CN117434561B - 一种基于L/S/X/Ka频段馈源一体化的卫星信号接收系统及方法 - Google Patents
一种基于L/S/X/Ka频段馈源一体化的卫星信号接收系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于L/S/X/Ka频段馈源一体化的卫星信号接收系统及方法，包括L/S/X/Ka四频段辐射器，所述的L/S/X/Ka四频段辐射器由S频段辐射器和L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器组成。本发明通过设计实现馈源一体化、小型化及轻量化设计，其中馈源采用L/S/X/Ka四频段一体化设计，实现4个阵子合成接收通道，在保持原有性能的前提下，将极大降低方法体积与操作复杂度，提高系统的数据接收效率。进一步的，本发明通过基于L/S/X/Ka频段馈源一体化的卫星信号接收系统进行信号接收，使得S/X/Ka频段同轴喇叭和L频段多辐射器合成形式作为辐射器以实现L/S/X/Ka四个频段同时工作，无需换馈即可实现4频段数据接收，由单站多频接收替换传统的多站单频接收，极大提升数据接收效率。
Description
技术领域
本发明涉及卫星信号技术领域，尤其涉及一种基于L/S/X/Ka频段馈源一体化的卫星信号接收系统及方法。
背景技术
目前，随着卫星空间分辨率的快速提升，数传频段向Ka及更高频段发展，对星地数据传输效率提出更高要求，并且要求地面系统具备多频段、多码率、多制式接收能力。同时，世界各国内卫星事业的发展趋势促进卫星数量将急剧攀升，截至2020年底，国内已发布53项商业卫星星座建设计划，卫星数量达6487颗，用于卫星领域的各项关键技术也均被提出更高的要求。
卫星信号在各行业的广泛应用进一步使得地面接收站建设成为研究重点。地面接收站具有跟踪、接收、记录和处理卫星数据功能，主要包括地面接收站和地面处理站，其中地面接收站由抛物面和磁带机组成，完成搜索、跟踪卫星，接收、记录卫星遥感数据。
天线系统是地面接收站的重要组成部分，其主要作用是完成对卫星的捕获、跟踪和实时天线角位置编码，为信号的接收与发射提供良好的通道，逐渐向着宽频带、多频段的方向发展。作为天线系统的关键部件，馈源网络系统的性能将直接整个天线系统的效率、旁瓣、电压驻波比和交叉极化等性能指标。因卫星与卫星接收站之间的距离遥远，为保障信号的有效传输，诸多卫星接收站采用反射面型天线，其具有方向性好，增益高等特点。
目前，现有的卫星接收站仅支持单频段工作模式，如果需覆盖不同的区域范围则要配备多套不同频段的设备，会占用额外空间，对多套设备的维护也将进一步增加成本。为了解决上述问题，“偏馈+多种馈源”的方式应运而生，可同时支持多种波段的应用需求，如现役的机动站能通过S/X，S/Ka，S/Ku组合换馈方式实现四频段统一接收，但这种安装方式繁琐，需要浪费大量的时间安装天线，且换馈源过程将影响系统的整体机动性。
多频段馈源因能扩大通信容量、提高装备集成度、降低天线系统成本、实现一站多用已成为研究热点，多种口径的天线已实现多频段馈源一体化，但均集中在卫星通信方面，在遥测和数传方面的研究较少，无法满足未来多频段测控数传一体化接收的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于L/S/X/Ka频段馈源一体化的卫星信号接收系统及方法，能够能解决传统换馈导致的时效性差、操作繁琐等问题，实现国际领先的L/X/S/Ka四频段一体化接收技术和超宽带测控、数传一体化应用。
本发明采用的技术方案为：
一种基于L/S/X/Ka频段馈源一体化的卫星信号接收系统，包括L/S/X/Ka四频段辐射器，所述的L/S/X/Ka四频段辐射器由S频段辐射器和L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器组成，用于实现L/S/X/Ka四个频段同时工作；具体包括：由外到内依次同轴设置的S频段跟踪辐射器、L/S频段外围同轴喇叭、X频段同轴喇叭和Ka频段同轴喇叭，S频段跟踪辐射器外接S频段馈电网络，L/S频段外围同轴喇叭外接L/S频段馈电网络，X频段同轴喇叭和Ka频段同轴喇叭分别外接X频段馈电网络和Ka频段馈电网络；
所述的S频段馈电网络包括S频段辐射阵子和S频段差路合成网络，其中，S频段差路合成网络用于对S频段跟踪信号左右旋输出；
所述的L/S频段馈电网络包括依次连接L/S频段分波器和L/S频段组合网络；
所述的X频段馈电网络包括X频段同轴跟踪器、X频段八路跟踪合成网络、X频段分波器、X频段合成器和X频段极化器，其中X频段同轴跟踪器和X频段八路跟踪合成网络用于X频段跟踪信号的输出；X频段分波器、X频段合成器和X频段极化器用于X频段接收数传信号输出；
