CN117039426A - 一种星载多波束天线及馈电网络 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种星载多波束天线及馈电网络，涉及卫星天线技术领域。包括天线波束，天线波束阵列设置为16元，16元天线波束阵列在平板微带传输线贴片上，平板微带传输线贴片后接放大电路，用于增加信号幅度，放大电路后接巴特勒馈电网络，巴特勒馈电网络在覆盖区形成无间隔的13个天线波束。本发明通过本方案的设置，用组合功合网络将16个天线子波束分为13组，重新组合为13个天线波束，重新组合的13个天线波束在覆盖区中心具有较低的增益，在覆盖区的边缘具有较高的增益，具有较高的能量利用效率，且本方案中采用二维巴特拉馈电网络且为紧缩型网络，便于将高度压缩至0.15米，具有可实现性，同时减低了产品的质量，使得使用效果有所提高。
Description
技术领域
本发明涉及卫星天线技术领域，具体为一种星载多波束天线及馈电网络。
背景技术
卫星天线是用来收集由卫星传来的微弱信号的工具，通常为一个金属抛物面，负责将卫星信号反射到位于焦点处的馈源和高频头内。
现有常规的巴特拉矩阵网络采用分支线矩阵网络组成，为了给16元阵馈电，需采用两层8块巴特拉矩阵网络组成，在S band体积很大，高度达近1.5米，在星体上无法布局，导致可实现性较低，为此，提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种星载多波束天线及馈电网络，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种星载多波束天线及馈电网络，包括天线波束，天线波束阵列设置为16元，16元天线波束阵列在平板微带传输线贴片上，为多波束平板相控阵，平板微带传输线贴片后接放大电路，用于增加信号幅度，放大电路后接巴特勒馈电网络，巴特勒馈电网络在覆盖区形成无间隔的13个天线波束，在巴特勒矩阵的16个输入口之前采用组合功合网络将16个天线子波束分为13组，重新组合为13个天线波束，重新组合的13个天线波束在覆盖区中心具有较低的增益，在覆盖区的边缘具有较高的增益，具有较高的能量利用效率。
优选的，所述16个天线子波束覆盖星下±60度的角域，16元天线波束呈4×4阵列分布，中心四个天线波束通过合成网络合为一个天线波束，共13个天线波束。
优选的，所述天线波束的增益与天线波束占有的面积成反比，覆盖区边缘具有较高的增益，覆盖区中心具有较低的增益，一定程度上补偿了边缘距离远造成的增益跌落。
优选的，所述多波束平板相控阵设置为16元辐射阵，辐射单元采用双馈点微带贴片结构，辐射单元间距为半波长。
一种馈电网络，其特征在于，包括权利要求1-4中任一项所述的星载多波束天线，还包括一维巴特拉馈电网络，一维巴特拉馈电网络为4×4巴特勒矩阵，需要4个定向耦合器、45°移相器和大量的交叉结，4×4巴特勒矩阵输出端口功率均匀分布，不同输入端口激励时，输出端口存在相位差。
优选的，所述一维巴特拉馈电网络输入口和输出口均设置为4个，每个输出口接一个4×4巴特勒矩阵，形成16个输出口，16个输出口与波束天线相接后实现13个天线子波束，在一维巴特拉馈电网络的输入口通过功合器将4个天线波束连接在一起实现一个合成天线波束，最终形成13个波束。
优选的，所述4×4巴特勒矩阵采用蓝格耦合器结构，大大减小了尺寸，同时提高了耦合器的相位精度。
优选的，所述4×4巴特勒矩阵采用共面波导型立体交叉，共面波导型立体交叉仅有3mm×3mm空间，减小了交叉的损耗，所需的相位由微带传输线长度调整得到，结构紧凑，面积大大压缩。
优选的，所述一维巴特拉馈电网络设置为八块，组成二维巴特拉馈电网络，四块一维巴特拉馈电网络的矩阵板平行排列，矩阵板上方再正交的排列四块矩阵，上下两组矩阵板间用同轴插件连接，结构紧凑，面积大大压缩，高度减小到十分之一，电性能与现有分支线型网络相当。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
