线提供了一系列的优势，列举如下：

对于给定的增益与噪声温度比值(G/T)，与 AESA天线 相比，VICST天线的孔径面积比 AESA天线 小2.5到8倍，而 VICTS 天线的轮廓外形与AESA天线的轮廓相当。

VICTS 天线的瞬时带宽(IBW) 范围为500 MHz 至2 GHz，比具有窄 IBW的传统AESA天线 高4至8倍，传统AESA天线的 IBW小于125 MHz，故VICTS 天线能够一次性覆盖整个频谱，无需天线波束重新转向。

VICTS 天线虽然是机械天线，但却非常灵活，可以在不到 800 毫秒的时间内从一个卫星切换到另一个卫星，可以很容易地被调制解调器缓冲，以实现无缝过渡和流畅的用户体验。

与非常耗电的 AESA天线 相比，VICTS天线消耗的功率要少得多， 所以VICTS 天线无需增加额外的冷却系统。而大多数 AESA天线都需要热管理，以防止其电子设备因高功耗而过热，这给电源系统带来负担。

VICTS天线具有大面积效率优势，更加可靠；此外，它在低视角下的性能要好得多，并且已经证明了其可以实现同步卫星（GSO）和非同步卫星（NGSO）的互操作性。

但VICTS天线存在尺寸大、增益及带宽不够的问题，且其存在缺失天定角的问题。

亟待出现一种可解决上述问题的新型的天线系统。

发明内容

本发明提出用于卫星通信动中通的可切换双波段双极化VICTS天线系统，解决了现有技术中双波段双极化天线系统的在体积、重量、成本、灵活度上的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：用于卫星通信动中通的可切换双波段双极化VICTS天线系统，为层状结构，包括双频VICTS天线子系统、双频双极化极化子系统、双频层状天线罩，还包括用于控制可切换双频双极化天线系统的机械子系统，所述机械子系统通过电动机和皮带连接双频VICTS天线子系统、双频双极化极化子系统；

所述双频VICTS天线子系统为层状结构：一层为一个双频馈电网络，所述双频馈电网络包括一个双频慢波结构和两个从矩形波导到慢波结构的过渡；所述过渡将输入/输出矩形波导连接到双频慢波结构并为其提供线源；所述双频慢波结构为两个波段的慢波结构正交交织成一个二维的凹槽网格结构；另一层为双频VICTS电磁辐射器，所述双频VICTS电磁辐射器为两个单波段VICTS 天线阵列正交集成，其缝隙的长边相互垂直；交织成一个二维的金属块的矩阵结构；

所述双频双极化极化子系统包括两个线极化器或两个圆极化器，或一个线极化器和一个圆极化器；在两个波段足够接近时，所述双频双极化极化子系统亦可为一个线极化器或一个圆极化器；在线极化波波段工作时，可旋转电磁波波束的E矢量；在圆极化波波段工作时，可将线极化转换为左旋或右旋圆极化波；

还包括各层结构之间的气隙；

所述机械子系统包括电动机，通过电动机和皮带连接双频VICTS天线子系统、双频双极化极化子系统；

所述各层还包括与机械子系统通过转接机构连接的支撑结构。

进一步地，所述矩形波导到慢波结构的过渡包括作为输入/输出的标准矩形波导、扭弯波导、矩形波导中的功率分配器，以及连接到平行板波导的多适配器；所述过渡中的功率分配器设置于矩形波导的H平面或E平面。

进一步地，所述双频慢波馈电网络包括两个单频慢波结构，所述两个单频慢波结构的凹槽垂直设置。

进一步地，所述机械子系统包括电动机、皮带和支撑结构，所述电动机通过皮带单独控制除天线罩以外的每一层结构；通过转接机构与双频VICTS天线子系统、双频双极化极化子系统、天线罩连接。

进一步地，天线罩为双频或宽频夹层结构。

进一步地，所述双频VICTS天线子系统和双频双极化极化子系统为层状介电材料层和金属块为轻质塑料材料镀金属。

还包括一具有两个输入/输出端口的双频旋转接头。

所述层状结构具体的是彼此相互独立的六层；从底部依次为：第1层L1包括双频慢波结构和两个从标准波导到慢波结构的过渡；第2层 L2为双频 VICTS 辐射器；第3层和第4层L3和L4分别为两个独立的板层，为线性极化器；第5层L5为圆极化器；第6层L6为双频层状天线罩；所述双频层状天线罩固定设置于为外壳；所述L1、L2、L3、L4、L5分别连接独立的电动机。

所述气隙为六层之间的间隙，从底部依次为：G0、G1、G2、G3 和 G4；G0 为双频VICTS天线子系统中，双频慢波结构和双频 VICTS 辐射器之间的气隙；G1为双频 VICTS天线子系统与双频双极化极化子系统之间的气隙；G2为双频双极化极化子系统中线极化器的两个板层之间的气隙；G3为双频双极化极化子系统中线极化器和圆极化器之间的气隙；G4为双频双极化极化子系统和双频天线罩之间的气隙。

可切换双波段双极化VICTS天线系统底部还设置有电动机模块，所述电动机模块包括机械连接的两个电动机、两个减速机、三个锥齿轮和一个底部支撑结构，通过转接机构与可切换双波段双极化VICTS天线系统连接。