所述的Ka频段馈电网络包括Ka频段同轴跟踪器、Ka频段八路跟踪合成网络和Ka频段极化器，其中Ka频段同轴跟踪器和Ka频段八路跟踪合成网络用于Ka频段跟踪信号的输出，Ka频段极化器用于Ka频段圆极化数传信号的输出。
所述的X频段波导合成网络采用波导MT、波导90度电桥及弯头组成，用于减小馈源损耗。
所述的S频段跟踪辐射器由四个S频段辐射阵子天线组成，并均匀对称的分布在L/S频段外围同轴喇叭的外侧，用于减小S频段跟踪辐射器的尺寸，实现小型化，同时，S频段差合成网络与S频段辐射阵子之间采用等相位电缆连接。
一种基于L/S/X/Ka频段馈源一体化的卫星信号接收方法，具体包括如下步骤：
步骤1：天线控制单元根据运行管理下发的业务运行时间表和目标轨道根数，自动生成本接收站接收的任务计划列表；
步骤2：数据接收任务计划生成后，为每个接收任务生成目标跟踪用天线指向角度点位预报信息；
步骤3：根据任务计划，当前任务启动时间到达时，天线控制单元自动生成控制命令，以控制相关设备进入顺序预定的数据接收状态，设置各设备参数使其进入预定工作状态；
步骤4：地面接收站接收的卫星信号进入L/S/X/Ka四频段一体化馈源后，根据信号频率的不同，接收信号分为低频信号（L/S频段信号）、中频信号（X频段信号）和高频信号（Ka频段信号）；其中，低频信号通过同轴嵌套的外部通道实现接收，中频信号通过同轴嵌套的中间通道实现接收，高频信号通过同轴嵌套的最内层实现接收；信号接收后采用圆极化器或者电桥实现左右旋圆极化功能（参见说明书附图1）；
步骤5：信号接收后，根据类型不同，分为跟踪信号输出和数传信号输出两种工作流程；
步骤6：在跟踪信号输出过程中，根据不同的频率，L/S/X/Ka四频段一体化辐射器将接收的信号通过同轴喇叭、同轴跟踪器，再利用八路跟踪合成网络实现L/S频段左右旋圆极化信号、X频段左右旋跟踪极化信号和Ka频段左右旋跟踪极化信号的输出；其中，空间不同的频段电磁波经过天线主面反射后，进入同轴喇叭内部，不同频段选取不同的通道传输，之后同轴喇叭将不同频段的信号分离后，每个频段信号进入不同传输波导内进行传输。
步骤7：在数传信号输出过程中，根据不同的频率，接收信号通过同轴喇叭、分波器、合成网络和极化器实现L/S频段数传信号、X频段数传信号和Ka频段数传信号的输出，具体如下:
步骤7.1：当接收的信号为低频信号即L/S频段信号时，L/S频段信号先通过L/S频段同轴喇叭，再通过L/S频段分波器，最后通过L/S频段组合网络实现L频段数传信号和S频段数传信号的输出；
步骤7.2：当信号为中频信号即X频段信号时，X频段信号先通过X频段同轴喇叭，再通过X频段分波器，最后通过X频段合成器的信号再通过X频段极化器实现X频段数传信号的输出；
步骤7.3：当信号为高频信号即Ka频段信号时，Ka频段信号先通过Ka频段同轴喇叭，再通过Ka频段极化器实现Ka频段数传信号的输出。
步骤8：通过低噪声放大器完成信号放大，之后输出至下变频器，以完成接收信号变频；
步骤9：当信号为跟踪信号时，跟踪信号输出至跟踪接收机，解调出误差电压，用于天线的自跟踪；当信号为数传信号时，中频数传信号输出至解调器，完成信号的解调、译码和数据存储；
步骤10：当前任务结束时间到达后，天线自动结束当前工作完成收藏，并生成任务执行报告。
特别地，所述的步骤6中，为了将X频段信号从同轴通道中分离出来并形成圆极化信号，采用波导魔T和波导90度电桥器件。
在步骤S7中，L/S频段同轴喇叭、L/S频段分波器和L/S频段八路跟踪合成网络工作方法具体包括如下步骤：
S71：L/S频段采用同轴的工作模式，即两个频段公用一个喇叭，位于同轴喇叭的最外层。在利用宽带耦合装置完成耦合后，采用双工或者三工器件将L频段和S频段信号分离；
S72：L/S频段分波器也采用同轴方式工作，用于耦合分离L/S频段信号的耦合孔开在L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器的外导体上，L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器内导体的内腔用于传输X和Ka频段信号；
S73：L/S频段合成网络为六端口器件，其作用是将L/S频段分波器的四个侧臂输入的能量进行同相合成，同时经电桥形成圆极化。
在步骤S72中，L/S频段分波器工作的具体流程如下：
（1）L/S频段分波器四个侧壁耦合出来的两对正交信号进入L/S频段波导，并完成同轴转换，即将波导中的TE11模信号转换为同轴线缆中的TEM模信号；
