CN116706508A - 可实现波束转向的立方星螺旋天线阵列及方法 - Google Patents

可实现波束转向的立方星螺旋天线阵列及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了可实现波束转向的立方星螺旋天线阵列及方法，包括顶部开口的箱体和多个螺旋天线，箱体内部设置有碳纤维卷筒，碳纤维卷筒通过减速电机带动旋转，碳纤维卷筒由碳纤维层卷制而成，碳纤维卷筒的碳纤维层一端向上穿出呈卷状形成碳纤维开口管，碳纤维开口管顶部设置有阵列天线顶板，螺旋天线一端固定在阵列天线顶板上、另一端与位于箱体内的螺旋天线底座相连；螺旋天线底座底部还设置有用于调整螺旋天线间相位差的机械调相模块。本发明使用可收缩螺旋天线，使1U尺寸的表面也可以搭载高增益的天线阵列，提高了立方星的通信能力；同时通过机械调整的方式，实现了阵列波束指向调整，大幅降低了全时段覆盖所需的卫星规模。

Description

可实现波束转向的立方星螺旋天线阵列及方法
技术领域
本发明属于星载天线技术领域，涉及一种可实现波束转向的立方星螺旋天线阵列，还涉及可实现波束转向的立方星螺旋天线阵列的方法。
背景技术
立方星是一种小型化低成本的标准化卫星，常以1U为单元尺寸既10cm*10cm*10cm，而通常一个完整的立方形为3U大小，既10cm*10cm*30cm。因此其常常只具有一个1U的表面来布置天线。在这种情况下，高频天线由于尺寸较小，可以较好的在1U表面进行设计和应用，而较低频率如L、S波段的天线，受自身尺寸限制，很难在1U表面进行设计和安装。
立方星受限于自身体积，载荷和功率都不大，因此常用于低轨。而低轨卫星飞行速度极快，每个飞行周期内只有十几分钟的工作时间。为了能够全天候工作，则需要构建大规模的星座来进行24h覆盖以及使用较低频率的天线来减小云雨干扰。而如果天线波束具有转向能力，就能够增加单颗卫星的工作时间，从而大大减少部署规模。而这要求天线在1U表面可以进行最少2*2的阵列，既单天线的截面尺寸要小于1/4U。
螺旋天线是一种常用天线。其在设计时，螺旋周长约等于工作波长，则直径约为波长的三分之一；高度尺寸与增益相关，螺旋圈数越多增益越大。这一特点使螺旋天线具有在相同频率的各种类型天线中较小的截面尺寸和更高的增益。
综上所述，螺旋天线可以在1U表面进行阵列设计，能够在较低的频段实现高增益、高带宽，且阵列后具有波束转向能力，可以大幅减小全天候覆盖所需的卫星数量，降低使用成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种可实现波束转向的立方星螺旋天线阵列，该设计在非工作时具有较小的储存体积，工作时具有高增益，高带宽，且能够进行波束转向。
本发明所采用的第一种技术方案是：可实现波束转向的立方星螺旋天线阵列，包括顶部开口的箱体和多个螺旋天线，箱体内部设置有碳纤维卷筒，碳纤维卷筒通过减速电机带动旋转，碳纤维卷筒由碳纤维层卷制而成，碳纤维卷筒的碳纤维层一端向上穿出呈卷状形成碳纤维开口管，碳纤维开口管顶部设置有阵列天线顶板，螺旋天线一端固定在阵列天线顶板上、另一端与位于箱体内的螺旋天线底座相连；螺旋天线围绕碳纤维开口管周向分布；螺旋天线底座底部还设置有用于调整螺旋天线间相位差的机械调相模块。
螺旋天线连接在螺旋天线底座和阵列天线顶板之间，通过碳纤维开口管来支撑展开；本发明的特点还在于，
碳纤维卷筒套接在卷筒轴上，卷筒轴一端连接有大带轮；减速电机一端连接有小带轮，大带轮和小带轮相配合旋转。
大带轮通过轴承与箱体相连接。
优选地，碳纤维卷筒的上部设置有碳纤维卷筒上约束器、下部设置有碳纤维卷筒下约束器。
优选地，减速电机还通过电机支架固定于箱体内部，可展开反射底板由弹性铰链展开并带有锁定结构。
优选地，其中有一半的螺旋天线配备有机械调相模块。
