一種基于折疊平板天線的箱式便攜衛(wèi)星通信站的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種基于折疊平板天線的箱式便攜衛(wèi)星通信站，包括可折疊Ku頻段平面陣列天線、四自由度天線支撐及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、衛(wèi)星通信終端組件、便攜天線箱?？烧郫BKu頻段平面陣列天線指微帶貼片平面反射陣列天線，通過調(diào)節(jié)介質(zhì)板上的微帶單元位置，預(yù)留出折疊空間。四自由度天線支撐及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過調(diào)節(jié)進(jìn)行天線對星。通信天線終端組件包括便攜電源、功率放大器、調(diào)制解調(diào)器、天線饋源及軟波導(dǎo)管，用于收、發(fā)信號的調(diào)理。便攜天線箱用于裝載天線、支撐裝置、終端組件，可背負(fù)，可拖行。本發(fā)明作為獨(dú)立的衛(wèi)星通信站，具有效率高、方向圖可重構(gòu)，體積小、質(zhì)量輕，加工方便，成本低，便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種基于折疊平板天線的箱式便攜衛(wèi)星通信站
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及基于折疊平板天線的箱式便攜衛(wèi)星通信站，用于減小衛(wèi)星通信地面站系統(tǒng)體積、質(zhì)量，提高通信系統(tǒng)集成度，特別適用于戶外可背負(fù)、可拖行等便攜式衛(wèi)星通信站。
【背景技術(shù)】
[0002]衛(wèi)星通信天線是衛(wèi)星地面站系統(tǒng)中的重要技術(shù)之一，用于收、發(fā)信號，從而與通信衛(wèi)星構(gòu)建星地?cái)?shù)據(jù)鏈，是衛(wèi)星地面站的射頻單元和通信系統(tǒng)核心。衛(wèi)星通信天線當(dāng)前大多基于拋物面天線的設(shè)計(jì)原理及構(gòu)型，體積、質(zhì)量大，增益高，技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛。但隨著衛(wèi)星便攜通信系統(tǒng)概念的提出，尤其衛(wèi)星通信系統(tǒng)在救災(zāi)、救援、防暴等各類應(yīng)急通信領(lǐng)域的大力推廣，可背負(fù)、可攜行的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用需求愈發(fā)突出。這對衛(wèi)星通信天線的體積、質(zhì)量及攜帶方式提出了更高要求，也使得研發(fā)高性能、低包絡(luò)、小體積、低功耗的衛(wèi)星通信天線設(shè)備迫在眉睫。傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信用拋物面天線體積、質(zhì)量大，難以折疊或拆裝，這對系統(tǒng)集成帶來了諸多不便；同時，由于決定天線性能的相位匹配精度與天線構(gòu)型有著密切的關(guān)系，這對天線設(shè)計(jì)，尤其是加工成型的整個過程提出了較高要求，也大大提高了成本。
[0003]面對諸多技術(shù)不足，近年來國內(nèi)外正在針對便攜式低包絡(luò)衛(wèi)星通信天線技術(shù)開展探索與研究，但受制于微波技術(shù)、材料、工藝及成本等方面的發(fā)展現(xiàn)狀，大多基于可拼裝拋物面天線、波導(dǎo)裂縫陣天線以及相控陣天線等設(shè)計(jì)相應(yīng)的衛(wèi)星通信天線系統(tǒng)，依然無法很好的解決高性能、便攜特性與低成本之間，天線的高精度對設(shè)計(jì)、加工水平要求過高之間的矛盾。總之，目前國內(nèi)外還沒有在性能、便攜特性、設(shè)計(jì)加工標(biāo)準(zhǔn)、成本等方面兼顧的平板式Ku波段衛(wèi)星通信天線。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種基于折疊平板天線的箱式便攜衛(wèi)星通信站，該天線效率高、方向圖可重構(gòu)，體積小、質(zhì)量輕，加工方便，成本低，天線系統(tǒng)便于攜帶。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種基于折疊平板天線的箱式便攜衛(wèi)星通信站，其特征在于:由可折疊Ku頻段平面陣列天線、四自由度天線支撐及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、通信天線終端組件、便攜天線箱組成，可折疊Ku頻段平面陣列天線又包括反射面和折疊面，反射面為微帶貼片平面反射面，反射面通過調(diào)節(jié)介質(zhì)板上微帶貼片陣列的位置，預(yù)留出折疊面折疊的占位空間；折疊面連接在四自由度天線支撐及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上；便攜天線箱將可折疊Ku頻段平面陣列天線、四自由度天線支撐及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、通信天線終端組件集成在箱中；