（2）然后两对正交的信号通过同轴线缆传输至功分器完成同相合成，之后再经3dB电桥形成圆极化，输出左右旋圆极化信号。
在步骤7.2中，X频段分波器、X频段合成器和X频段极化器工作方法如下：
（1）X频段分波器采用同轴方式工作，用于耦合分离X频段信号的耦合孔开在X/Ka双频段同轴式辐射器的外导体上，4个耦合孔对称开孔，X/Ka双频段同轴式辐射器内导体的内腔用于传输Ka频段信号；
（2）X频段合成器为五端口器件，用于将X频段分波器耦合孔连接的四个侧臂输入的能量进行同相合成，并从直通口输出；
（3）X频段极化器使用隔板极化器实现圆极化,即当线极化来波通过极化器后，电场平行和垂直两个分量的相位会相差90º，以形成圆极化波。
本发明通过方法设计实现馈源一体化、小型化及轻量化设计，其中馈源采用L/S/X/Ka四频段一体化设计，S/X/Ka三频段同轴式辐射器采用同轴喇叭，L频段四个阵子通过组合网络合成，实现4个阵子合成接收通道，在保持原有性能的前提下，将极大降低方法体积与操作复杂度，提高系统的数据接收效率。进一步的，本发明通过基于L/S/X/Ka频段馈源一体化的卫星信号接收系统进行信号接收，使得S/X/Ka频段同轴喇叭和L频段多辐射器合成形式作为辐射器以实现L/S/X/Ka四个频段同时工作，无需换馈即可实现4频段数据接收，由单站多频接收替换传统的多站单频接收，极大提升数据接收效率。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的图原理框图；
图2为本发明的流程图；
图3为本发明所述四频段辐射器的俯视图；
图4为本发明的S频段辐射器信号接收仿真结果示意图；
图5为本发明的S频段辐射器信号接收仿真结果示意图；
图6为本发明的X频段辐射器信号接收仿真结果示意图；
图7为本发明的Ka频段辐射器信号接收仿真结果示意图。
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付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。
如图1、2和3所示，本发明包括L/S/X/Ka四频段辐射器，所述的L/S/X/Ka四频段辐射器由S频段辐射器和L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器组成，用于实现L/S/X/Ka四个频段同时工作；具体包括：由外到内依次同轴设置的S频段跟踪辐射器、L/S频段同轴喇叭、X频段同轴喇叭和Ka频段同轴喇叭，S频段跟踪辐射器外接S频段馈电网络，L/S频段同轴喇叭外接L/S频段馈电网络，X频段同轴喇叭和Ka频段同轴喇叭分别外接X频段馈电网络和Ka频段馈电网络；
所述的S频段馈电网络包括S频段辐射阵子和差路合成网络，用于对S频段跟踪信号左右旋的输出；所述的L/S频段馈电网络包括依次连接的L/S频段分波器和L/S频段组合网络；所述的X频段馈电网络包括X频段同轴跟踪器、X频段八路跟踪合成网络、X频段分波器、X频段合成器和X频段极化器，其中X频段同轴跟踪器和X频段八路跟踪合成网络用于X频段跟踪信号的输出；X频段分波器、X频段合成器和X频段极化器用于X频段接收数传信号输出；
所述的Ka频段馈电网络包括Ka频段同轴跟踪器、Ka频段八路跟踪合成网络和Ka频段极化器，其中Ka频段同轴跟踪器和Ka频段八路跟踪合成网络用于Ka频段跟踪信号的输出，Ka频段极化器用于Ka频段圆极化数传信号的输出。
所述的Ka频段同轴喇叭采用圆波导加载介质的形式，通过改变介质锥的长度和介质的介电常数特性，使得喇叭可在两倍以上的频带内方向图实现等化。
所述的S频段跟踪辐射器由四个辐射阵子天线组成，分别为S频段辐射阵子、S频段辐射阵子、S频段辐射阵子和S频段辐射阵子，并均匀对称的分布在L/S频段同轴喇叭的外侧。通过上述方式可减小S频段跟踪辐射器的尺寸，实现小型化设计，S频段差合成网络与S频段辐射阵子之间采用等相位电缆连接。
实际应用时，本申请所述的L/S/X/Ka四频段辐射器包括S频段辐射器和L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器（包括L/S频段同轴喇叭、X频段同轴喇叭和Ka频段同轴喇叭，三个喇叭同轴嵌套）。所有核心器件以L/S/X/Ka三频段同轴辐射器为轴心依次展开集成，在功能上，从上到下逐次完成L/S频段信号、X频段信号和Ka频段信号的分离；在结构上，从上到下核心器件大致分为四个层面，分别是接收喇叭、L/S频段信号的分离和传输器件、X频段信号的分离和传输器件、Ka频段信号的分离和传输器件，如图1所示，具体如下所述：