优选地，机械调相模块包括波束转向电机、锥齿轮组、蜗杆、涡轮，涡轮连接在螺旋天线底座底部，蜗杆固定在箱体内的轴上、并与涡轮相配合，锥齿轮组与蜗杆相连接、将旋转动力传递至蜗杆上；锥齿轮组与波束转向电机相连。
优选地，螺旋天线底座5用于支撑螺旋天线2和涡轮20，并将螺旋天线2的馈电线位置引导至天线轴心位置；碳纤维卷筒14为碳纤维开口管3的未伸出状态
优选地，箱体为适配于1U大小立方星表面的1U箱体。
优选地，还包括馈电线，馈电线位于螺旋天线轴线处，防止旋转式发生缠绕。
本发明的波束转向电机，锥齿轮组，蜗杆，涡轮构成天线阵列波束转向驱动部分，当电机开启时，涡轮被带动旋转，其所连接的螺旋天线底座5也会同步沿轴线旋转。受到螺旋天线电磁波特性的影响，螺旋天线的电磁波相位受到馈电点方位的影响。由于螺旋天线常在边沿馈电，因此一个周长等于波长的螺旋天线，其旋转半周会使得电磁波相位超前或滞后半波长，因此可以使用机械原理来控制螺旋天线的相位，使阵列中的各个天线间产生相位差，控制波束指向。
本发明所采用的第二种技术方案是，可实现波束转向的立方星螺旋天线阵列的方法，具体操作步骤如下：
将箱体安装在1U大小的立方星表面；工作时，减速电机开启，通过大小带轮将动力输出到卷筒轴，从而带动碳纤开口管伸出箱体，阵列天线顶板被顶起，带动连接在阵列天线顶板与箱体之间的螺旋天线展开；同时，螺旋天线需要收拢时，减速电机反转，带动碳纤开口管缠绕在碳纤维卷筒上；
需要进行波束指向调整时，开启波束转向电机，通过带动一根带有蜗杆的轴，来使螺旋天线同步转动，锥齿轮组将旋转动力转向°传递至蜗杆上；并最终通过蜗轮蜗杆传动使天线模块产生转动；转动后的螺旋天线与没有旋转过的天线之间产生相位差，由此改变阵列波束指向；由此，通过波束转向电机正反转即可控制阵列波束在一维方向上的转向。
本发明的有益效果是：
与现有的各种用于立方星的通信天线相比，本发明通过使用可展开螺旋天线，使1U尺寸的立方星表面也可以搭载高增益的天线阵列，提高了立方星的通信能力；同时，通过使用机械调整的方式，在不影响天线自身性能的情况下，实现了阵列波束指向调整，大幅降低了全时段覆盖所需的卫星规模。
附图说明
图1为本发明实施例的可展开装置构成及工作状态示意图；
图2为本发明的波束控制装置示意图；
图3为本发明单个螺旋天线模块构成示意图。
图中：1、阵列天线顶板，2、螺旋天线，3、碳纤维开口管，4、可展开反射底板，5、螺旋天线底座，6、碳纤维卷筒上约束器，7、大带轮，8、轴承，9、小带轮，10、电机支架，11、减速电机，12、碳纤维卷筒下约束器，13、卷筒轴，14、碳纤维卷筒，15、箱体，16、波束转向电机，17、锥齿轮组，18、轴，19、蜗杆，20、涡轮。
具体实施方式
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做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。
实施例1
本发明的可实现波束转向的立方星螺旋天线阵列，如图1所示，包括顶部开口的箱体15和多个螺旋天线2，箱体15内部设置有碳纤维卷筒14，碳纤维卷筒14通过减速电机11带动旋转，碳纤维卷筒14由碳纤维层卷制而成，碳纤维卷筒14的碳纤维层一端向上穿出呈卷状形成碳纤维开口管3，碳纤维开口管3顶部设置有阵列天线顶板1，螺旋天线2一端固定在阵列天线顶板1上、另一端与位于箱体15内的螺旋天线底座5相连；螺旋天线2围绕碳纤维开口管3周向分布；螺旋天线2连接在螺旋天线底座5和阵列天线顶板1之间，通过碳纤维开口管3来支撑展开；如图3所示，螺旋天线底座5底部还设置有用于调整螺旋天线间相位差的机械调相模块；碳纤维卷筒14为碳纤维开口管3的未伸出状态。
阵列天线顶板1，碳纤维开口管3，碳纤维卷筒上约束器6，大带轮7，小带轮9，电机支架10，减速电机11，碳纤维卷筒下约束器12，卷筒轴13，碳纤维卷筒14作为天线展收模块。展收机构依靠减速电机11将碳纤维开口管3收拢至碳纤维卷筒14的收拢状态，或反向使其伸展上升，由于箱体内体积有限，电机11轴与卷筒轴13之间通过带轮7和9进行传动。碳纤维开口管3推动阵列天线顶板1上升并提起螺旋天线2。
