CN1219004A - 用于与低地球轨道卫星通讯的天线 - Google Patents

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Abstract

一种用于与低地球轨道(LEO)卫星通讯的小型天线,能在小型地球站高速跟踪LEO卫星,天线使用了补偿抛物面天线型反射器,且主馈送器设在构成反射器的旋转抛物面的集点上。补偿抛物面天然的补偿量选择为致使在最小仰角处天线的增益最大。主馈送器机械地独立于移动反射器,被附着并固定在辐射支撑部分。同时,反射器基于AZ－EL装置的方位轴和仰角轴转动。

Description

用于与低地球轨道卫星通讯的天线
本发明涉及用于与低地球轨道卫星通讯的天线，尤其涉及一种卫星通讯系统中的地面站使用的为与低地球轨道卫星通讯而用于自动跟踪地球卫星的天线，在该通讯系统中多个低地球轨道(LEO)卫星环绕地球旋转。近来，产生了一种通过多个LEO卫星将几Mbps到几十Mbps的高速数据提供给全球用户的方案，其使用了K波段(20-30GHz)赫兹的高频信号。
在这种使用多个低地球轨道卫星的卫星通讯系统中，从小的地球站的角度看，由于每个卫星在一相对短的时间内从可视领域离去，所以需要大范围的跟踪。
在此之前，对于跟踪卫星的天线，己知多种技术被广泛地用于对地静止卫星和移动卫星所用的地球站的天线。
例如，对于跟踪方法来说，有一种单脉冲跟踪方法，其连续检测天线是否跟踪在波束的中心并控制使天线的辐射图形的方向等于卫星的方向，一步跟踪方法，其以一固定的时间间隔逐渐的移动天线并将其调整到接收电平最大的方位，以及一程控跟踪方法，其根据已知的卫星轨道的估算信息改变天线的方位。
对于支持移动天线已知的方式有，AZ-EL装置，其中移动天线的方位角和仰角是可改变的，以及一种XY装置，其将移动天线在与卫星轨道方向垂直的方向上改变。目前，AZ-EL装置是被采用最多的方式，一个轴(方位轴)是与地面垂直设置的，另一个轴(仰角轴)是水平设置的。在XY装置中，与地面水平的X轴是与Y轴垂直的，并且Y轴是与X轴一起旋转的。XY装置适于跟踪接近上空以高速移动的LEO卫星，然而，由于两个轴是位于离地较高的位置，所以XY装置存在机械误差。
下面，将参照附图描述用于跟踪卫星的常规技术地球站天线的卫星跟踪技术。
图11示出了用于跟踪卫星的地球站的常规型天线的结构。图11示出了用于跟踪卫星的地球站的一大尺寸天线的一实例，主反射器是直径为13米的卡塞格伦(Cassegrainian)天线。天线使用AZ-EL装置的驱动机构跟踪卫星，方位轴和仰角轴是由一螺旋千斤顶机构驱动的。为简化结构，驱动机构被允许在方位轴的方向上仅在±10度的范围内连续驱动，以及采用一受限驱动方法，其在天线被要求以一大角度指向另一方向时，一组螺旋被松开且天线慢慢地旋转。对于仰角轴，能够连续地在30度到90度之间驱动。一主馈送器附着在主反射器并随主反射器整体地驱动。
图12示出了用于跟踪卫星的地球站的另一常规型天线的结构和一较小尺寸的天线，其中通过用作上述大尺寸天线的一孔径天线实现了小型化和轻型化。
图12示出了一抛物面天线，其是用于国际海事卫星组织(INMARSAT)标准A的船载地球站，以及十字形对称振子和一反射器板位于旋转抛物线反射器的焦点上作为主馈送器。在天线中，反射器和辐射器是一体的。为了跟踪一卫星，上述的抛物天线是由上述的AZ-EL装置和XY装置组合的四轴装置驱动的。
上述的技术已在Toshio Sato先生所著并由日本电子和通讯工程研究所于1986年7月25日出版的“海事卫星通讯指南”中描述。
如上所述，用于卫星通讯的常规型天线的跟踪卫星技术可以有效地用于跟踪范围相对较小的静止卫星，然而，由于下面的原因上述的常规型天线不适于用于跟踪和与LEO卫星通讯：
即，在用于卫星通讯的常规型天线中，由于主馈送器和反射器是整体的并在跟踪一卫星中转动天线，所以将要转动的天线是很重的，驱动系统也是大型的，很难高速跟踪，而且用于遮盖天线的天线罩的面积也增加。在使用LEO卫星的卫星通讯系统中，考虑到许多小型地球站是设置在每个家庭里，整个天线的尺寸需要做得尽可能的小和尽可能的轻，所以小型化和轻型化是一个问题。
