CN104269610A - 一种具有宽波束均匀增益的卫星数传天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有宽波束均匀增益的卫星数传天线，该卫星数传天线采用双螺旋天线结构，并通过设有的同轴线(1)进行馈电；其特征在于，所述同轴线(1)的底端穿设一圆锥形反射杯(3)，该圆锥形反射杯(3)的底部设有凹孔(4)。本发明的卫星数传天线通过设有圆锥形反射杯，减小了卫星舱板反射对天线的影响；对于小型近地探测器，通过设计螺旋天线参数，能够使天线在要求的波束范围内具有均匀的增益分布，同时在波束范围外的增益能够快速下降；实现了小型化天线具有宽波束均匀增益的特点。
Description
技术领域
本发明涉及航天工程技术领域，具体涉及一种具有宽波束均匀增益的卫星数传天线。
背景技术
通常近地探测器为了实现与地面站进行数传通信，其天线安装在对地定向面，卫星需要消耗能量保持天线始终对向地球，而且天线波束是马鞍形的赋形波束，波束增益在中心是凹陷的。特别是对于小型的卫星，由于其能源有限，且在对地传输数据的同时，要求保持其姿态不变的进行探测活动(比如观测恒星、测量磁场等)，此时，部分卫星的姿态一般就是保持惯性定向，天线指向在空间保持不变，所以以前的中心凹陷的赋形波束天线不能使用，要求设计一种宽波束均匀增益的小型化数传天线来满足需求。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现有的数传天线无法实现宽波束均匀增益的波束要求，本发明提供一种具有宽波束均匀增益的卫星数传天线。
为实现上述目的，本发明的卫星数传天线采用双螺旋天线结构，并通过设有的同轴线进行馈电；所述同轴线的底端穿设一圆锥形反射杯，该圆锥形反射杯的底部设有凹孔，通过改变凹孔的直径及深度，使卫星数传天线的轴向直射电磁波和反射电磁波叠加为最大增益点。
作为上述技术方案的进一步改进，所述同轴线内导体的顶端焊接于其外导体的内壁上，该外导体的顶端开设有两个对称的凹槽作为卫星数传天线的巴伦结构，所述卫星数传天线中设有的两条螺旋线对称的焊接于外导体的顶端，以形成对两条螺旋线两臂的等幅、反相馈电。
作为上述技术方案的进一步改进，所述同轴线顶端开设的凹槽深度为中心波长的一半。
作为上述技术方案的进一步改进，所述圆锥形反射杯的直径为波束中心波长的二至四倍，其杯面与水平面间的倾角为10°-20°。
本发明的一种具有宽波束均匀增益的卫星数传天线优点在于：
本发明的卫星数传天线通过设有圆锥形反射杯，减小了卫星舱板反射对天线的影响；对于小型近地探测器，通过设计螺旋天线参数，能够使天线在要求的波束范围(±70°)内具有均匀的增益分布(增益≥0dBi)，同时在波束范围外的增益能够快速下降；实现了小型化天线本体总重量在不超过120g时，仍具有宽波束均匀增益的特点。
附图说明
图1为本发明实施例中的一种具有宽波束均匀增益的卫星数传天线结构示意图。
图2为本发明实施例中的圆锥形反射杯的结构示意图。
图3为未设有圆锥形反射杯的宽波束数传天线方向图。
图4为设有圆锥形反射杯的宽波束数传天线方向图。
附图标记
1、同轴线 2、螺旋线 3、圆锥形反射杯
4、凹孔
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的一种具有宽波束均匀增益的卫星数传天线进行详细说明。
本发明中的具有宽波束均匀增益的卫星数传天线本体结构如图1所示，该卫星数传天线采用双螺旋天线结构，并通过设有的同轴线1进行馈电，馈电在天线顶端。
在本实施例中，所述同轴线内导体的顶端焊接于其外导体的内壁上，该外导体的顶端可开设有两个对称的凹槽作为卫星数传天线的巴伦结构，所述卫星数传天线中设有的两条螺旋线对称的焊接于外导体的顶端，用于形成对两条螺旋线两臂的等幅、反相馈电。
基于上述的卫星数传天线的结构，该卫星数传天线与通常的螺旋天线工作原理不一样，现有的螺旋天线是采用法向模或轴向模辐射，而本发明的卫星数传天线是利用螺旋线与复传播常数相关的漏波辐射特性工作的，当工作频率改变时，其辐射主瓣可从背射向侧射方向变化。