该星载多波束天线及馈电网络，通过本方案的设置，用组合功合网络将16个天线子波束分为13组，重新组合为13个天线波束，重新组合的13个天线波束在覆盖区中心具有较低的增益，在覆盖区的边缘具有较高的增益，具有较高的能量利用效率，且本方案中采用二维巴特拉馈电网络且为紧缩型网络，便于将高度压缩至0.15米，具有可实现性，同时减低了产品的质量，使得使用效果有所提高。
附图说明
图1为本发明的多波束平板相控阵天线波束布局图；
图2为本发明的多波束平板相控阵天线13波束覆盖结果图；
图3为本发明的多波束平板相控阵16元辐射阵结构图；
图4为本发明的常规分支线型混合矩阵与蓝格耦合器结构的比较图；
图5为本发明的常规分支线型交叉与紧缩型微带交叉结构的比较图；
图6为本发明的一维巴特拉矩阵网络结构图；
图7为本发明的二维巴特拉矩阵网络结构图；
图8为本发明的一维巴特拉馈电网络原理图。
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。
在卫星天线的使用过程中，需要使用到波束天线及馈电网络，本发明提供的星载多波束天线及馈电网络专门用于方便在星体上进行布局使用，保证可实行性，在使用本星载多波束天线及馈电网络过程中，其事先需要进行检查试验等准备工作，保证星载多波束天线及馈电网络的正常使用。
实施例
如图1-图7所示，本发明提供一种技术方案：
一种星载多波束天线及馈电网络，包括天线波束，天线波束阵列设置为16元，16元天线波束阵列在平板微带传输线贴片上，为多波束平板相控阵，平板微带传输线贴片后接放大电路，用于增加信号幅度，放大电路后接巴特勒馈电网络，巴特勒馈电网络在覆盖区形成无间隔的13个天线波束，在巴特勒矩阵的16个输入口之前采用组合功合网络将16个天线子波束分为13组，重新组合为13个天线波束，重新组合的13个天线波束在覆盖区中心具有较低的增益，在覆盖区的边缘具有较高的增益，具有较高的能量利用效率。
在实施例中，16元天线波束覆盖星下±60度的角域，16元天线波束呈4×4阵列分布，中心四个天线波束通过合成网络合为一个天线波束，共13个天线波束。
在实施例中，天线波束的增益与天线波束占有的面积成反比，覆盖区边缘具有较高的增益，覆盖区中心具有较低的增益，一定程度上补偿了边缘距离远造成的增益跌落，如图2具体所示，图中大圆为覆盖区，覆盖区被13个天线波束进行覆盖，覆盖区内增益不小于8dB，天线波束增益是衡量天线在特定方向上辐射或接收信号能力的一个重要指标，它表示了天线在主瓣方向上的信号强度相对于理想全向辐射天线的增益，天线波束增益取决于天线的辐射模式，即天线在不同方向上辐射或接收信号的功率分布情况，辐射模式由天线的物理结构和设计参数决定，如天线形状、尺寸、辐射元件的布局和激励方式等。
在实施例中，多波束平板相控阵设置为16元辐射阵，辐射单元采用双馈点微带贴片结构，具有双个馈电点，由金属贴片和基底介质组成，可以提供更多的设计灵活性和性能优化的可能性，辐射单元间距为半波长，为电磁波整个波长的一半，有助于确定合适的天线尺寸和布局，以实现最佳的信号辐射和接收效果。
一种馈电网络，包括星载多波束天线，还包括一维巴特拉馈电网络，一维巴特拉馈电网络为4×4巴特勒矩阵，需要4个定向耦合器、45°移相器和大量的交叉结，4×4巴特勒矩阵输出端口功率均匀分布，不同输入端口激励时，输出端口存在相位差，输出相位差如图8具体所示，定向耦合器用于实现信号的分配、耦合和测量，提供了有效的能量耦合和信号处理功能，45°移相器用于将输入信号的相位延迟或提前45度，它在微波和射频系统中用于相位调整、干涉测量和偏置控制，通过合适的电路设计和元件选择实现相位平移功能，交叉结用于实现多个输入与多个输出之间的连接和交叉。通过交叉开关控制信号的连接和断开，可以实现任意的输入输出路由。
在实施例中，一维巴特拉馈电网络输入口和输出口均设置为4个，每个输出口接一个4×4巴特勒矩阵，形成16个输出口，16个输出口与波束天线相接后实现13个天线子波束，在一维巴特拉馈电网络的输入口通过功合器将4个天线波束连接在一起实现一个合成天线波束，最终形成13个波束。
在实施例中，4×4巴特勒矩阵采用蓝格耦合器结构，大大减小了尺寸，同时提高了耦合器的相位精度，如图4具体所示，常规巴特拉矩阵中的定向耦合器采用分支线结构，高度大，不适用于在星体上进行布局，蓝格耦合器用于将信号从一个传输线耦合到另一个传输线，并实现特定的耦合比。