此外，由于主馈送器和反射器是整体的和转动天线，包括馈送系统(如低噪声放大器和高频功率放大器)的一射频(RF)发送/接收部分需要靠近主馈送器安装，以便于在转动时也能稳定地馈送到主馈送器，然而，在此情况中，由于发送/接收部分的重量使天线的重量也增加。
在此情况中，RF发送/接收部分与反射器分离并固定也是可以考虑的，然而，为了维持不受由旋转馈送部分位移支配的稳定连接，馈送器电缆需要是韧性的，转动连接和其它机构也将需要，因此使卫星通讯天线复杂且成本高。
如上所述，本发明的目的是提供一种用于与低地球轨道卫星通讯的天线，其用于与多个LEO卫星通讯的小型地球站，其是小型化和轻型化的并能以高速跟踪LEO卫星。
为实现上述目的，根据本发明的用于与低地球轨道卫星通讯的天线是基于使用低地球轨道卫星的卫星通讯系统中地面侧的用于与低地球轨道卫星通讯的天线，并用一补偿孔径天线机械地跟踪上述的低地球轨道卫星。上述的天线通过固定孔径天线的主馈送器和根据在低地球轨道卫星的方位角轴和仰角轴方向仅转动天线的反射器进行跟踪。
具体地，根据本发明提供了具有一预定补偿的旋转抛物面的反射器，与反射器连接用于基于方位角轴和仰角轴转动反射器和跟踪一低地球轨道卫星的一AZ-EL装置，用于向反射器辐射预定的波束的一主馈送器，用于向主馈送器馈送的一馈送部分和用于支撑主馈送器以使主反射器能够不受反射馈送影响而固定的一辐射器支撑部分。
上述补偿值被设定为致使在预定的最小工作仰角时天线的增益最大。
图1是本发明第一实施例用于与低地球轨道卫星通讯的补偿抛物天线结构的等效方块示意图；
图2A和2B表示了图1所示的补偿抛物天线的跟踪机构；
图3A和3B表示图2A和2B所示的仰角轴的定义；
图4示出一LEO卫星的一形象图；
图5示出采用LEO卫星的一卫星通讯系统；
图6示出了根据本发明的跟踪范围；
图7示出了一仰角、天线增益和整个抛物损耗间的关系；
图8是本发明第二实施例用于与低地球轨道卫星通讯的补偿卡塞格伦天线结构的等效方块示意图；
图9是本发明第三实施例用于与低地球轨道卫星通讯的补偿卡塞格伦天线结构的等效方块示意图；
图10是本发明第三实施例用于与低地球轨道卫星通讯的补偿格雷戈里(Gregorian)天线结构的等效方块示意图；
图11是表示常规大型地球站天线跟踪技术的外观图；
图12是表示常规小型地球站天线跟踪技术的原理示意图。
下面参照附图详细地描述本发明的第一实施例。图1是本发明最佳实施例用于与低地球轨道卫星通讯的补偿抛物天线结构的等效方块示意图；如图1所示，根据本发明的与一低地球轨道卫星100通讯的天线包括用于发送或接收一Ka波段信号的主馈送器(喇叭口)1、具有一预定旋转抛物线的补偿反射器2、与反射器2连接用于转动方位角轴和仰角轴和跟踪一低地球轨道卫星的一AZ-EL装置3、用于向主馈送器1馈送的一馈送部分4、用于支撑主馈送器1的一辐射器支撑部分5、包括低噪声放大器和高频功率放大器的一射频(RF)发送/接收部分6和固定整个天线的一天线支撑部分7。
这个天线使用了补偿抛物天线型反射天线，且主馈送器1设在形成反射器2的旋转抛物面的焦点位置。选择补偿天线的补偿量致使天线增益在后面将描述的最小仰角时为最大。主馈送器1具有机械上独立于具有移动结构的反射器2的结构，被附着在支撑部分5并固定。
同时，反射器2构成为致使它能够基于方位轴和仰角轴由AZ-EL装置3转动。来自主馈送器1的信号通过馈送部分4被馈送到RF发送/接收部分6。AZ-EL装置3、辐射支撑部分5和RF发送/接收部分6被安装在天线支撑部分7。
下面，将描述用于与图1所示低地球轨道卫星通讯的天线100的工作。
图2A和2B说明了这个天线的跟踪机构并特别表示了与跟踪相对应的反射器2和主馈送器1。图2A示出了从前面所视的反射器2和主馈送器1，实线示出了在最小工作仰角θMIN的反射器2的位置，虚线示出了仰角在约90°时反射器2的位置。图2B分别从侧面示出了反射器2和主馈送器1。从图中清楚地看出，方位轴9是绕着连接反射器2的中心和馈送器1的中心的一直线旋转的，反射器2是根据在中心的方位轴9旋转360°。标号8表示旋转抛物线的轴线。