第一层是接收喇叭，主要包括S频段辐射器和L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器，L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器为同轴喇叭，由外到内依次为L/S频段同轴喇叭、X频段同轴喇叭和Ka频段同轴喇叭。S频段辐射器由4个S频段辐射阵子组成，4个S频段辐射阵子均匀对称地分布在L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器的外围；L、S频段工作在同轴模式，两个频段公用一个喇叭，即L/S频段同轴喇叭，L/S频段同轴喇叭临近S频段辐射器，位于L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器的最外层；X频段同轴喇叭也工作在同轴模式，其位于L/S频段同轴内导体内腔，同时位于Ka频段同轴喇叭外，占据L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器的次外层；Ka频段工作在X频段同轴线的内导体内腔，位于同轴喇叭最内层，Ka频段同轴喇叭采用圆波导加载介质的形式，有效减小喇叭口径。
第二层是L/S频段信号的分离和传输器件，主要包括L/S频段分波器、L/S频段组合网络等。为了实现左右旋圆极化，在L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器的L/S频段同轴外导体上开四个对称耦合孔进行L/S频段分波，L/S频段分波器采用同轴嵌套方式工作，内部四个端口与耦合孔连接，外侧外部四个侧臂连接L/S频段组合网络的功分器的4个输入端，四个侧臂代表着四个通道。沿L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器传输的L/S频段信号从耦合孔分波后进入L/S频段分波器内侧4个端口，经由内部通道传输后从侧臂输出到L/S频段组合网络的功分器输入端。L/S频段组合网络是一个六端口器件，它的作用是将分波器四个侧臂输入的能量同相合成，同时经电桥形成圆极化。L/S频段组合网路内部包含两个功分器（功分器1和功分器2）和电桥，其中功分器1输入两个通道，输出连接电桥输入端1，功分器2连接着另外两个通道，输出连接电桥输入端2，电桥输出连接L/S频段组合网络的两个输出端子，实现左右旋圆极化信号的输出。
第三层是X频段信号的分离和传输器件，主要包括X频段同轴跟踪器、X频段八路跟踪合成网络、X频段分波器、X频段合成器和X频段极化器，其中X频段同轴跟踪器、X频段八路跟踪合成网络完成X频段跟踪信号的分离和输出，X频段分波器、X频段合成器和X频段极化器实现X频段数传信号的分离与输出。X频段同轴跟踪器位于L/S频段分波器下方，包括传输TE21模、TE11模的同轴圆波导（主波导）、外围的8根传输TE10模的矩形波导（副波导）及组合网络，同轴圆波导嵌套在L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器外侧，内侧面连接着X/Ka双频段同轴式辐射器，X频段跟踪信号通过耦合孔从L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器进入同轴圆波导。同轴圆波导外侧面对称分布8根矩形波导（副波导），矩形波导通过同轴圆波导的八列耦合孔耦合TE21模的ＨZ分量。8根矩形波导（副波导）输出通过波导连接X频段八路跟踪合成网络输入端，形成八个传输通道，X频段八路跟踪合成网络由功分器、微带电桥、8个输入端和2个输出端组成，功分器输入分别与8个输入端连接，输出连接电桥输入端，电桥输出连接X频段八路跟踪合成网络的两个输出端子，实现左旋、右旋跟踪极化信号的输出。
为了实现左右旋圆极化，在L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器的X频段同轴外导体上开四个对称耦合孔进行X频段分波，X频段分波器采用同轴嵌套方式工作，内部四个端口与耦合孔连接，外侧四个侧臂连接X频段合成器的四个输入端，四个侧臂代表着四个通道。X频段合成器是一个五端口器件，它的作用是将X频段分波器四个侧臂输入的能量同相合成，从直通口输出到X频段极化器。X频段极化器使用隔板极化器实现圆极化，当线极化来波通过极化器后，电场平行和垂直两个分量的相位会相差90º，从而形成了圆极化波。
