CN204596982U - 一种低高度动中通天线电子变极化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种低高度动中通天线电子变极化装置，其解决了现有传动变极化器的高度和体积过大，很多场合无法使用的技术问题，其包括接收双极化天线、发射双极化天线、控制单元、接收变极化单元、发射变极化单元、下变频单元和上变频单元，接收双极化天线和发射双极化天线能同时形成一对极化正交、频率相同的工作模。本实用新型广泛应用于车载、机载等移动载体卫星通信中极化对准应用。

Description

一种低高度动中通天线电子变极化装置

技术领域

本实用新型涉及一种动中通天线，特别是涉及一种低高度动中通天线电子变极化装置。

背景技术

Ku频段卫星系统采用线极化方式，载体行进过程中，姿态和地理位置的持续变化会导致波束的滚动问题。动中通系统的天线一般分为反射面天线和平板天线两种。一个反射面天线和一个电动变极化馈源就可以实现异频双极化和变极化功能，这一技术已经成熟，但在高度、机械特性等方面还不能满足大部分应用场合的要求，如图7所示，其机械结构部分，体积大。对于平板天线构成的低轮廓动中通，由于极化轴是固联在天线孔径上，通过旋转天线来调整极化显然起不到降低高度的作用。

发明内容

本实用新型为了解决现有传动变极化器的高度和体积过大，很多场合无法使用的技术问题。

本实用新型提供一种低高度动中通天线电子变极化装置，包括接收双极化天线、发射双极化天线、控制单元、接收变极化单元、发射变极化单元、下变频单元和上变频单元，接收双极化天线设有接收双极化天线的水平极化馈端和接收双极化天线的垂直极化端口，发射双极化天线设有发射双极化天线的水平极化端口和发射双极化天线的垂直极化端口；接收变极化单元和所述发射变极化单元分别与控制单元连接，收双极化天线接收的信号通过接收双极化天线的水平极化馈端和接收双极化天线的垂直极化端口分别进入到接收变极化单元，经过变极化后，再经过下变频单元变频，最后进入到通信设备；通信设备产生的信号经过所述上变频单元变频后，再进入发射变极化单元，变极化后产生水平极化信号和垂直极化信号经过发射双极化天线的水平极化端口和发射双极化天线的垂直极化端口后发射出去。

优选地，接收变极化单元是一个双通道接收变极化单元，其包括低噪声放大器一、低噪声放大器二、3dB电桥一、放大器一、放大器二、可变移相器一、可变移相器二和3dB电桥二；所述接收双极化天线的水平极化馈端的信号和接收双极化天线的垂直极化端口的信号分别经过所述低噪声放大器一和低噪声放大器二低噪放放大后传给3dB电桥一正交混合，再分两路，一路经过放大器一和所述可变移相器一移相调整，另一路经过放大器二和可变移相器二移相调整，调整后，由所述3dB电桥二正交混合成两路线极化信号并输出。

优选地，发射变极化单元是一个双通道接收变极化单元，其包括第一功分器、两个可变移相器三、两个放大器三、3dB电桥三和两个第一功率放大器，输入给所述第一功分器的信号被分为两部分信号，分别经过两个可变移相器三和所述两个放大器三，再通过所述3dB电桥三正交混合成两路线极化信号，经过两个第一功率放大器馈入发射双极化天线的水平极化端口和发射双极化天线的发射双极化天线的垂直极化端口

本实用新型的有益效果是：具有结构简单，体积小，极化控制方法简单，且可实现快速极化调整，满足低轮廓天线系统的设计要求，适用于车载、机载等移动载体卫星通信中极化对准应用。