本发明公开的用于卫星通信动中通的可切换双波段双极化VICTS天线系统，通过分层设置天线系统，在尺寸和成本降低的前提下，提高了增益和带宽，实现频带有效分离；提高了完整制造控制能力。通过一单独设立的电动机平台系统进行控制，亦实现了天线系统在两个频段实现过天顶角的扫描。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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他的附图。

图1：带有外部跟踪网络的本发明的系统框图；

图2：本发明的框图；

图3：从矩形波导到慢波结构的过渡： (a)扭弯波导的三维视图，(b)扭弯波导及相连的功率分配器的三维视图，(c) 波导扭转接头、功率分配器和连接到平行板波导的多个适配器的三维视图 (d) 具有慢波结构的整个过渡的三维视图；

图4：本发明的侧视示意图；

图5：Ku波段从矩形波导到慢波结构的过渡的模拟回波损耗；

图6：本发明的L1层的俯视图；

图 7: 单波段 VICTS 辐射器中的枝节阵列；

图8:可切换双波段双极化 VICTS 天线系统中 双频VICTS 辐射器的俯视图；

图 9：双频VICTS 天线子系统在Ka和Ku频段的实施例：(a) 三维视图；(b) 侧视图；

图 10：当转动角为0度时，实施例的模拟辐射方向图（a）11.725GHz，Ku 频段的中心频率，（b）29.25GHz,Ka频段的中心频率；

图 11 当转动角为20度时，实施例的模拟辐射方向图（a）11.725GHz， Ku 频段的中心频率，（b）29.25GHz， Ka频段的中心频率；

图 12：当两个波段的波束都是线极化时，本发明的侧视图；

图13：当两个波段的波束都是圆极化时，本发明的侧视图；

图14：当两个波段的波束一个是圆极化， 另一个是线极化时，本发明的侧视图；

图15: 推建的双频或宽频三明治夹层结构的超宽带的多层天线罩;

图 16：本发明双频VICTS 辐射器的部分三维图；

图17: 本发明的机器子系统中的转动电动机和皮带的设计实施例；

图 18：不带极化器子系统的双频VICTS子系统的设计实施例的仿真结果；

图 19：本发明的底部电动机模块：（a）水平位置的侧视图；（b）当天线系统转动10度的另一个侧面的侧视图；

其中：1、马达；2、皮带；3、波导端口；4、波导扭转接头；5、功率分配器；7、慢波结构；8、缝隙；9、枝节； 10、堆块；11、支架；12、天线系统；

实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了用于卫星通信动中通的可切换双波段双极化VICTS天线系统，为层状结构，包括双频VICTS天线子系统、双频双极化极化子系统、双频层状天线罩，还包括用于控制可切换双频双极化天线系统的机械子系统，所述机械子系统通过电动机和皮带2连接双频VICTS天线子系统、双频双极化极化子系统；

所述双频VICTS天线子系统为层状结构：一层为一个双频馈电网络，所述双频馈电网络包括一个双频慢波结构7和两个从矩形波导到慢波结构7的过渡；所述过渡将输入/输出矩形波导连接到双频慢波结构7并为其提供线源；所述双频慢波结构7为两个波段的慢波结构7正交交织成一个二维的凹槽网格结构；另一层为双频VICTS电磁辐射器，所述双频VICTS电磁辐射器为两个单波段VICTS 天线阵列正交集成，其缝隙8的长边相互垂直；交织成一个二维的金属块的矩阵结构；即两个VICTS 天线阵列的槽的长边彼此垂直；来自VICTS 天线辐射槽的电磁波的 E 向量垂直于槽长边，如果将两个单波段VICTS 天线的辐射槽集成为一体，并且它们的长边相互垂直，则来自两个 VICTS 天线的电磁波将能够以两个正交线性极化独立辐射。

所述双频双极化极化子系统包括两个线极化器或两个圆极化器，或一个线极化器和一个圆极化器；在两个波段足够接近时，所述双频双极化极化子系统亦可为一个线极化器或一个圆极化器；在线极化波波段工作时，可旋转电磁波波束的E矢量；在圆极化波波段工作时，可将线极化转换为左旋或右旋圆极化波；

还包括各层结构之间的气隙；

所述机械子系统包括电动机，通过电动机和皮带2连接双频VICTS天线子系统、双频双极化极化子系统；

所述各层还包括与机械子系统通过转接机构连接的支撑结构。

进一步地，所述矩形波导到慢波结构7的过渡包括作为输入/输出的标准矩形波导、扭弯波导、矩形波导中的功率分配器5，以及连接到平行板波导的多个适配器；所述过渡中的功率分配器5设置于矩形波导的H平面或E平面。

进一步地，所述双频慢波馈电网络包括两个单频慢波结构7，所述两个单频慢波结构7的凹槽垂直设置。具有两个正交线极化的两个电磁波将能够沿双频慢波结在两个垂直方向上独立传播。 双频慢波馈电网络设置在双频VICTS电磁辐射器下方，提供两个频段的电磁波，以馈电双频VICTS电磁辐射器；进一步地，双频VICTS电磁辐射器和双频慢波馈电网络之间的气隙已经被优化，在实现更高的增益和更宽的带宽的同时，抑制了旁瓣。

进一步地，所述机械子系统包括电动机、皮带2和支撑结构，所述电动机通过皮带2单独控制除天线罩以外的每一层结构；通过转接机构与双频VICTS天线子系统、双频双极化极化子系统、天线罩连接。