本发明的螺旋天线底座5用于使螺旋天线2独立于箱体15；螺旋天线底座5用于支撑螺旋天线2和涡轮20，并将螺旋天线2的馈电线位置引导至天线轴心位置。
实施例2
与实施例1的区别在于，
碳纤维卷筒14套接在卷筒轴13上，卷筒轴13一端连接有大带轮7；减速电机11一端连接有小带轮9，大带轮7和小带轮9相配合旋转。
大带轮7通过轴承8与箱体15相连接，大带轮7，小带轮9，电机支架10，减速电机11，构成天线升降装置的驱动部分，电机可逆向旋转来回收天线。
大带轮7，小带轮9，蜗杆19，卷筒轴13均安装在各自的轴上，轴与箱体15连接部分带有轴承降低摩擦。
碳纤维卷筒14的上部设置有碳纤维卷筒上约束器6、下部设置有碳纤维卷筒下约束器12。
减速电机11还通过电机支架10固定于箱体内部。
其中有一半的螺旋天线2配备有机械调相模块。碳纤维卷筒上约束器6，碳纤维卷筒下约束器12用于在圆周方向约束碳纤维卷筒14，使其不会因松弛而发生挤出。
本发明的螺旋天线底座5用于使螺旋天线2独立于箱体15；螺旋天线底座5用于支撑螺旋天线2和涡轮20，并将螺旋天线2的馈电线位置引导至天线轴心位置。
机械调相模块包括波束转向电机16、锥齿轮组17、蜗杆19、涡轮20，涡轮20连接在螺旋天线底座5底部，蜗杆19固定在箱体内的轴18上、并与涡轮20相配合，锥齿轮组17与蜗杆19相连接、将旋转动力传递至蜗杆上；锥齿轮组17与波束转向电机16相连。
箱体15为适配于1U大小立方星表面的1U箱体。箱体15上部还设置有可展开反射底板4。
还包括馈电线，馈电线位于螺旋天线轴线处，防止旋转式发生缠绕。
如图2，本发明通过一套机械调相模块来调整螺旋天线间的相位差。该模块包括波束转向电机16，锥齿轮组17，蜗杆19，涡轮20。电机16启动后，通过锥齿轮组17将旋转动力转向90°传递至蜗杆19上，并最终通过蜗轮蜗杆传动使天线模块产生转动，并与另一侧的两个天线产生相位差。通过该电机16正反转即可控制阵列波束在一维方向上的转向。
实施例3
本发明可实现波束转向的立方星螺旋天线阵列的方法，具体如下：
天线箱体可以适配1U大小的立方星表面，将箱体安装在立方星上后，非工作时螺旋天线和可展开反射底板都处于收拢状态。工作时，减速电机11开启，通过大小带轮将动力输出到卷筒轴，从而带动碳纤开口管3伸出箱体，阵列天线顶板被顶起，继而带动连接在阵列天线顶板1与箱体15之间的螺旋天线2展开；同时，螺旋天线需要收拢时，减速电机11反转，带动碳纤开口管3缠绕在碳纤维卷筒上；
需要进行波束指向调整时，开启波束转向电机，通过带动一根带有两个蜗杆的轴，来使两个螺旋天线模块同步转动，通过锥齿轮组17将旋转动力转向90°传递至蜗杆19上，并最终通过蜗轮蜗杆传动使天线模块产生转动，并与另一侧的两个天线产生相位差。通过该电机16正反转即可控制阵列波束在一维方向上的转向，转动后的两个螺旋天线与没有旋转过的两个天线之间产生相位差，由此改变阵列波束指向。
蜗杆需要沿轴向的旋转动力，但是箱体尺寸非常紧凑电机横着放不下，因此电机竖着放，用锥齿轮把旋转方向改变到需要的方向。
四个螺旋天天线组成螺旋天线阵列，天线阵列的波束是四个天线波束合成的总波束，阵列的波束可以调整指向，单天线的波束是不能调的。
阵列波束的指向调整依靠天线之间的相位差，一般通过电路内部改变。而螺旋天线的独特结构使其通过调整旋转天线就可以造成相位差。因此用电机带动天线旋转就可以改波束指向。
旋转方向通过锥齿轮变成横向，又通过蜗轮蜗杆变成纵向，同时带动两个天线同步旋转，所以一根轴上连了两个蜗杆。