本实用新型进一步的特征，将在以下具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。

附图说明

图1是基于双极化天线的收发变极化系统组成框图；

图2是下行信号在天线上的极化分量分解示意图；

图3是双通道接收变极化单元；

图4是双通道发射变极化单元；

图5是单通道接收变极化单元；

图6是单通道发射变极化单元；

图7是现有装置的机械结构图；

图8是本实用新型的机械结构图。

附图符号说明：

1.接收双极化天线，2.发射双极化天线，121.接收变极化单元，141.发射变极化单元，3.传感器单元，4.控制单元，122.下变频单元，142上变频单元，130.通信设备，110.接收双极化天线的水平极化馈端，111.接收双极化天线的垂直极化端口，112.发射双极化天线的水平极化端口，113.发射双极化天线的垂直极化端口；301.低噪声放大器一，302.低噪声放大器二，303.3dB电桥一，304.放大器一，305.放大器二，306.可变移相器一，307.可变移相器二，308.输入端口一，309.输入端口二，310.3dB电桥二，311.输出端口一，312.输出端口二；401.第一功分器输入端口一，402.第一功分器，407.第一功分器输出端口一，408.第一功分器输出端口二，403.可变移相器三，404.放大器三，405.3dB电桥三，409.输入端口一，410.输入端口二，406.第一功率放大器；501.可变移相器四，502.衰减器一，503.衰减器二，508.低噪声放大器三，504.合成器输入端口一，505.合成器输入端口二，506.合成器，507.合成器输出端口，602.第二功分器，601.第二功分器输入端口一，603.可变移相器五，604.衰减器二，605.第二功率放大器。10.旋转关节，20.双工器，30.限位装置，40.电机，50.极化传动装置，60.电机，70.微动开关，80.联轴器，90.金属套筒。

具体实施方式

如图1所示，接收双极化天线1和发射双极化天线2能同时形成一对极化正交、频率相同的工作模。

接收双极化天线1设有接收双极化天线的水平极化馈端110和接收双极化天线的垂直极化端口111，通过独立的馈电网络进行馈电。发射双极化天线2设有发射双极化天线的水平极化端口112和发射双极化天线的垂直极化端口113，通过独立的馈电网络进行馈电。

接收变极化单元121、发射变极化单元141分别与控制单元4连接。

接收双极化天线1接收的信号通过接收双极化天线的水平极化馈端110和接收双极化天线的垂直极化端口111分别进入到接收变极化单元121，经过变极化后，输出调整后指定的信号(水平极化信号或者垂直极化信号)，然后经过下变频单元122变频，最后进入通信设备130。而发射信号则是逆向的，通信设备130产生的信号，经过上变频单元142，变频后，再进入发射变极化单元141，变极化后产生水平极化信号和垂直极化信号，经过发射双极化天线的水平极化端口112和发射双极化天线的垂直极化端口113后发射出去。

接收变极化单元121和发射变极化单元141由微波元件组成，可实现载体运动过程中的极化匹配，可以接收或发射垂直和水平极化的信号。

传感器单元3与控制单元4连接，传感器单元3包括GPS接收机和惯性姿态元件系统。传感器单元3用于辅助计算极化角度。

静态极化角θ_s计算的是静止状态下地理坐标系下的极化角，只与载体与卫星的地理位置有关。利用GPS接收机可以提供载体的经纬度，是控制单元4可以计算出静态极化角θ_s。

公式(1)中，为地面站所在地经度与星下点经度之差，γ为接收站纬度。

另一方面，载体运动过程中拐弯、爬坡和倾斜等姿态的变化，也会造成天线波束的滚动角变化，使天线的极化面旋转。利用载体的惯性姿态元件系统实时提供的姿态参数(横滚α、纵摇β和航向φ)，经坐标变换后，求出天线极化面相对于当地水平面的波束滚动角θ_d。

${\mathrm{\θ}}_d=\arctan z\left(\frac{\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}\cos A_z+\sin \mathrm{\β}\sin A_z}{\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}\sin A_z\sin E_z-\sin \mathrm{\β}\cos A_z\sin E_z+\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}\cos E_z}\right)---\left(2\right)$

公式(2)中，

$A_z=\mathrm{arctg}\left(\frac{\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos E\cos (A-\mathrm{\φ})+\cos \mathrm{\α}\cos E\sin (A-\mathrm{\φ})-\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}\sin E}{\cos \mathrm{\α}\cos E\cos (A-\mathrm{\φ})+\sin \mathrm{\β}\sin E}\right)$

E_z＝arcsin(sinαcos E sin(A-φ)-cosαcos E sinβcos(A-φ)+cosαcosβsin E)

动态极化角θ为静态极化角θ_s和波束滚动角θ_d的线性叠加得动态极化角θ：

θ＝θ_s+θ_d   (3)

如图2所示的下行信号在天线上的极化分量分解示意图。对于线极化信号，当动态极化角θ很大时，接收双极化天线的垂直极化端口111除收到卫星V极化信号分量外，也同时收到了发送天线H极化送来的干扰信号，会存在不同信道相互间严重的极化干扰。若卫星下行水平极化信号为E_h(H方向)、垂直极化信号为E_v(V方向)，双极化天线水平分量为坐标轴X，垂直分量为坐标轴Y。E_h在X-Y上的分量分别为接收双极化天线的水平极化馈端110接收到的分量E_h1和接收双极化天线的垂直极化端口111上的分量E_h2，E_v在X-Y上的分量分别为接收双极化天线的水平极化馈端110接收到的分量E_v1和接收双极化天线的垂直极化端口111上的分量E_v2，有：

E₁＝E_hcosθ-E_vsinθ   (4)

E₂＝E_hsinθ+E_vcosθ   (5)

电子变极化按其输出极化信号的路数，可以分为单通道与双通道电子变极化，其中单通道比双通道电子变极化控制更为简单，使用的微波器件更少。但单通道变极化只能有选择性地输出一路极化信号，而双通道变极化可以同时输出正交的两路极化信号。

如图3所示，接收变极化单元121可以是一个双通道接收变极化单元。接收双极化天线的水平极化馈端110信号E₁、接收双极化天线的垂直极化端口111信号E₂，经过低噪声放大器一301、低噪声放大器二302低噪放放大后传给3dB电桥一303正交混合，再分两路，一路经过放大器一304和可变移相器一306移相调整，另一路经过放大器二305和可变移相器二307移相调整，调整后，由3dB电桥二310的输入端口一308和输入端口二309至3dB电桥二310正交混合成两路线极化信号，两路线极化信号从输出端口一311和输出端口二312输出。

当移相器φ₂和φ₁的相移差与极化角θ(静态极化角)满足φ₂-φ₁＝2θ，输出端口一311只输出卫星下行水平极化信号，同样输出端口二312只输出卫星下行垂直极化信号，且输出与下行信号E_h、E_v相比只是在相位上延迟了，并没有改变原始极化信号。

如图8所示，本装置的机械结构的长度(145.3mm)、高度及体积很小，设计紧凑，所占用体积比现有的极化装置要小很多，更适合安装到空间较小的天线当中，适宜更多应用场合。

如图4所示，发射变极化单元141可以是一个双通道发射变极化单元。第一功分器输入端口一401处的低电平RF信号，由第一功分器402分为两部分信号，分别由第一功分器输出端口一407和第一功分器输出端口二408经过两个可变移相器三403和两个放大器三404，再通过3dB电桥三405的输入端口一409和输入端口二410至3dB电桥三405正交混合成两路线极化信号，经过两个第一功率放大器406馈入发射双极化天线的水平极化端口112和发射双极化天线的发射双极化天线的垂直极化端口113。其中，可变移相器三按照φ₁-φ₂＝2θ调整相移差，放大器三404用来补偿传输过程中微波元器件的损耗。另外，这里的第一功分器402也可以采用3dB电桥。