进一步地，天线罩为双频或宽频夹层结构。

进一步地，所述双频VICTS天线子系统和双频双极化极化子系统为层状介电材料层和金属块为轻质塑料材料镀金属。

还包括一具有两个输入/输出端口的双频旋转接头，支持发射（TX）和接收（RX）的任意组合操作，如TX/TX、RX/RX和 TX/RX。

作为一个实施例，在Ka和Ku波段，所述层状结构具体的是彼此相互独立的六层；从底部依次为：第1层L1包括双频慢波结构7和两个从标准波导到慢波结构7的过渡；第2层 L2为双频 VICTS 辐射器；第3层和第4层L3和L4分别为两个独立的板层，为线性极化器；第5层L5为圆极化器；第6层L6为双频层状天线罩；所述双频层状天线罩固定设置于为外壳；所述L1、L2、L3、L4、L5分别连接独立的电动机。所述机械子系统包括机械连接的五个电动机及皮带2和底部支撑结构，所述五个电动机通过皮带2连接层状结构中的L1、L2、L3、L4、L5各层。

所述气隙为六层之间的间隙，从底部依次为：G0、G1、G2、G3 和 G4；G0 为双频VICTS天线子系统中，双频慢波结构7和双频 VICTS 辐射器之间的气隙；G1为双频 VICTS天线子系统与双频双极化极化子系统之间的气隙；G2为双频双极化极化子系统中线极化器的两个板层之间的气隙；G3为双频双极化极化子系统中线极化器和圆极化器之间的气隙；G4为双频双极化极化子系统和双频天线罩之间的气隙。

可切换双波段双极化VICTS天线系统底部还设置有电动机模块，所述电动机模块包括机械连接的两个电动机、两个减速机、三个锥齿轮和一个底部支撑结构，通过转接机构与可切换双波段双极化VICTS天线系统连接。

以可切换双波段双极化 VICTS天线系统中的双频双极化极化子系统作为极化器的示例，本发明包括以下子系统： 1) 双频 VICTS天线子系统，由双频VICTS电磁辐射器、双频慢波结构7和两个从标准波导到慢波结构7的过渡； 2) 双频双极化极化子系统，以支持线极化和圆极化的任意组合； 3) 双频旋转关节，其可将可切换双波段双极化 VICTS天线系统连接到输入和输出端口，支持发射Tx和接收Rx的各种组合，如，Tx/Tx，或 Rx/Rx 或Tx/Rx； 4) 超宽带/双频多层天线罩； 5) 整机机械子系统用于支持 双波段双极化 VICTS天线系统和控制性能。该双波段双极化 VICTS天线系统连同外部跟踪网络的框图显示在图1。

可切换双波段双极化 VICTS天线系统已被开发成多层结构，为面向制造及装配的设计。一个运行在Ku 和 Ka两个波段的可切换双波段双极化 VICTS天线系统已经完成设计，以作为示例，其中Rx 运行在Ku波段为线极化波束，Tx运行在Ka波段为圆极化波束，此系统总共被设计成六层的结构，各个层相对独立可分别制造再组装。 图 2显示了此系统的框图，从底部开始，第一层，记为L1, 为双频馈电网络，包括双频慢波结构7和两个从标准波导到慢波结构7的过渡; 第 2 层，记为L2，为双频 VICTS 辐射器；然后，再向上是线性极化器，其包括两个独立的板层，为第 3 层L3和第 4 层L4；之后是圆极化器作为第 5 层 L5；最后双频层状天线罩作为第 6 层 L6。此外，G0、G1、G2、G3 和 G4 是这些层之间的气隙，所述气隙分别在各自的系统中或子系统之间进行优化。在图2 的示例中， G0是在双频 VICTS天线子系统中，双频慢波结构7和双频 VICTS 辐射器之间的气隙，它是双频 VICTS天线子系统的仿真优化时的参数之一；G1是双频 VICTS天线子系统与双频双极化极化子系统之间的气隙，其在两个子系统设计完成后再进行仿真优化，以达到在转动的机器性能可行的条件下的最优的性能；G2是双频双极化极化子系统中线极化器的两个极化板之间的气隙，其是线极化器的设计参数之一， 其优化除了考虑线极化器的设计指标也要考虑转动时对机器性能的要求；G3是双频双极化极化子系统中线极化器和圆极化器之间的气隙，其在线极化器和圆极化器设计优化完成之后再进行仿真优化，以达到在转动的机器性能可行的条件下的最优的性能； G4是双频双极化极化子系统和双频层状天线罩之间的气隙， 对其设计的主要的考量是机器生产组装的可能性和可靠性，当各子系统的设计优化完成后，G4 参数可通过整体天线系统12的仿真来确定。对于其他的波段的设计，有经验的专业人员可应用此设计原则设计优化各个层间的气隙。图4 显示了此例的多层结构的侧视图。L1、L2、L3、L4和 L5 被设计成各自独立的板层，通过由独立五电动机构成的机械子系统分别控制360度转动L1、L2、L3、L4 和 L5 以达到所需的性能。其中，L6双频层状天线罩是固定在天线系统12的外壳上的，无需转动。