在实施例中，4×4巴特勒矩阵采用共面波导型立体交叉，共面波导型立体交叉仅有3mm×3mm空间，减小了交叉的损耗，所需的相位由微带传输线长度调整得到，结构紧凑，面积大大压缩，微带传输线用于在电路板上传输高频信号，如图5具体所示，常规巴特拉矩阵中的定向耦合器采用分支线结构，占有面积大，定向耦合器用于将信号从一个传输线耦合到另一个传输线，并保持特定的传输方向，通过适当设计和配置传输线和耦合元件，定向耦合器可以实现在特定频率范围内的信号耦合和传输。
在实施例中，一维巴特拉馈电网络设置为八块，组成二维巴特拉馈电网络，四块一维巴特拉馈电网络的矩阵板平行排列，矩阵板上方再正交的排列四块矩阵，上下两组矩阵板间用同轴插件连接，结构紧凑，面积大大压缩，高度减小到十分之一，电性能与现有分支线型网络相当。
工作原理：使用该星载多波束天线及馈电网络时，对该天线及馈电网络进行安排布局，保证将现有16个天线子波束进行组合成13个天线波束，使得重新组合的13个天线波束在覆盖区的边缘具有较高的增益，具有较高的能量利用效率同时二维巴特拉馈电网络进行高度压缩，具有可实现性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附实施例及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种星载多波束天线，包括天线波束，其特征在于：天线波束阵列设置为16元，16元天线波束阵列在平板微带传输线贴片上，为多波束平板相控阵，平板微带传输线贴片后接放大电路，用于增加信号幅度，放大电路后接巴特勒馈电网络，巴特勒馈电网络在覆盖区形成无间隔的13个天线波束，在巴特勒矩阵的16个输入口之前采用组合功合网络将16个天线子波束分为13组，重新组合为13个天线波束，重新组合的13个天线波束在覆盖区中心具有较低的增益，在覆盖区的边缘具有较高的增益，具有较高的能量利用效率。
2.根据权利要求1所述的一种星载多波束天线，其特征在于：所述16元天线波束覆盖星下±60度的角域，16元天线波束呈4×4阵列分布，中心四个天线波束通过合成网络合为一个天线波束，共13个天线波束。
3.根据权利要求1所述的一种星载多波束天线，其特征在于：所述天线波束的增益与天线波束占有的面积成反比，覆盖区边缘具有较高的增益，覆盖区中心具有较低的增益，一定程度上补偿了边缘距离远造成的增益跌落。
4.根据权利要求1所述的一种星载多波束天线，其特征在于：所述多波束平板相控阵设置为16元辐射阵，辐射单元采用双馈点微带贴片结构，辐射单元间距为半波长。
5.一种馈电网络，其特征在于，包括权利要求1-4中任一项所述的星载多波束天线，还包括一维巴特拉馈电网络，一维巴特拉馈电网络为4×4巴特勒矩阵，需要4个定向耦合器、45°移相器和大量的交叉结，4×4巴特勒矩阵输出端口功率均匀分布，不同输入端口激励时，输出端口存在相位差。
6.根据权利要求5所述的一种馈电网络，其特征在于：所述一维巴特拉馈电网络输入口和输出口均设置为4个，每个输出口接一个4×4巴特勒矩阵，形成16个输出口，16个输出口与波束天线相接后实现13个天线子波束，在一维巴特拉馈电网络的输入口通过功合器将4个天线波束连接在一起实现一个合成天线波束，最终形成13个波束。
7.根据权利要求5所述的一种馈电网络，其特征在于：所述4×4巴特勒矩阵采用蓝格耦合器结构，大大减小了尺寸，同时提高了耦合器的相位精度。
8.根据权利要求5所述的一种馈电网络，其特征在于：所述4×4巴特勒矩阵采用共面波导型立体交叉，共面波导型立体交叉仅有3mm×3mm空间，减小了交叉的损耗，所需的相位由微带传输线长度调整得到，结构紧凑，面积大大压缩。
9.根据权利要求5所述的一种馈电网络，其特征在于：所述一维巴特拉馈电网络设置为八块，组成二维巴特拉馈电网络，四块一维巴特拉馈电网络的矩阵板平行排列，矩阵板上方再正交的排列四块矩阵，上下两组矩阵板间用同轴插件连接，结构紧凑，面积大大压缩，高度减小到十分之一，电性能与现有分支线型网络相当。
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