如图5所示，接收变极化单元121可以是一个单通道接收变极化单元。接收双极化天线的水平极化馈端110信号E₁、接收双极化天线的垂直极化端口111信号E₂，由低噪声放大器三508低噪放放大后，再经过可变移相器四501、衰减器一502、衰减器二503进行幅相调整后，通过合成器输入端口一504和合成器输入端口二505混合成一路线极化信号。假设两路低噪放的增益分别为a₁和a₂，移相器的相移量为φ₁和φ₂，衰减器的衰减系数为k₁和k₂，则输出端口E：

$E=\mathrm{Re}(a_1{k}_1{e}^{-j{\mathrm{\φ}}_1}{E}_{\mathrm{sh}}+a_2{k}_2{e}^{-j{\mathrm{\φ}}_2}{E}_{\mathrm{sv}})---\left(6\right)$

移相器φ₂和φ₁和衰减器二503通过单片机MSP430控制，根据控制器提供的极化角θ实时调整，合成器输出端口507可输出一路水平极化或垂直极化信号。例如，当θ＞0时，移相器衰减器满足k₁＝sinθ/a₁，k₂＝cosθ/a₂，φ₁＝π，φ₂＝0时，合成器输出端口507可输出一路水平极化信号。

如图6所示，发射变极化单元141可以是一个单通道发射变极化单元。在第二功分器输入端口一601处的低电平RF信号，由第二功分器602分为两部分信号，分别经过可变移相器五603和衰减器二604调整后，再经过第二功率放大器605馈入双极化天线的发射双极化天线的水平极化端口112和发射双极化天线的垂直极化端口113。经过合适的幅相控制后，可在远场形成理想的极化波。

以上所述仅对本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡是在本实用新型的权利要求限定范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种低高度动中通天线电子变极化装置，其特征是，包括接收双极化天线、发射双极化天线、控制单元、接收变极化单元、发射变极化单元、下变频单元和上变频单元，所述接收双极化天线设有接收双极化天线的水平极化馈端和接收双极化天线的垂直极化端口，所述发射双极化天线设有发射双极化天线的水平极化端口和发射双极化天线的垂直极化端口；所述接收变极化单元和所述发射变极化单元分别与所述控制单元连接，所述收双极化天线接收的信号通过接收双极化天线的水平极化馈端和接收双极化天线的垂直极化端口分别进入到所述接收变极化单元，经过变极化后，再经过所述下变频单元变频，最后进入到通信设备；通信设备产生的信号经过所述上变频单元变频后，再进入所述发射变极化单元，变极化后产生水平极化信号和垂直极化信号经过所述发射双极化天线的水平极化端口和所述发射双极化天线的垂直极化端口后发射出去。

2.根据权利要求1所述的低高度动中通天线电子变极化装置，其特征是所述接收变极化单元是一个双通道接收变极化单元，其包括低噪声放大器一、低噪声放大器二、3dB电桥一、放大器一、放大器二、可变移相器一、可变移相器二和3dB电桥二；所述接收双极化天线的水平极化馈端的信号和所述接收双极化天线的垂直极化端口的信号分别经过所述低噪声放大器一和低噪声放大器二低噪放放大后传给所述3dB电桥一正交混合，再分两路，一路经过所述放大器一和所述可变移相器一移相调整，另一路经过所述放大器二和所述可变移相器二移相调整，调整后，由所述3dB电桥二正交混合成两路线极化信号并输出。

3.根据权利要求1所述的低高度动中通天线电子变极化装置，其特征是所述发射变极化单元是一个双通道接收变极化单元，其包括第一功分器、两个可变移相器三、两个放大器三、3dB电桥三和两个第一功率放大器，输入给所述第一功分器的信号被分为两部分信号，分别经过所述两个可变移相器三和所述两个放大器三，再通过所述3dB电桥三正交混合成两路线极化信号，经过两个第一功率放大器馈入发射双极化天线的水平极化端口和发射双极化天线的发射双极化天线的垂直极化端口。