从矩形波导到慢波结构7的过渡

一个从矩形波导到慢波结构7的过渡已经被创新设计以为双频 VICTS天线子系统中的双频慢波结构7馈电网络提供线源。该过渡包括作为输入/输出的标准矩形波导、扭弯波导、矩形波导功率分配器5以及连接功率分配器5到平行板波导的多个适配器，如图 2 所示。此过渡的分步设计的三维图显示在图3中：图3(a) 显示了带有波导端口3的一个扭弯波导的三维视图，图3(b) 显示了扭弯波导及连接到扭弯波导的功率分配器5，此例中设计了以一到十六的功率分配器5，在实际应用中可根据天线系统12的尺寸大小来选择增减。另外，此例中的功率分配器5已被设计在H平面，也可以根据需要设计在E平面。为了改进带宽和增益和抑制旁瓣，功率分配器5的设计已经被使用函数配比法优化。图3(c) 显示了扭弯波导，功率分配器55和连接在功率分配器5的十六个适配器，以完成标准波导通过功率分配器5到平行板波导的过渡。图3(d) 显示了包括部分慢波结构7在内的整个过渡设计。这种从标准矩形波导到慢波结构7的过渡结构的频宽是由矩形波导的频宽所限制。在本实施例中，两个波段的从标准矩形波导到慢波结构7的过渡结构是独立的，可分别设计，以免除矩形波导本身的频宽的限制。在本实施例中已经为Ku/Ka两个波段设计了两组从标准矩形波导到慢波结构7的过渡结构。Ku波段过渡结构的模拟结果如图 5 所示，Ku波段过渡结构亦有相似的模拟结果。

双频慢波结构7

一个双频慢波结构7已被创新设计以为双频VICTS电磁辐射器馈电，同时提高了双频VICTS天线子系统的带宽和增益，抑制了旁瓣。在单频波导中，可以通过在波导内壁上引入凹槽来设计慢波结构7，以调节在波导中传播的电磁波的相位，常用于平行板波导。为了给双频VICTS 辐射器的提供馈电网络，我们通过创造性地将两个单频段慢波结构7正交集成在一起，开发了一个双频慢波结构7，其中两个独立的单频慢波结构7中的凹槽的长边是相互垂直交织在波导内壁上形成一个二维的网格结构，如此两个电磁波能够在两个垂直方向上沿双频慢波结构7各自独立传播。 双频慢波馈电网络被设置在双频VICTS电磁辐射器下方，提供独立的两个频段的电磁波各自馈入双频VICTS电磁辐射器，参见图4。其中G0， 即双频VICTS电磁辐射器和双频慢波馈电网络之间的空隙，详见图2，其已经被模拟优化以获得更高的增益和更宽的带宽。

双频慢波结构7和从标准矩形波导到慢波结构7的过渡连接起来形成整个可切换双波段双极化 VICTS天线系统的底层L1，在Ka和Ku频段的实施例的L1的布局如图6所示。

双频VICTS 辐射器

双频 VICTS 辐射器是通过将两个单波段 VICTS 天线集成在一起而发明的。图 7显示了单频 VICTS 阵列作为比较。在VICTS 天线中辐射缝隙8的电磁波的 E 矢量垂直于缝隙8的长边，如果将两个单频 VICTS 天线的辐射缝隙8正交集成在一起，既让其两个单频VICTS 天线中的枝节9的长边相互垂直叠加组合在一个平面中就可形成堆块10的二维列阵，则运行在两个单频VICTS天线中电磁波可独立运行并各自通过各自的辐射缝隙8独立辐射。例如，在Ka和Ku两个波段， 双频VICTS电磁辐射器已经被开发设计，其布局的俯视图如图8所示。此开发的双频 VICTS 辐射器 在保持了单频段 VICTS 天线的所有优势的同时，又使两个波段的波束发射/接受可共享同一口径，如此将 Tx 和 Rx 天线系统12的尺寸减少50%。

双频VICTS天线子系统的组装与优化

双频 VICTS 天线子系统包括从矩形波导到慢波结构7的过渡、双频慢波结构7和双频 VICTS 辐射器。 此子系统采用了适合于电动机独立控制旋转的层状结构设计，，其中双频慢波结构7及从标准矩形波导到慢波结构7的过渡被设计结合成为一层，作为底层L1，参见图6和图9，双频 VICTS电磁辐射器被设计为另外一层，作为顶层L2，如图8和图9所示，这两层作为上下层按中心对齐组装成双频 VICTS 天线子系统，参见图4和图9。为了进一步提高双频 VICTS 天线子系统的性能，双频VICTS天线子系统的顶层L1和 底层L2之间的气隙 G0已经通过模拟进行调整优化，参见图2。同时，双频VICTS天线子系统的各个部分和整体分别被优化以改进此子系统的带内平坦度，减小信号泄漏，提高天线的隔离度，匹配度，带宽，增益和效率。