最下层为Ka频段信号的分离和传输器件，主要包括Ka频段同轴跟踪器、Ka频段八路跟踪合成网络和Ka频段极化器，其中Ka频段同轴跟踪器、Ka频段八路跟踪合成网络完成Ka频段跟踪信号的分离和输出，Ka频段极化器实现Ka频段圆极化数传信号输出。Ka频段同轴跟踪器位于X频段分波器下方，包括传输TE21模、TE11模的同轴圆波导（主波导）、外围的8根传输TE10模的矩形波导（副波导）及组合网络，同轴圆波导嵌套在位于L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器外侧，内侧面连接着Ka频段同轴式辐射器，Ka频段跟踪信号通过耦合孔从同轴式辐射器进入同轴圆波导。同轴圆波导外侧面对称分布8根矩形波导（副波导），矩形波导通过同轴圆波导的八列耦合孔耦合TE21模的HZ分量。8根矩形波导（副波导）输出通过波导连接外侧面连接着Ka频段八路跟踪合成网络输入端，形成八个传输通道。其中Ka频段八路跟踪合成网络由功分器、微带电桥、8个输入端和2个输出端等组成，功分器输入分别与8个输入端连接，输出连接电桥输入端，电桥输出连接Ka频段八路跟踪合成网络的两个输出端子，实现左旋、右旋跟踪极化信号的输出。
Ka频段极化器输入与Ka频段同轴式辐射器直通口连接，使用隔板极化器实现圆极化，当线极化来波通过极化器后，电场平行和垂直两个分量的相位会相差90º，从而形成了圆极化波。
本发明突破多频段馈源一体化设计技术，解决传统天线进行多频段卫星数据接收时换馈导致的时效性差、操作繁琐等问题，能实现国际领先的L/X/S/Ka四频段一体化接收技术和超宽带测控、数传一体化应用，极大提升数据接收效率。
一种基于L/S/X/Ka频段馈源一体化的卫星信号接收方法的工作原理流程如图2，具体步骤如下：
步骤1：天线控制单元根据运行管理下发的业务运行时间表和目标轨道根数，自动生成本接收站接收的任务计划列表；
步骤2：数据接收任务计划生成后，为每个接收任务生成目标跟踪用天线指向角度点位预报信息；
步骤3：根据任务计划，当前任务启动时间到达时，天线控制单元自动生成控制命令，以控制相关设备进入顺序预定的数据接收状态，设置各设备参数使其进入预定工作状态；
步骤4：地面接收站接收的卫星信号进入L/S/X/Ka四频段一体化馈源后，根据信号频率的不同，接收信号分为低频信号（L/S频段信号）、中频信号（X频段信号）和高频信号（Ka频段信号）；其中，低频信号通过同轴嵌套的外部通道实现接收，中频信号通过同轴嵌套的中间通道实现接收，高频信号通过同轴嵌套的最内层实现接收；信号接收后采用圆极化器或者电桥实现左右旋圆极化功能（参见说明书附图1）；
步骤5：信号接收后，根据类型不同，分为跟踪信号输出和数传信号输出两种工作流程；
步骤6：在跟踪信号输出过程中，根据不同的频率，L/S/X/Ka四频段一体化辐射器将接收的信号通过同轴喇叭、同轴跟踪器，再利用八路跟踪合成网络实现L/S频段左右旋圆极化信号、X频段左右旋跟踪极化信号和Ka频段左右旋跟踪极化信号的输出；其中，空间不同的频段电磁波经过天线主面反射后，进入同轴喇叭内部，不同频段选取不同的通道传输，之后同轴喇叭将不同频段的信号分离后，每个频段信号进入不同传输波导内进行传输。
步骤7：在数传信号输出过程中，根据不同的频率，接收信号通过同轴喇叭、分波器、合成网络和极化器实现L/S频段数传信号、X频段数传信号和Ka频段数传信号的输出，具体如下:
步骤7.1：当接收的信号为低频信号（L/S频段信号）时，L/S频段信号先通过L/S频段同轴喇叭，再通过L/S频段分波器，最后通过L/S频段组合网络实现L频段数传信号和S频段数传信号的输出；
步骤7.2：当信号为中频信号（X频段信号）时，X频段信号先通过X频段同轴喇叭，再通过X频段分波器，最后通过X频段合成器的信号再通过X频段极化器实现X频段数传信号的输出；
步骤7.3：当信号为高频信号（Ka频段信号）时，Ka频段信号先通过Ka频段同轴喇叭，再通过Ka频段极化器实现Ka频段数传信号的输出。
步骤8：通过低噪声放大器完成信号放大，之后输出至下变频器，以完成接收信号变频；
步骤9：当信号为跟踪信号时，跟踪信号输出至跟踪接收机，解调出误差电压，用于天线的自跟踪；当信号为数传信号时，中频数传信号输出至解调器，完成信号的解调、译码和数据存储；
步骤10：当前任务结束时间到达后，天线自动结束当前工作完成收藏，并生成任务执行报告。
特别地，在步骤6中，L/S/X/Ka四频段一体化辐射器主要包括S频段辐射器和L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器，其中L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器为同轴喇叭，S频段辐射器通过喇叭四周的四个S频段辐射阵子（S频段辐射阵子1、S频段辐射阵子2、S频段辐射阵子3和S频段辐射阵子4）经组合网络形成方位差和俯仰差信号，即四个S频段辐射阵子先经组合网络形成圆极化，后通过控制网络对相位来实现S频段辐射阵子1与S频段辐射阵子2之间180度的相位差，形成方位差信号；同理形成俯仰差信号，具体过程如下：