综上所述，本发明为一种可实现波束转向的立方星螺旋天线阵列。通过使用螺旋天线实现了在10cm*10cm的表面布置天线阵列，极大的提高了立方星在S波段的增益和可工作带宽；通过使用带轮传动，将碳纤维开口管所需的一套传动机构的体积缩小至1U；通过一套独立的控制螺旋天线旋转的机构，在不影响天线自身电性能的情况下，实现了阵列天线的波束转向，使天线波束具有更广的覆盖范围。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.可实现波束转向的立方星螺旋天线阵列，其特征在于，包括顶部开口的箱体(15)和多个螺旋天线(2)，所述箱体(15)内部设置有碳纤维卷筒(14)，所述碳纤维卷筒(14)通过减速电机(11)带动旋转，所述碳纤维卷筒(14)由碳纤维层卷制而成，所述碳纤维卷筒(14)的碳纤维层一端向上穿出呈卷状形成碳纤维开口管(3)，所述碳纤维开口管(3)顶部设置有阵列天线顶板(1)，所述螺旋天线(2)一端固定在阵列天线顶板(1)上、另一端与位于箱体(15)内的螺旋天线底座(5)相连；所述螺旋天线(2)围绕所述碳纤维开口管(3)周向分布；所述螺旋天线底座(5)底部还设置有用于调整螺旋天线间相位差的机械调相模块。
2.如权利要求1所述的可实现波束转向的立方星螺旋天线阵列，其特征在于，所述碳纤维卷筒(14)套接在卷筒轴(13)上，所述卷筒轴(13)一端连接有大带轮(7)；所述减速电机(11)一端连接有小带轮(9)，所述大带轮(7)和小带轮(9)相配合旋转。
3.如权利要求2所述的可实现波束转向的立方星螺旋天线阵列，其特征在于，所述大带轮(7)通过轴承(8)与箱体(15)相连接；所述箱体(15)上部设置有可展开反射底板(4)，所述可展开反射底板(4)由弹性铰链展开并带有锁定结构。
4.如权利要求2所述的可实现波束转向的立方星螺旋天线阵列，其特征在于，所述碳纤维卷筒(14)的上部设置有碳纤维卷筒上约束器(6)、下部设置有碳纤维卷筒下约束器(12)。
5.如权利要求1所述的可实现波束转向的立方星螺旋天线阵列，其特征在于，所述减速电机(11)还通过电机支架(10)固定于箱体内部。
6.如权利要求1所述的可实现波束转向的立方星螺旋天线阵列，其特征在于，其中有一半的螺旋天线(2)配备有机械调相模块。
7.如权利要求1所述的可实现波束转向的立方星螺旋天线阵列，其特征在于，所述机械调相模块包括波束转向电机(16)、锥齿轮组(17)、蜗杆(19)、涡轮(20)，所述涡轮(20)连接在螺旋天线底座(5)底部，所述蜗杆(19)固定在箱体内的轴(18)上、并与所述涡轮(20)相配合，所述锥齿轮组(17)与所述蜗杆(19)相连接、将旋转动力传递至蜗杆上；所述锥齿轮组(17)与所述波束转向电机(16)相连。
8.如权利要求1所述的可实现波束转向的立方星螺旋天线阵列，其特征在于，所述箱体(15)为适配于1U大小立方星表面的1U箱体。
9.如权利要求1所述的可实现波束转向的立方星螺旋天线阵列，其特征在于，还包括馈电线，所述馈电线位于螺旋天线轴线处。
10.采用权利要求1-9中任一项所述的可实现波束转向的立方星螺旋天线阵列的方法，其特征在于，具体操作步骤如下：
将箱体安装在1U大小的立方星表面；工作时，减速电机(11)开启，通过大小带轮将动力输出到卷筒轴(13)，从而带动碳纤开口管(3)伸出箱体，阵列天线顶板(1)被顶起，带动连接在阵列天线顶板(1)与箱体(15)之间的螺旋天线(2)展开；同时，螺旋天线需要收拢时，减速电机(11)反转，带动碳纤开口管(3)缠绕在碳纤维卷筒上；
需要进行波束指向调整时，开启波束转向电机(16)，通过带动一根带有蜗杆(19)的轴(18)，来使螺旋天线同步转动，锥齿轮组(17)将旋转动力转向90°传递至蜗杆(19)上；并最终通过蜗轮蜗杆传动使天线模块产生转动；转动后的螺旋天线与没有旋转过的天线之间产生相位差，由此改变阵列波束指向；由此，通过波束转向电机(16)正反转即可控制阵列波束在一维方向上的转向。
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