同时，图3A和3B说明了仰角轴，而在这些图中的仰角轴意味着与在旋转抛物面上穿过补偿反射器2的旋转抛物线的一辐射直线垂直的一线相接触的一轴，该辐射直线是从旋转抛物面的轴8和抛物面9的相交点(中心)穿过补偿反射器2。最小工作仰角和90°之间的角度随在中心的仰角轴变化。
AZ-EL装置驱动反射器2致使反射器绕方位轴9和仰角轴10旋转以跟踪卫星。
即使反射器2转动，主馈送器1总是固定在抛物面的焦点位置，这是因为主馈送器是由辐射器支撑部分5固定的。
如上所述，根据本发明的卫星通讯天线绕着方位轴转动反射器2并能够全方位地跟踪卫星。显示方向性的仰角可以通过绕仰角轴转动反射器2改变，并可得到在仰角为90°的上方方向的指向性。
下面将描述用于与低地球轨道卫星通讯的上述天线的跟踪角度的所需范围。
图4表示为了覆盖整个世界在地球上的多个轨道平面上设置的多个LEO卫星的形象图。如图4所示，通过在地球上方排列多个LEO卫星提供了覆盖整个世界的卫星通讯系统，致使在地球上的任一位置可以看到卫星。
LEO卫星表示在椭圆轨道上的卫星，包括在离地面大约1500公里或以下的高度上的环形轨道，并设定每个卫星轨道周期在高度上是1000公里，每个卫星绕地球一周大约是一小时45分钟。
设定卫星的高度是765公里，最小工作仰角是30°，将被排列在同一轨道平面上的卫星数是20，为覆盖整个世界需要十个轨道平面。也就是，所需卫星的总数是200颗。所需卫星的数量是根据卫星的高度和最小工作仰角确定的，并且即使这些卫星在同样的高度，如果工作仰角是20°那么需要的卫星数是98颗，如果工作仰角是10°那么需要的卫星数是45颗。
图5是使用LEO卫星的宽带卫星通讯系统的原理图。如图5所示，在这个系统中，在小规模地球站，对小型用户如便携终端，提供了使用L波段(1.5-1.6GHz)多波束的约64Kbps的低速信道，并对大型用户如船舶、飞机和小规模办公室，提供了使用K波段(通常称为准毫米波段并为20-30GHz)的多点波束的高速数据。
本发明涉及用于与低地球轨道卫星通讯的为今后用户所用的小型地球站中使用的天线。
图6示出了从地面上小型地球站13所看到的具有一轨道平面11的LEO卫星的卫星跟踪范围。如图6所示，最小工作仰角θMIN是基于前面所述的LEO卫星数和高度间的关系确定的，且卫星跟踪范围是等于由斜线所表示的一区域，也就是，从最小工作仰角θMIN到上空顶点全方位的整个区域。
下面，图7示出了由基于仰角的空间损耗和由于降水造成的衰减组成的传播损耗(A)和补偿抛物天线增益(B)间的关系。图7还示出了传播损耗(A)和天线增益(B)的总和量，即，总传输损耗(C=A+B)包括天线增益。在图7中，最小工作仰角θMIN设置为40°。补偿量被调节到致使天线增益在该仰角最大，且传播损耗是使用在Ka波段30GHz的发送频率情况下计算出的。
根据图7示出的结果，在最小工作仰角θMIN时总传播损耗最大，随着仰角接近顶点，总传播损耗下降。
原因是在顶点方向指向增益低，这是因为它离开补偿抛物反射器的理想状态，然而，在微波波段、毫米波段和其它波段的卫星通讯中，天线增益是需要的，因为当仰角最小时，卫星是在最远处，自由空间损耗增加，通过降水区域的距离最长以及由于降水造成的衰减量最大，而在顶点的方向，上述的衰减最小。
因此，既使仰角被设定于顶点的方向，通过设定合适的值作为最小工作仰角，也可以真正克服所存在的问题。
上面描述了使用补偿抛物天线的本发明的第一实施例，然而，本发明不仅限于这样一种设有单反射器的天线。
即，本发明的第二实施例可以是使用图8所示的设有多个反射器的补偿卡塞格伦天线。
如图8所示，标号12表示具有一旋转抛物面的主反射器并且如上面所述的那样，对主反射器施行了预定的补偿，致使在最小工作仰角处获得最大天线增益。标号13表示由与旋转抛物面分享一个焦点的一旋转双曲面构成的副反射器。由于旋转双曲面的其它焦点位于主反射器的区域内，所以用于从主馈送器1辐射波束的一环形口14设置在主反射器12上。由于其它的标号与图1所示的相同，所以省略对他们的描述。
在这个实施中，由于采用了具有多个反射器的天线，天线的结构是复杂的，然而，在馈送中损耗的影响降低，易于与发送/接收部分连接，并防止了在跟踪范围内阻塞的产生，这是因为主馈送器1从主反射器12的后表面馈送。
此外，对于本发明的第三实施例，采用了图9所示的具有多个反射镜的补偿卡塞格伦天线。在这个实施例中，补偿卡塞格伦天线也设有图8所示的多个反射器，然而，这个实施例不同于第二实施例之处在于，主辐射器1的位置是在主反射器12的外部的区域。
此外，对于本发明的第四实施例，采用了图10所示的具有多个反射镜的补偿格雷戈里天线。在这个实施例中对主反射器15施行了预定的补偿，致使在最小工作仰角处获得最大天线增益。一副反射器16具有与旋转抛物面分享一个焦点的一旋转椭圆面。主馈送器1的相位中心位于旋转椭圆面的另一焦点。
根据上述第二到第四实施例所描述结构采用了多个反射器，与第一实施例相比，馈送的损耗进一步降低，主馈送器被固定，且整个天线的高度进一步降低。
如上所述，本发明的用于低地球轨道的卫星通讯的天线具有下列效果：
第一，因为使用了补偿抛物天线、补偿卡塞格伦天线和其它在最小工作仰角可以得到最大增益的天线，所以通过优化天线的侧波瓣特性和交叉极化电磁辐射隔离，可以在最小仰角处得到对卫星的一个信道的最好特性，在最小仰角处由降水造成的传播损耗和衰减最大。特别是，因为LEO天线使用毫米波段且降水的衰减是很大的，所以上述的效果很明显。
第二，由于主馈送器是固定的，馈送器和波导不需要柔性部分，所以结构简单且可靠性增强。
第三，由于跟踪卫星被驱动的部分只有反射器，所以驱动重量小，能够高速跟踪且驱动装置可以小型化和轻型化。

Claims (11)

1．一种用于与低地球轨道卫星通讯的地球站所用的天线，其用在低地球轨道卫星卫星通讯系统中地面站侧的天线，其中：
采用一补偿孔径天线机械地跟踪所述的低地球轨道卫星。
2．根据权利要求1所述的与低地球轨道卫星通讯的天线，其特征在于：
所述上述的机械地跟踪是通过固定所述孔径的主馈送器和根据在所述低地球轨道卫星的方位角轴和仰角轴方向仅转动所述孔径天线的反射器进行的。
3．一种用于与低地球轨道卫星通讯的地球站所用的天线，其用在低地球轨道卫星卫星通讯系统中地面站侧的天线，其中包括：
具有一预定补偿的旋转抛物面的反射器；
与所述反射器连接用于基于方位角轴和仰角轴转动所述反射器跟踪所述低地球轨道卫星的一AZ-EL装置；
用于向所述反射器辐射预定的波束的一主馈送器；
用于向所述主馈送器馈送的一馈送部分；以及
用于支撑所述主馈送器以使所述主反射器能够独立于所述反射器而固定的一辐射器支撑部分。
4．根据权利要求3所述的与低地球轨道卫星通讯的天线，其特征在于：
所述补偿值被设定为致使在预定的最小工作仰角时天线的增益最大。
5．根据权利要求4所述的与低地球轨道卫星通讯的天线，其特征在于：
所述预定最小工作仰角是在所述低地球轨道卫星仰角的方向跟踪的极限；以及
所述预定最小工作仰角是基于在同一轨道平面上排列的卫星数及所述低地球轨道卫星的高度确定的。
6．根据权利要求3所述的与低地球轨道卫星通讯的天线，其特征在于：
所述天线是一补偿抛物天线。
7．根据权利要求3所述的与低地球轨道卫星通讯的天线，其特征在于：
所述天线是一补偿卡塞格伦天线。
8．根据权利要求3所述的与低地球轨道卫星通讯的天线，其特征在于：
所述天线是一补偿格雷戈里天线。
9．根据权利要求3所述的与低地球轨道卫星通讯的天线，其特征在于：
所述方位轴是绕着连接所述反射器的中心和馈送器的中心的一直线旋转；以及
所述仰角轴与在旋转抛物面上穿过补偿反射器的旋转抛物线的一辐射直线垂直的一线相接触，该辐射直线是从旋转抛物面的轴和一抛物面的相交点(中心)穿过补偿反射器的旋转抛物面。
10．根据权利要求3所述的与低地球轨道卫星通讯的天线，其特征在于：
所述跟踪所述低地球轨道卫星的范围在仰角的方向上是从最小工作点到顶点，在方位角方向上是从0°至360°。
11．根据权利要求3所述的与低地球轨道卫星通讯的天线，其特征在于：
所述与低地球轨道卫星通讯的天线发送/接收微波波段或毫米波段的高频信号。
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