（1）当信号为低频段信号（S频段信号）时，信号先通过S频段跟踪辐射器中最外围的S频段辐射阵子，再通过S频段差路合成网络实现S频段跟踪信号左右旋输出；
（2）当信号为中频段信号（X频段信号）时，信号先通过X频段同轴喇叭，再通过X频段同轴跟踪器，最后X频段同轴跟踪器输出的信号利用X频段八路跟踪合成网络实现X频段左右旋跟踪极化信号的输出；
（3）当信号为高频段信号（Ka频段信号）时，信号先通过Ka频段同轴喇叭，再通过Ka频段同轴跟踪器，最后通过Ka频段八路跟踪合成网络实现KKa频段左右旋跟踪极化信号的输出。
进一步地，在步骤6中，同轴喇叭和同轴跟踪器的具体结构如下：
S61：该同轴喇叭由外到内依次为L/S频段同轴喇叭、X频段同轴喇叭和Ka频段同轴喇叭。
（1）L/S频段同轴喇叭临近S频段辐射器，位于L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器的最外层；
（2）X频段同轴喇叭也工作在同轴模式，其位于L/S频段同轴内导体内腔，同时位于Ka频段同轴喇叭外，占据L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器的次外层；
（3）Ka频段工作在X频段同轴线的内导体内腔，位于同轴喇叭最内层。
S62：该同轴跟踪器包括X频段同轴跟踪器和Ka频段同轴跟踪器。
（1）X频段同轴跟踪器由传输TE21模、TE11模的同轴圆波导（主波导）、外围的8根传输TE10模的矩形波导（副波导）和组合网络构成。X频段同轴跟踪器通过耦合同轴圆波导中的TE21模，并应用小孔耦合原理在同轴圆波导中设置一系列小孔以耦合TE21模的ＨZ分量。
（2）Ka频段同轴跟踪器包括传输TE21模、TE11模的同轴圆波导（主波导）、外围的8根传输TE10模的矩形波导（副波导）及组合网络，其中同轴圆波导外侧面对称分布8根矩形波导（副波导），矩形波导通过同轴圆波导的八列耦合孔耦合TE21模的HZ分量。
特别地，所述的步骤7中，为了将X频段信号从同轴通道中分离出来并形成圆极化信号，采用波导魔T和波导90度电桥器件。
在步骤7.1中，L/S频段同轴喇叭、L/S频段分波器和L/S频段组合网络工作方法具体包括如下步骤：
（1）L/S频段采用同轴的工作模式，两个频段公用一个喇叭，位于同轴喇叭的最外层。在利用宽带耦合装置完成耦合后，可采用双工或者三工器件将L频段和S频段信号分离；
（2）L/S频段分波器也采用同轴方式工作，用于耦合分离L/S频段信号的耦合孔开在L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器的外导体上，L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器内导体的内腔用于传输X频段和Ka频段信号，具体流程如下：
1）L/S频段分波器四个侧壁耦合出来的两对正交信号进入L/S频段波导，并完成同轴转换，即将波导中的TE11模信号转换为同轴线缆中的TEM模信号；
2）然后两对正交的信号通过同轴线缆传输至功分器（分别为功分器1和功分器2）完成同相合成，之后再经3dB电桥形成圆极化，输出左右旋圆极化信号。
（3）L/S频段组合网络是一个六端口器件，其作用是将L/S频段分波器的四个侧臂（四个侧臂代表四路通道）输入的能量进行同相合成，同时经电桥形成圆极化。
在步骤7.2中，X频段分波器、X频段合成器和X频段极化器工作方法如下：
（1）X频段分波器采用同轴方式工作，用于耦合分离X频段信号的耦合孔开在X/Ka双频段同轴式辐射器的外导体上，4个耦合孔对称开孔，X/Ka双频段同轴式辐射器内导体的内腔用于传输Ka频段信号；
（2）X频段合成器为五端口器件，其作用是将X频段分波器耦合孔连接的四个侧臂输入的能量进行同相合成，并从直通口输出。在直通口的对面有一匹配锥，具体位置如图1所示，可通过调节锥体的锥度、锥高及纵向位置可使合成器的驻波达到最佳；
（3）X频段极化器使用隔板极化器实现圆极化,即当线极化来波通过极化器后，电场平行和垂直两个分量的相位会相差90º，以形成圆极化波。
实际使用时，本发明的方法与4.5米环焦天线组装后可实现卫星数据接收，主要完成遥测信号的接收，如图2所示，分为两种工作模式，一种为在远控指令的控制下，自动执行上级运行管理接收计划，完成数据接收任务。另一种为在发生紧急情况时，如因故障无法获取接收计划时，本地操作员可以任务需求直接生成本地任务计划，完成数据接收任务。两种工作方式主要区别在于任务计划的编制依据不同，其余步骤均相似，主要分为任务管理、任务启动、任务执行和任务结束四个阶段。因此，本发明中在卫星数据接收过程主要应用于任务执行阶段。