单频 VICTS 天线的重要优势之一是机器波束控制，双频VICTS天线子系统完全保持了这一优势。在单频 VICTS 天线中，当其缝隙8的长边与单频慢波结构7馈电网络凹槽的长边平行时，设为初始位置，单频VICTS 天线 发射的线极化电磁波将沿 垂直于 VICTS 辐射器平面的Z方向向外辐射。当VICTS天线中慢波结构7馈电网络 以VICTS辐射器中心为中心绕Z方向旋转时，VICTS辐射器的缝隙8与慢波结构7馈电网络凹槽之间的相对夹角，称为转动角，从初始位置的0度增加； 电磁波的波束辐射方向将偏转远离 Z 方向，如此实现波束控制，波束与Z方向的夹角为俯仰角，当转动角增加时，波束的俯仰角随之增加。类似于单频VICTS天线，在双频VICTS 天线子系统中，当顶层L2静止，底层L1以天线平面的中心绕Z方向旋转时，天线发射的电磁波的辐射方向偏离 Z 方向，故实现波束控制。在双频VICTS 天线子系统中的两个波导端口3对应着两个波段。 此双频VICTS 天线子系统可以从一个波段切换到另外一个波段发射或接受，两个波段可以独立分别运行。

双频 VICTS 天线子系统在Ku 和 Ka 频段的的示例设计如图9所示，其中图 9(a) 和 (b) 分别显示了此子系统的三维视图和侧视图。当转动角为0度，此天线子系统为初始位置时，其Ku 和 Ka 波段示例的模拟辐射方向图如图 10 所示，在此示例中双频VICTS 天线子系统的直径为500mm，其中图 10 (a) 显示了Ku 波段的中心频率，既 11.725GHz，的模拟辐射方向图，图 10 (b) 显示了 Ka 频段中心频率，既 29.25 GHz ，的模拟辐射方向图。这些结果于相应尺寸和波段的单频VICTS 天线相仿。当转动角为20度时，此双频VICTS 天线子系统的设计示例的模拟辐射方向图如图11 所示，其中图11（a）显示了Ku 波段的中心频率， 既 11.725 GHz，的模拟辐射方向图，图 11 (b) 显示了 Ka 频段中心频率，既 29.25 GHz ，的模拟辐射方向图。与初始位置时的波束辐射方向比，当转动角增加到20度时，波束方向明显转动，性能与相应尺寸和波段的单频VICTS 天线相仿。更多的模拟仿真结果总结在表1和表2 中。其中表1显示了频率为11.725GHz.时，转动角与波束增益和俯仰角的结果和关系 ；表2显示了 频率为29.25GHz.时，转动角与波导增益和俯仰角的结果和关系。以上结果显明，在相应尺寸和波段下，所述双频VICTS天线子系统的性能可与两个单频的VICTS天线的性能相仿。所述双频VICTS天线子系统是所述可切换双波段双极化VICTS天线系统中的关键创新 ，决定了整体天线系统12的两个频段的跨度。本专利的示例已经验证了在所述可切换双波段双极化VICTS天线系统中运行的的两个电磁波波段的频率的差异可以大到三倍 ，如从Ku波段10GHz到Ka 波段30 GHz， 所述可切换双波段双极化VICTS天线系统能够使用在任何两个频率差小于三倍 的波段。对于频率差更大的两个波段，在大转动角时，此可切换双波段双极化VICTS天线系统中的信号的泄露将增大而影响其天线通信性能。

表 1：在频率为11.725GHz.时，双频VICTS 天线子系统的设计示例的模拟仿真，转动角与增益和俯仰角的关系，其直径为500mm。

表 2：在频率为29.25GHz.时，双频VICTS天线子系统的设计示例的模拟仿真转动角与增益和俯仰角的关系， 其直径为500mm。

双频双极化极化子系统

如果没有外加任何极化器，双频VICTS 天线子系统会产生两个独立的线极化的电磁波波束。一个双频双极化极化子系统已被开发以支持 双波段双极化 VICTS天线系统的电磁波波束的极化需要。此双频双极化极化子系统可以在双频段运行并可支持两个独立波段的波束极化的任何组合，如两个线性极化，或两个圆极化，或者一个线性极化和一个圆极化。双频双极化极化子系统已被开发成多层的结构，以融入双波段双极化 VICTS天线系统的多层结构。 根据两个波段的波束的极化的不同需要，双频双极化极化子系统也有相应的极化器层的组合设计。

首先，若两个波段的波束都是线极化，该双频双极化极化子系统将由线极化器构成。其中当两个运行的波段相距较远时，双频双极化极化子系统将由运行在两个波段的两个线极化器构成，每个线极化器又由两个线极化板组成， 运行在各自的波段以转动波束的E矢量的方向， 如图12 所示。图12 中的L1 层和 L2层 组成 双频VICTS 天线子系统；L3层和L4层 为一个线极化器的两个线极化板 可以在一个波段工作时转动波束的E矢量的方向以减少与卫星通信的损耗，L5层和 L6层为另一个线极化器的两个线极化板，可以在另一个波段工作时转动其波束的E矢量的方向； 当两个运行的波段相距足够接近并且可以由一个宽频线极化器覆盖时，该双频双极化极化子系统可简化成宽频极化器子系统，图12 中的L5层和L6层将被移除，只需L3和 L4 两层组成宽频极化器子系统覆盖两个波段的运行。

其次，当两个波段的波束都是圆极化时，此双频双极化极化子系统将由圆极化器构成。当两个运行的波段相距较远时，双频双极化极化子系统将由运行在两个波段的两个圆极化器构成，每个圆极化器可以设计成一层圆极化板，如图13 所示。 图13 中的L1层 和L2 层组成双频VICTS 天线子系统；L3层 和L4层 为两个圆极化器， 可在各自的波段中把波束的线极化转为圆极化，以满足卫星移动通信的需要； 当两个运行的波段相距足够接近并且可以由一个宽频圆极化器覆盖时，该双频双极化极化子系统可进一步简化成一个宽频极化器，图13 中的L4 层可被移除，只需L3层，宽频极化器子系统，来覆盖两个波段的运行。

最后，当两个波段的波束，一个为线极化，另一个为圆极化时，此双频双极化极化子系统被设计成一个线极化器和一个圆极化器，运行在各自的波段中。如图15所示。 图15中的L1 和 L2层为双频VICTS 天线子系统；L3 和L4 层为线极化器的两个线极化板 可以在其工作波段转动波束的E矢量的方向；L5层为圆极化板，运行在另一个波段把线极化转为圆极化。

可切换双频双极化极化子系统已经被设计运行在Ka 和 Ku 波段以支持该天线系统12在Ka 和 Ku 波段的设计示例的极化需要。在卫星通信中，Ku 波段的波束是线极化波，Ka波段的波束是圆极化波。所以图14 所示的双频双极化极化子系统被使用。该双频双极化极化子系统包括一个运行在Ku波段的线极化器和一个运行在Ka波段的圆极化器。

该双频双极化极化子系统与Ka 和 Ku 波段的双频 VICTS 天线子系统一起实现Ka 和 Ku 波段卫星通信的接受和发射。有经验的专业人员可以根据需要和已有的成熟的技术设计适用的线极化器和圆极化器。 这里作为示例，一个曲折线圆极化器被推荐并设计应用在Ka/Ku波段。当运行在Ka 波段需要圆极化波时，该圆极化板被设置在一个特定的角度位置将 线极化波 转换为 圆极化波；当运行在 Ku 波段需要线极化波时， 此圆极化板被设置在另一个特定的角度位置允许线极化电磁波低插损通过，并不改变其极化方式。此曲折线圆极化板采用了三层金属曲折线层，使用成熟的印刷电路板技术在合适的厚度的介质上腐刻金属曲折线，再用胶水粘合在一起，参见图4 和图14中的L5层。圆极化板层L5由一个电动机带动旋转。另外，对于线极化的Ku波段，一个金属线栅线极化器被采用并设计优化应用在Ka/Ku波段。 此线极化器包括两层，分别为图4和图14所示的L3和L4，两层可独立各自的转动， 由各自的电动机带动旋转。 当天线系统12运行在 线极化的Ku 波段时，此线极化器的两层极化板（L3和L4）由电动机带动旋转来转动接受或发射的电磁波波束的E矢量的方向，以达成与卫星的通信。 当天线系统12运行在圆极化的Ka 波段时，此线极化器的两层极化板 被设置在特定的角度位置允许电磁波波束低插损透射。

为了验证双频双极化极化子系统，一个直径为100 毫米的Ka/Ku 波段的双频双极化极化子系统和VICTS 天线子系统使用高频结构模拟器(HFSS)进行模拟仿真。这里因为计算机的计算能力和存储的限制，在此模拟仿真的模型中单频VICST 天线子系统被使用，此选择并不影响双频双极化极化子系统的性能及对其的验证。其的模拟仿真结果分别列于表3和表4。表3显示了在Ka波段圆极化波时单频 VICTS 天线子系统自身及其加上双频双极化极化子系统的在不同频率的增益仿真结果， 仿真时此VICTS天线子系统处于初始位置，L2和L3 线极化板设置在特定位置允许电磁波低插损通过， 不改变其极化方式， 其圆极化器（L5）被设置在一个特定的角度位置将线极化波转换为 圆极化波。 表4显示了在Ku波段线极化波时 单频 VICTS 天线子系统自身及其加上双频双极化极化子系统的在不同频率的增益仿真结果， 仿真时此天线系统12也处于初始位置，此时圆极化器（L5）被设置在另一个特定的角度位置允许线极化电磁波低插损通过，不改变其极化方式，L2 和L3 线极化板由电动机连接皮带2转动 来旋转接受或发射的电磁波波束的E矢量的方向。 从表 3 和表 4中的结果比较可知 对于Ka和Ku两个波段，双频双接受极化器子系统造成的插入损耗均小于 0.4 dB。

表 3：在 Ka 波段和初始位置时，单频VICST 天线有/没有DBDP 极化子系统的模拟增益的比较，增益以 dB 为单位。 此系统直径为100mm。

表 4：在 Ku 波段和初始位置时，单频VICST 天线有/没有DBDP 极化子系统的模拟增益的比较，增益以 dB 为单位。 此系统直径为100mm。

双频旋转关节

可切换双波段双极化 VICTS天线系统 可运行在两个独立的波段，并在该两波段间切换。 一个双频旋转关节被引入在此系统中以实现系统在两个波段间的切换运行，参见图1。有专业知识和经验的技术人员可根据波段要求来选择 现有的商用双频旋转关节以支持 TX/TX、RX/RX 和 TX/RX 的不同组合。

双频多层天线罩

与其他的动中通天线一样，运行在户外的可切换双波段双极化 VICTS天线系统亦需要一个天线罩来保护它免受环境影响。对这个天线罩的要求是 其频宽足够宽或是可双频并双极化运行，以允许双频双极化的两个电磁波波束都可低插损穿透，而不会降低该天线在两个波段的性能。有专业知识和经验的技术人员可根据波段要求来选择已有的宽带或双频天线罩技术来设计天线罩以应用在所述可切换双波段双极化 VICTS天线系统中。 本文建议并已设计了超宽带/双频单层/多层天线罩用于 Ka和Ku 波段 的可切换双波段双极化 VICTS天线系统 作为设计示例。所提出的天线罩设计技术是用于双极化卫星通信的多层天线罩， 其采用 A 型三明治结构组合设计，如图 15 所示。 Ka和Ku 频段的A 型三明治结构的双频天线罩已经被设计完成， 并组合在上述的 VICST天线子系统和双频双极化极化子系统的设计示例中， 进行 HFSS 模拟仿真， 其Ku 和 Ka 波段结果分别总结在表 5和表 6。 此模型的直径为 100 毫米。因为计算机的计算能力和存储的限制，在此模拟仿真的模型中单频VICST 天线子系统被使用，此选择并不影响天线罩的性能及对其的验证。 结果显示此双频天线罩对可切换双波段双极化 VICTS天线系统的增益影响很小，在 Ku 波段，插损小于 0.1dB，在 Ka 波段，增益还略有增加。

表 5：在Ku 波段，单频VICTS 天线子系统和 双频双极化极化子系统带/不带天线罩的模拟增益的比较，该系统直径为 100 毫米，设置在初始位置。

表 6：在Ka波段，单频VICTS 天线子系统和双频双极化极化子系统带/不带天线罩的模拟增益的比较，该系统直径为 100 毫米，设置在初始位置。

可切换双波段双极化 VICTS天线系统的一大特点是其制造能够适合于多层加工，面向制造和装配而设计。 可切换双波段双极化 VICTS天线系统的整体被设计为多层结构，并且其中每一层都可以单独制造。双频 VICTS 天线子系统由L1 和L2两层组成，参见图4和图9。 此子系统中的VICTS辐射器被设计为L2 层，这一层是一个金属块二维阵列，其中的缝隙8用泡沫填充上下面再加上介质材料板加固支持而构成。为减少重量，所有的金属块都代以轻质的表面镀金属的塑料块。图16显示L2层的部分的三维视图以显示填充泡沫中的金属块列阵。然后与可随电动机旋转的支撑结构组装在一起，请参看图 17 所示。每一层由各自的电动机带动旋转来实现可切换双波段双极化 VICTS天线系统的波束控制以进行实时卫星移动通信。

在可切换双波段双极化 VICTS天线系统中，整个波段内不同频率的扫描覆盖范围不同。图 18 (a) 和 (b) 显示了可切换双波段双极化 VICTS天线系统在Ku/Ka 波段的设计示例的作为俯仰角函数的仿真增益。从结果可见整个波段中只有一个频率的电磁波波束可以通过天顶角，在此设计示例中， 在Ku 波段， 其中间频率，即11.725GHz，的电磁波波束通过了天顶角；在Ka 波段，其中间频率，即29.25GHz，的电磁波波束通过了天顶角。为了克服这一缺点，同时提高扫描覆盖范围，另一个独立的电动机模块旋转平台创造性地被引入加在可切换双波段双极化 VICTS天线系统的底部，以支持超宽仰角扫描覆盖范围，并使两个频段的全频段的波束的扫描都可有通过天顶角。为了提供稳定的运行，此电动机模块已被设计成双电动机旋转平台，主要由两个电动机、两个减速器、三个锥齿轮和底部支撑结构组成，通过传动机构与可切换双波段双极化 VICTS天线系统相连，如图19所示； 其中图 19(a) 显示了具有双电动机旋转平台支撑的 可切换双波段双极化 VICTS天线系统在水平初始位置侧视图；图 19(b) 显示了 双电动机旋转平台转动了 10 度时，其另一面的侧视图。当两个电机以相同的速度和相同的方向同时旋转时，旋转平台承载的可切换双波段双极化VICTS天线系统进行俯仰运动；当两个电机以相同的速度反向旋转时，位于旋转平台上方的可切换双波段双极化 VICTS天线系统能够进行水平移动。

本设计克服了VICTS天线不能全波段过顶的缺点， 使可切换双波段双极化 VICTS天线系统支持全频段天顶角扫描， 并将可切换双波段双极化 VICTS天线系统的扫描范围在两个波段都扩展到超宽仰角扫描范围； 如， Ka和Ku波段的设计示例的模拟仿真结果显示 可切换双波段双极化 VICTS天线系统的俯仰角扫描范围在 Ku 波段扩展到 0至±90度，在Ka 波段扩展到 0 至±65 度。

可切换双波段双极化 VICTS天线系统

本发明经过优化，实现了与现有的两个单波段VICTS天线系统几乎相近的天线性能，其优势是无/低互耦、恒定“有源”阻抗、无栅瓣、无盲区、扫描范围大，效率高；可通过使用塑料和金属电镀制造工艺进行量产，并减少重量，与在两个独立频段中运行的两个单频段 VICTS系统相比，可切换双波段双极化 VICTS系统将尺寸缩减了近 50%，并节省了至少40% 的成本。；本发明采用独立的集中式低噪声放大器/功率放大器LNA/PA方法，便于系统升级、更换、热控制和成本控制。与传统的有源电子扫描阵列 AESA系统相比具有更低功耗，亦无需冷却系统，组件更少，具有更长的平均故障间隔时间（MTBF）和更高的可靠性；因为组件更少，所需要的供应商要少得多，所以更易实现垂直整合制造。在毫米波波段，如 Ku、Ka、Q、V、E 和 W 波段，本发明更有优势；本发明可广泛地应用于卫星移动通信市场，如LEO/MEO用户终端的多波束系统、网关系统、移动终端和航天有效载荷系统，可大大降低了整个系统的成本，体积和重量。

本发明公开的用于卫星通信动中通的可切换双波段双极化VICTS天线系统，通过分层设置天线系统12，在尺寸和成本降低的前提下，提高了增益和带宽，实现频带有效分离；提高了完整制造控制能力。通过一单独设立的电动机平台系统进行控制，亦实现了天线系统12在两个频段实现过天顶角的扫描。

当然，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员应该可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.用于卫星通信动中通的可切换双波段双极化VICTS天线系统，为层状结构，包括双频VICTS天线子系统、双频双极化极化子系统、双频层状天线罩，其特征在于：还包括用于控制可切换双频双极化天线系统的机械子系统，所述机械子系统通过电动机和皮带连接双频VICTS天线子系统、双频双极化极化子系统；

所述双频VICTS天线子系统为层状结构：一层为一个双频馈电网络，所述双频馈电网络包括一个双频慢波结构和两个从矩形波导到慢波结构的过渡；所述过渡将输入/输出矩形波导连接到双频慢波结构并为其提供线源；所述双频慢波结构为两个波段的慢波结构正交交织成一个二维的凹槽网格结构；

另一层为双频VICTS电磁辐射器，所述双频VICTS电磁辐射器为两个单波段VICTS 天线阵列正交集成，其缝隙的长边相互垂直；交织成一个二维的金属块的矩阵结构；

所述双频双极化极化子系统包括两个线极化器或两个圆极化器，或一个线极化器和一个圆极化器；在线极化波波段工作时，可旋转电磁波波束的E矢量；在圆极化波波段工作时，可将线极化转换为左旋或右旋圆极化波；

还包括各层结构之间的气隙；

所述机械子系统包括电动机，通过电动机和皮带连接双频VICTS天线子系统、双频双极化极化子系统；

所述各层还包括与机械子系统通过转接机构连接的支撑结构。

2.根据权利要求1所述的用于卫星通信动中通的可切换双波段双极化VICTS天线系统，其特征在于：所述矩形波导到慢波结构的过渡包括作为输入/输出的标准矩形波导、扭弯波导、矩形波导中的功率分配器，以及连接到平行板波导的适配器；所述过渡中的功率分配器设置于矩形波导的H平面或E平面。

3.根据权利要求1所述的用于卫星通信动中通的可切换双波段双极化VICTS天线系统，其特征在于：所述双频慢波馈电网络包括两个单频慢波结构，所述两个单频慢波结构的凹槽垂直设置。

4.根据权利要求2或3所述的用于卫星通信动中通的可切换双波段双极化VICTS天线系统，其特征在于：所述机械子系统包括电动机、皮带和支撑结构，所述电动机通过皮带单独控制除天线罩以外的每一层结构；通过转接机构与双频VICTS天线子系统、双频双极化极化子系统、天线罩连接。

5.根据权利要求4所述的用于卫星通信动中通的可切换双波段双极化VICTS天线系统，其特征在于：天线罩为双频或宽频夹层结构。

6.根据权利要求5所述的用于卫星通信动中通的可切换双波段双极化VICTS天线系统，其特征在于：所述双频VICTS天线子系统和双频双极化极化子系统为层状介电材料层和金属块为轻质塑料材料镀金属。

7.根据权利要求6所述的用于卫星通信动中通的可切换双波段双极化VICTS天线系统，其特征在于：还包括一具有两个输入/输出端口的双频旋转接头。

8.根据权利要求7所述的用于卫星通信动中通的可切换双波段双极化VICTS天线系统，其特征在于：所述层状结构具体的是彼此相互独立的六层；从底部依次为： 第1层L1包括双频慢波结构和两个从标准波导到慢波结构的过渡；第2层 L2为双频 VICTS 辐射器；第3层和第4层L3和L4分别为两个独立的板层，为线性极化器；第5层L5为圆极化器；第6层L6为双频层状天线罩；所述双频层状天线罩固定设置于为外壳；

所述L1、L2、L3、L4、L5分别连接独立的电动机。

9.根据权利要求8所述的用于卫星通信动中通的可切换双波段双极化VICTS天线系统，其特征在于：所述气隙为六层之间的间隙，从底部依次为：G0、G1、G2、G3 和 G4；

G0 为双频 VICTS天线子系统中，双频慢波结构和双频 VICTS 辐射器之间的气隙；

G1为双频 VICTS天线子系统与双频双极化极化子系统之间的气隙；

G2为双频双极化极化子系统中线极化器的两个板层之间的气隙；

G3为双频双极化极化子系统中线极化器和圆极化器之间的气隙；

G4为双频双极化极化子系统和双频天线罩之间的气隙。

10.根据权利要求8所述的用于卫星通信动中通的可切换双波段双极化VICTS天线系统，其特征在于：可切换双波段双极化VICTS天线系统底部还设置有电动机模块，所述电动机模块包括机械连接的两个电动机、两个减速机、三个锥齿轮和一个底部支撑结构，通过转接机构与可切换双波段双极化VICTS天线系统连接。