[0006]所述可折疊Ku頻段平面陣列天線的反射面是平面結(jié)構(gòu)，由兩種無源微帶諧振單元規(guī)則排列組成，兩種單元在行與列之間都是同等間距排列的，且每四個同一種單元的中心處設(shè)置一個不同的單元，這個同等間距不超過最高工作頻率自由空間波長的一半；兩種單元均采用至少為雙層環(huán)線的貼片結(jié)構(gòu)，在同一種單元上，沿中央開同一方向的縫，兩種單元上的縫相互垂直。
[0007]可折疊Ku頻段平面陣列天線未使用時，折疊收藏于便攜箱中，使用時，將平板天線展開，傾角通過四自由度天線支撐及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)。
[0008]在便攜箱中安裝有水平儀、指北針、刻度、傾角傳感器，通過調(diào)節(jié)便攜箱體底部的四個支撐點(diǎn)的高度保證便攜箱水平。
[0009]所述的通信天線終端組件，包括小型便攜電源、功率放大器、調(diào)制解調(diào)器、天線饋源及軟波導(dǎo)管，放置于便攜箱中。
[0010]所述的天線箱體用于戶外，可背負(fù)、可拖行。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比:在改變了傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)天線設(shè)計(jì)理念，改善了天線面構(gòu)型、支撐旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及便攜站結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一種更加適合單兵攜帯與操作、效率更高的新型衛(wèi)星通信天線系統(tǒng)，它具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0012](I)微帶貼片平面反射陣天線采用空饋形式，相比大型強(qiáng)制饋電陣列天線無需功分器、T/R組件等，天線效率較高，一般情況>50%，同時具備大張角掃描的優(yōu)點(diǎn)。平面反射陣天線是平板低剖面結(jié)構(gòu)，采用印刷微帶單元，同拋物面天線相比體積小、質(zhì)量輕、容易折疊展開。又因?yàn)殛嚸娴拿總€微帶單元都是相位調(diào)節(jié)的因素，波束賦形相對容易。
[0013](2)四自由度天線支撐及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以支持天線折疊，質(zhì)量小，精度高，保證了折疊天線面的對準(zhǔn)精度，便與調(diào)試。
[0014](3)本發(fā)明的系統(tǒng)便攜箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)合理，可以集成功率放大器、低噪聲放大器、饋電網(wǎng)絡(luò)以及調(diào)制解調(diào)器等，可以構(gòu)成功能完整的衛(wèi)星通信地面站。
[0015](4)本發(fā)明的可背負(fù)、可拖行設(shè)計(jì)，使用方便、操作靈活，便于快速運(yùn)輸、快速搭建通信鏈路。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)圖；
[0017]圖2為本發(fā)明的天線陣列圖；
[0018]圖3饋源到陣面各個單元的輻射圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0020]如圖1所示，基于折疊平板天線的箱式便攜衛(wèi)星通信站，其主要包括可折疊Ku頻段平面陣列天線1、四自由度天線支撐及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)2、衛(wèi)星通信終端組件3、便攜天線箱4。
[0021]可折疊Ku頻段平面陣列天線I包括天線反射面和折疊面，天線為微帶貼片平面反射陣天線，反射面通過調(diào)節(jié)介質(zhì)板上微帶貼片陣列的位置，預(yù)留出折疊面折疊的占位空間；由微帶貼片陣列、天線折疊面板連接在四自由度天線支撐及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)2上。低包絡(luò)平板天線安裝于四自由度天線支撐及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)2的天線面固定框架中，作為衛(wèi)星通信天線主反射面。
[0022]可折疊Ku頻段平面陣列天線的反射面是平面結(jié)構(gòu)，由大量無源微帶諧振單元規(guī)則排列組成，天線陣列結(jié)構(gòu)如圖2所示，無源微帶諧振単元包括兩種單元，分別對應(yīng)相應(yīng)的收發(fā)頻段。第一頻率單元11在行與列之間都是同等間距排列的(相當(dāng)于每相鄰的四個單元都排列成正方形)，這個間距D不能超過最高工作頻率自由空間波長的一半。在每四個呈正方形陣列的第一頻率單元11的中心處，都設(shè)置一個第二頻率單元12。因?yàn)榈诙l率單元12是在四個第一頻率單元11的陣列中心布置的，所以反向來說，第二頻率單元12也是呈等行、列間距排列的，這個間距也是D，也是不能超過最高工作頻率自由空間波長的一半。
[0023]對于兩種頻率單元本身的結(jié)構(gòu)，采用至少為雙層環(huán)線的貼片結(jié)構(gòu)，環(huán)的形狀可以為方形、圓形、十字形都可以，視物理空間的限制而定，在圖2給出的實(shí)施例中，第一頻率單元11采取的是雙層的方形環(huán)線結(jié)構(gòu)，第二頻率單元12采取的是三層的環(huán)線結(jié)構(gòu)，內(nèi)兩層為方形、外一層為十字的環(huán)線結(jié)構(gòu)。至于環(huán)與環(huán)之間的間距、環(huán)線的粗細(xì)，這些都根據(jù)平板的大小，兩種頻率單元的數(shù)量，單元間距，反射陣口徑大小限制和加工條件的限制等而作具體的調(diào)整。
[0024]為了實(shí)現(xiàn)雙極化，在同一種頻率的各單元上，沿中央開同一方向的縫，兩種頻率單元上的縫是相互垂直的(圖2上是第一頻率單元為水平縫，極化E2為X軸，第二頻率單元為垂直縫，極化El為Y軸。反之也可以)。對于兩種縫的寬度沒有要求，只要能加工出來就可以了。
[0025]微帶平板反射陣天線的反射面是平面結(jié)構(gòu)，由大量無源微帶諧振單元規(guī)則排列組成，采用饋源照射的空饋方式。為了使微帶平面反射陣天線具有最大的增益，需要對空間相位差進(jìn)行補(bǔ)償從而使每個單元的反射場在遠(yuǎn)區(qū)同相疊加。通過調(diào)節(jié)介質(zhì)板上每個微帶單元尺寸，調(diào)節(jié)反射系數(shù)相位，補(bǔ)償饋源到陣面各個單元的空間相位差，使得反射波在特定方向上實(shí)現(xiàn)同相位疊加，形成筆形波束，達(dá)到高增益的目的。
[0026]饋源到陣面各個單元需要補(bǔ)償?shù)目臻g相位差，通過下述公式計(jì)算:
[0027]φ j+k0 (R^ri.r0) + Φ 0=2η τι
[0028](I)
[0029]其中，Cti為第i個單元的相位補(bǔ)償，1?為自由空間波長數(shù)，Ri為饋源到第i個諧振單元的位置矢量，r,為陣列中心到第i個諧振單元的位置矢量，r0為主波束(輻射的最大方向)的單位矢量，(K為饋源對應(yīng)于第i個單元的相位，η為任意整數(shù)，由于相位的周期性產(chǎn)生，如圖3所示。
[0030]對于正饋的平板反射陣天線，適當(dāng)加大焦距與陣面半徑比，可以降低陣面邊緣入射角度。為減少饋源遮擋，本設(shè)計(jì)采用偏饋形式，在陣面的遠(yuǎn)端，電磁波入射角度較大，等同為垂直入射會帶來較大誤差。
[0031]相位補(bǔ)償?shù)玫胶螅涂梢哉{(diào)節(jié)介質(zhì)板上每個微帶單元尺寸，第一頻率相位補(bǔ)償是通過改變第一頻率單元11的外環(huán)尺寸(L)來實(shí)現(xiàn)的。第二頻率相位補(bǔ)償是通過改變第二頻率單元12的內(nèi)環(huán)尺寸(L2)來實(shí)現(xiàn)的，因此要根據(jù)相位補(bǔ)償量來設(shè)計(jì)這兩個尺寸，通過仿真得到。
[0032]四自由度天線支撐及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2，由天線面固定框架、天線方位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、天線俯仰調(diào)節(jié)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、饋源轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、支撐底座組成，通過調(diào)節(jié)各轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行天線對星。四自由度天線支撐及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2上安裝天線，可連同天線一起折疊放入便攜箱4中。
[0033]通信天線終端組件3，包括小型便攜電源、功率放大器、調(diào)制解調(diào)器、天線饋源及軟波導(dǎo)管等，放置于便攜箱4中。
[0034]使用時，將平板天線展開，并通過調(diào)節(jié)箱體中的水平儀、指北針、刻度、傾角傳感器、饋源支撐桿，實(shí)現(xiàn)對星功能。平板天線接收部分衛(wèi)星信號，信號被放大、變頻、濾波后得到中頻，中頻信號被中頻放大器放大后被解調(diào)進(jìn)而傳給數(shù)據(jù)處理部分；基帶信號用載波調(diào)制后輸出中頻信號，被放大后經(jīng)過本振上變頻輸出射頻信號，混頻器的射頻信號被功放放大即通過天線發(fā)射出去。
[0035] 便攜天線箱4，具有體積小、質(zhì)量輕，加工方便的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)高度集成化，需要將電源、功率放大器、調(diào)制解調(diào)器、天線饋源及軟波導(dǎo)管等通信電子設(shè)備合理的進(jìn)行位置排布，其中軟波導(dǎo)管連接功率放大器，因而，功率放大器需放置在距離軟波導(dǎo)管最近處，保證軟波導(dǎo)管不彎曲，影響通信效果。考慮到電源長時間工作，需保證散熱設(shè)計(jì)合理。同時在便攜箱中為饋源桿留有位置，不使用時可將饋源桿收于箱體中，便攜箱特別適用于戶外可背負(fù)、可拖行等便攜式衛(wèi)星通信站。在便攜箱底部設(shè)計(jì)有兩個滑輪，便于拖行。
【權(quán)利要求】
1.ー種基于折疊平板天線的箱式便攜衛(wèi)星通信站，其特征在干:由可折疊Ku頻段平面陣列天線、四自由度天線支撐及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、通信天線終端組件、便攜天線箱組成，可折疊Ku頻段平面陣列天線又包括反射面和折疊面，反射面為微帶貼片平面反射面，反射面通過調(diào)節(jié)介質(zhì)板上微帶貼片陣列的位置，預(yù)留出折疊面折疊的占位空間；折疊面連接在四自由度天線支撐及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上；便攜天線箱將可折疊Ku頻段平面陣列天線、四自由度天線支撐及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、通信天線終端組件集成在箱中； 所述可折疊Ku頻段平面陣列天線的反射面是平面結(jié)構(gòu)，由兩種無源微帶諧振單元規(guī)貝U排列組成，兩種單元在行與列之間都是同等間距排列的，且每四個同一種單元的中心處設(shè)置ー個不同的単元，這個同等間距不超過最高工作頻率自由空間波長的一半；兩種單元均采用至少為雙層環(huán)線的貼片結(jié)構(gòu)，在同一種單元上，沿中央開同一方向的縫，兩種單元上的縫相互垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于折疊平板天線的箱式便攜衛(wèi)星通信站，其特征在于:可折疊Ku頻段平面陣列天線未使用時，折疊收藏于便攜箱中，使用時，將平板天線展開，傾角通過四自由度天線支撐及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于折疊平板天線的箱式便攜衛(wèi)星通信站，其特征在于:在便攜箱中安裝有水平儀、指北針、刻度、傾角傳感器，通過調(diào)節(jié)便攜箱體底部的四個支撐點(diǎn)的高度保證便攜箱水平。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于折疊平板天線的箱式便攜衛(wèi)星通信站，其特征在于:所述的通信天線終端組件，包括小型便攜電源、功率放大器、調(diào)制解調(diào)器、天線饋源及軟波導(dǎo)管，放置于便攜箱中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于折疊平板天線的箱式便攜衛(wèi)星通信站，其特征在于:所述的天線箱體用于戶外，可背負(fù)、可拖行。
【文檔編號】H01Q9/04GK103560821SQ201310485578
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月16日
【發(fā)明者】孫科, 王濤, 陰貴源, 包金玉, 康學(xué)海, 林昕燕 申請人:北京航天福道高技術(shù)股份有限公司