如图4-6所示，分别对L频段馈源、S频段馈源、X频段馈源和Ka频段馈源接收方向图进行了仿真，从天线仿真结果可知，通过基于L/S/X/Ka频段馈源一体化结构设计，能实现多频段超宽带接收，天线各频段的天线方向图、驻波等特性均满足设计要求，且天线一体化辐射器在四个频带内均具有良好的辐射特性。
同时，面对传统多天线接收造成的成本高，手动组合换馈引起的时间长和操作复杂，多码率、多制式高速数据解调尚未在国产平台上工程实现等问题。通过本发明，可直接取消手动换馈过程，无需换馈即可实现4频段数据接收，由传统多站单频接收提升单站多频接收，极大提升数据接收效率。
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“ 中心”，“ 横向”、“ 纵向”、“ 长度”、“ 宽度”、“ 厚度”、“ 上”、“ 下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”、“ 内”、“ 外”、“ 顺时针”、“ 逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙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、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中的术语“ 包括”和“ 具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行较详细的说明，但本发明不限于这里所述的特定实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等有效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (8)
1.一种基于L/S/X/Ka频段馈源一体化的卫星信号接收系统，特征在于，包括L/S/X/Ka四频段辐射器，所述的L/S/X/Ka四频段辐射器由S频段辐射器和L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器组成，用于实现L/S/X/Ka四个频段同时工作；具体包括：由外到内依次同轴设置的S频段跟踪辐射器、L/S频段外围同轴喇叭、X频段同轴喇叭和Ka频段同轴喇叭，S频段跟踪辐射器外接S频段馈电网络，L/S频段外围同轴喇叭外接L/S频段馈电网络，X频段同轴喇叭和Ka频段同轴喇叭分别外接X频段馈电网络和Ka频段馈电网络；
所述的S频段馈电网络包括S频段辐射阵子和S频段差路合成网络，其中，S频段差路合成网络用于对S频段跟踪信号左右旋输出；
所述的L/S频段馈电网络包括依次连接L/S频段分波器和L/S频段组合网络；
所述的X频段馈电网络包括X频段同轴跟踪器、X频段八路跟踪合成网络、X频段分波器、X频段合成器和X频段极化器，其中X频段同轴跟踪器和X频段八路跟踪合成网络用于X频段跟踪信号的输出；X频段分波器、X频段合成器和X频段极化器用于X频段接收数传信号输出；
所述的Ka频段馈电网络包括Ka频段同轴跟踪器、Ka频段八路跟踪合成网络和Ka频段极化器，其中Ka频段同轴跟踪器和Ka频段八路跟踪合成网络用于Ka频段跟踪信号的输出，Ka频段极化器用于Ka频段圆极化数传信号的输出。
2.根据权利要求1所述的基于L/S/X/Ka频段馈源一体化的卫星信号接收系统，其特征在于：所述的X频段八路跟踪合成网络采用波导MT、波导90度电桥及弯头组成，用于减小馈源损耗。
3.根据权利要求2所述的基于L/S/X/Ka频段馈源一体化的卫星信号接收系统，其特征在于：所述的S频段跟踪辐射器由四个S频段辐射阵子天线组成，并均匀对称的分布在L/S频段外围同轴喇叭的外侧，用于减小S频段跟踪辐射器的尺寸，实现小型化，同时，S频段差合成网络与S频段辐射阵子之间采用等相位电缆连接。
4.一种基于L/S/X/Ka频段馈源一体化的卫星信号接收方法，特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1：天线控制单元根据运行管理下发的业务运行时间表和目标轨道根数，自动生成本接收站接收的任务计划列表；
步骤2：数据接收任务计划生成后，为每个接收任务生成目标跟踪用天线指向角度点位预报信息；
步骤3：根据任务计划，当前任务启动时间到达时，天线控制单元自动生成控制命令，以控制相关设备进入顺序预定的数据接收状态，设置各设备参数使其进入预定工作状态；