螺旋的复传播常数β可写成β＝βr－jβi，将上式带入传播因子有e-jβZ＝e-βiZe-jβrZ，其中，βr为复传播常数实部、βi复传播常数虚部、Z为坐标Z轴；当波束被很强激励时，它最大辐射方向偏离背射，其最大指向角近似有下式：
θm≈cos-1(βi/k)
在上式中，k＝2π/λ为自由空间波数，λ为波长，如果适当控制复传播常数实部βr，即可逼近预定的波束最大指向，同时控制其虚部可达到预定的波瓣形状及增益要求。而为得到宽波束就需要增大最大指向偏角，但是当最大指向角偏离太大时，如图3所示的波束零度角(轴向)附近区域增益会发生凹陷，导致波束增益不均匀。
为了解决上述问题，如图1所示，本发明所述同轴线1的底端穿设一圆锥形反射杯3，如图2所示，该圆锥形反射杯的底部设有凹孔4。通过改变凹孔4的直径及深度，使卫星数传天线的轴向直射电磁波和反射电磁波叠加为最大增益点，而通过改变圆锥形反射杯的直径和倾角，又能够改变其它方向的电磁波分布状况。由于螺旋线直接辐射的电磁波和反射杯3反射的电磁波在空间叠加，参数合适时能够使天线增益保持均匀，因此，利用该圆锥形反射杯不但能够使波束零度角附近区域增益不再凹陷，而且能够增加天线的前后比。如图4所示，利用上述设有圆锥形反射杯的天线进行测量结果与图3进行对比可知，不但中间角域(0-20°)的波束增益提高，从θ＝0°增益7.6Bi变到θ＝20°增益3.6dBi，而且增益的前后比值也提高了，其增益前后比值为-16.2dBc，比未设有圆锥形反射杯的天线增益提高了6.6dB。
基于上述卫星数传天线的结构，进行天线设计的操作步骤为：首先，根据要求的宽波束大小，把天线的最大辐射方向偏离背射角在波束最大角附近，比如当波束宽度要求在140度时，那么最大辐射方向偏离背射角选65～75度之间。经过仿真优化后，天线方向图呈现一个边缘增益高，中间增益凹陷的状态。上述天线的最大辐射方向的调节操作，是为了满足天线波束范围的要求，以通过仿真获得增益凹陷的区域大小和天线相位中心的位置，为下一步添加圆锥形反射杯提供信息。
其次，设计中心带凹孔的圆锥形反射杯，根据前面所得到的增益凹陷的区域大小和天线相位中心的位置信息，通过天线相位中心的参数来调整设计凹孔的深度，使得天线相位中心到凹孔底面距离为天线中心波长的n/2倍(n为正整数)，初始设置时，假定相位中心在天线顶端，凹孔的直径可设计成约为中心波长的1/2，圆锥形反射杯的直径和倾角根据增益凹陷的区域大小来设计，圆锥形反射杯的直径一般取2～4倍中心波长，其杯面与水平面间的倾角取10～20度。
然后，经过仿真分析，根据仿真的方向图对前步参数进行优化，得到最后的天线电性能设计参数。
最后，考虑力学特性，设计天线的机械加工模型，模型导入力学分析软件进行力学性能分析，如果不满足要求，修改机械结构，一直到满足性能要求为止。生成加工图纸进行加工，此时螺旋线和馈电管可采用铍青铜制成，并可通过高温银钎焊进行焊接，所述的圆锥形反射杯可采用铝合金制成。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种具有宽波束均匀增益的卫星数传天线，该卫星数传天线采用双螺旋天线结构，并通过设有的同轴线(1)进行馈电；其特征在于，所述同轴线(1)的底端穿设一圆锥形反射杯(3)，该圆锥形反射杯(3)的底部设有凹孔(4)，通过改变凹孔(4)的直径及深度，使卫星数传天线的轴向直射电磁波和反射电磁波叠加为最大增益点。
2.根据权利要求1所述的具有宽波束均匀增益的卫星数传天线，其特征在于，所述同轴线(1)内导体的顶端焊接于其外导体的内壁上，该外导体的顶端开设有两个对称的凹槽作为卫星数传天线的巴伦结构，所述卫星数传天线中设有的两条螺旋线(2)对称的焊接于外导体的顶端，以形成对两条螺旋线(2)两臂的等幅、反相馈电。
3.根据权利要求2所述的具有宽波束均匀增益的卫星数传天线，其特征在于，所述同轴线(1)顶端开设的凹槽深度为中心波长的一半。
4.根据权利要求1所述的具有宽波束均匀增益的卫星数传天线，其特征在于，所述圆锥形反射杯(3)的直径为波束中心波长的二至四倍，其杯面与水平面间的倾角为10°-20°。
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