步骤4：地面接收站接收的卫星信号进入L/S/X/Ka四频段一体化馈源后，根据信号频率的不同，接收信号分为低频信号即L/S频段信号、中频信号即X频段信号和高频信号即Ka频段信号；其中，低频信号通过同轴嵌套的外部通道实现接收，中频信号通过同轴嵌套的中间通道实现接收，高频信号通过同轴嵌套的最内层实现接收；信号接收后采用圆极化器或者电桥实现左右旋圆极化功能；
步骤5：信号接收后，根据类型不同，分为跟踪信号输出和数传信号输出两种工作流程；
步骤6：在跟踪信号输出过程中，根据不同的频率，L/S/X/Ka四频段一体化辐射器将接收的信号通过同轴喇叭、同轴跟踪器，再利用八路跟踪合成网络实现L/S频段左右旋圆极化信号、X频段左右旋跟踪极化信号和Ka频段左右旋跟踪极化信号的输出；其中，空间不同的频段电磁波经过天线主面反射后，进入同轴喇叭内部，不同频段选取不同的通道传输，之后同轴喇叭将不同频段的信号分离后，每个频段信号进入不同传输波导内进行传输；
步骤7：在数传信号输出过程中，根据不同的频率，接收信号通过同轴喇叭、分波器、合成网络和极化器实现L/S频段数传信号、X频段数传信号和Ka频段数传信号的输出，具体如下:
步骤7.1：当接收的信号为低频信号即L/S频段信号时，L/S频段信号先通过L/S频段同轴喇叭，再通过L/S频段分波器，最后通过L/S频段组合网络实现L频段数传信号和S频段数传信号的输出；
步骤7.2：当信号为中频信号即X频段信号时，X频段信号先通过X频段同轴喇叭，再通过X频段分波器，最后通过X频段合成器的信号再通过X频段极化器实现X频段数传信号的输出；
步骤7.3：当信号为高频信号即Ka频段信号时，Ka频段信号先通过Ka频段同轴喇叭，再通过Ka频段极化器实现Ka频段数传信号的输出；
步骤8：通过低噪声放大器完成信号放大，之后输出至下变频器，以完成接收信号变频；
步骤9：当信号为跟踪信号时，跟踪信号输出至跟踪接收机，解调出误差电压，用于天线的自跟踪；当信号为数传信号时，中频数传信号输出至解调器，完成信号的解调、译码和数据存储；
步骤10：当前任务结束时间到达后，天线自动结束当前工作完成收藏，并生成任务执行报告。
5.根据权利要求4所述的基于L/S/X/Ka频段馈源一体化的卫星信号接收方法，其特征在于：特别地，所述的步骤6中，为了将X频段信号从同轴通道中分离出来并形成圆极化信号，采用波导魔T和波导90度电桥器件。
6.根据权利要求4所述的基于L/S/X/Ka频段馈源一体化的卫星信号接收方法，其特征在于：在步骤S7中，L/S频段同轴喇叭、L/S频段分波器和L/S频段八路跟踪合成网络工作方法具体包括如下步骤：
S71：L/S频段采用同轴的工作模式，即两个频段公用一个喇叭，位于同轴喇叭的最外层；
在利用宽带耦合装置完成耦合后，采用双工或者三工器件将L频段和S频段信号分离；
S72：L/S频段分波器也采用同轴方式工作，用于耦合分离L/S频段信号的耦合孔开在L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器的外导体上，L/S/X/Ka三频段同轴式辐射器内导体的内腔用于传输X和Ka频段信号；
S73：L/S频段合成网络为六端口器件，其作用是将L/S频段分波器的四个侧臂输入的能量进行同相合成，同时经电桥形成圆极化。
7.根据权利要求4所述的基于L/S/X/Ka频段馈源一体化的卫星信号接收方法，其特征在于：在步骤S72中，L/S频段分波器工作的具体流程如下：
（1）L/S频段分波器四个侧壁耦合出来的两对正交信号进入L/S频段波导，并完成同轴转换，即将波导中的TE11模信号转换为同轴线缆中的TEM模信号；
（2）然后两对正交的信号通过同轴线缆传输至功分器完成同相合成，之后再经3dB电桥形成圆极化，输出左右旋圆极化信号。
8.根据权利要求4所述的基于L/S/X/Ka频段馈源一体化的卫星信号接收方法，其特征在于：在步骤7.2中，X频段分波器、X频段合成器和X频段极化器工作方法如下：
（1）X频段分波器采用同轴方式工作，用于耦合分离X频段信号的耦合孔开在X/Ka双频段同轴式辐射器的外导体上，4个耦合孔对称开孔，X/Ka双频段同轴式辐射器内导体的内腔用于传输Ka频段信号；
（2）X频段合成器为五端口器件，用于将X频段分波器耦合孔连接的四个侧臂输入的能量进行同相合成，并从直通口输出；
（3）X频段极化器使用隔板极化器实现圆极化,即当线极化来波通过极化器后，电场平行和垂直两个分量的相位会相差90º，以形成圆极化波。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |