CN106252887A - 一种卫星通信收发组件及两维有源相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卫星通信收发组件及两维有源相控阵天线，该相控阵天线包括双极化天线阵列、具有双射频通道极化调整功能的收发组件、收发馈电网络、控制和电源层、支撑框架、散热装置和结构附件等。本发明在收发组件内部进行双线极化天线单元独立极化调整技术，将收到的N路水平极化信号和垂直极化信号通过极化调整变为N路信号，经信号合成后变为1路信号，有利于极化调整信号的幅相控制，避免信号先合成后的信号幅相不宜控制的缺点。本天线多个模块之间通过无电缆连接，有效利用空间尺寸，***采用相控阵技术进行空间波束扫描，可实现与卫星***的快速通信。

Description

一种卫星通信收发组件及两维有源相控阵天线
技术领域
本发明涉及的技术领域涵盖了雷达、通信、导航、电子战、侦收和遥控遥测等，具体为一种卫星通信收发组件及两维有源相控阵天线。本发明还特别适用于动载体上进行卫星通信时，及时进行卫星信号快速捕获、跟踪、极化调整等功能的卫星通信终端相控阵天线***。
背景技术
在卫星通信时，传统的天线形式为反射面天线和平板阵列天线，该类天线目前在通信市场占据了大部分的份额。随着电子信息***的发展需求以及动载体的运动速度越来越快，在高速运动的平台上安装低剖面的相控阵天线成为了一种趋势，也是目前我国各通信卫星终端使用者对天线***提出的迫切需求。在我国，Ku频段的卫星通信是一个重要的通信频谱，在该频段，卫星上使用的是线极化，其中接收频率和发射频率为互相垂直的极化形式，在大部分场合，由于终端天线的位置、姿态等因素，地面上天线信号的极化形式，与卫星信号的极化形式失配，因此需要适时进行极化调整。在以往的Ku频段卫星通信天线中，根据天线形式的不同，极化调整的方式有多种方式：
1、传统的反射面天线，具有高增益、制造成本低等特点，但是其体积笨重、拆装不便、跟踪速度慢等方面存在较大的劣势，且其极化调整方式为旋转线极化的馈源喇叭，这种方式速度较慢，不能很好的适应高机动性平台的需求。
2、平板阵列天线，具有合成效率高，加工方便，阵列波束合成灵活等优点，其机械跟踪方式方面存在波束指向容易偏离预定方向的缺点，极化调整方式为将平板阵列分为相等的四部分，采用信号合成的方式进行极化调整，这种方式依托于阵面的分块，对信号的幅相一致性要求较高。
3、一维有源相控阵天线，这类体制的天线兼顾了机械扫描天线和相扫天线的优点，并且在方位面上不存在增益扫描损失的缺点，但在卫星通信领域的发展也相对缓慢，主要是由于仍然存在机械扫描的机构，对高速平台也存在极化失配和跟踪速度慢的缺点。
发明内容
本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处，提供一种卫星通信收发组件及两维有源相控阵天线***，该***具有无机械伺服机构、波束偏转速度快，极化调整快，可实现快速的跟踪等优点，具有很高的工程应用前景。
本发明所采用的技术方案为：一种卫星通信收发组件，包括2N个射频通道10、极化调整电路和信号合成端口12；N个双极化天线单元的垂直极化通道和水平极化通道分别与2N个射频通道10一一对应连接；极化调整电路将2N个射频通道10中每相邻的两个通道收来的双极化信号进行极化调整输出N路极化调整后的信号，N路极化调整后的信号经信号合成网络合成为1路信号，该路信号经信号合成端口12输出；其中，N为大于等于1的自然数；
极化调整电路的信号分配网络将外部输入的射频信号等分成N路后，将每一路射频信号移相后分成相同的两路信号，并根据通信需求对两路信号的幅度和相位进行调整，调整后的两路信号通过双极化天线辐射出去。
其中，所述的极化调整电路包括3N个开关、4N个滤波器、2N个低噪放、2N个功率放大器、6N个移相器、N个2合1合路器、N个1分2分路器和信号合成/分配网络；垂直极化信号和水平极化信号在各自开关的控制下分别依次经滤波、低噪声放大和移相后，将移相后的2路信号经2合1合路器合成1路射频信号，N路射频信号一一对应经收通道的N个移相器进行移相后分别通过开关输入到信号合成/分配网络；信号合成/分配网络将收到的射频信号分成N路后经N个开关一一对应输出到发通道的N个移相器进行移相处理，每路移相处理后的信号经1分2分路器分成相同的2路射频信号，每路射频信号依次经移相、功率放大和滤波后经开关输出至双极化天线单元。
一种卫星通信两维有源相控阵天线，包括双极化天线阵列2、M个收发组件3和收发馈电网络4，双极化天线阵列2有M×N个双极化天线单元组成，其特征在于：每N个双极化天线单元的垂直极化通道和水平极化通道分别与收发组件3的2N个射频通道10一一对应连接；收发组件3的信号合成端口12与收发馈电网络4的射频接口14相连接。
其中，所述的M×N个双极化天线单元按照预设排布方式组成双极化天线阵列2，双极化天线阵列2通过电缆或者快插接头与收发组件3相连接，双极化天线阵列2为双极化微带天线阵列、双极化振子天线阵列或者双极化波导天线阵列。
其中，所述的收发馈电网络4为用于进行信号等功分或者不等功分的U型结构，采用微带印制板印制而成；收发馈电网络4包括射频接口14和射频总口15，射频接口14的数量与收发组件3的数量相同，每个射频接口14分别与收发组件3的一个合成端口12相连接，射频信号通过射频总口15输出或输入。
其中，还包括控制和电源层5，所述的控制和电源层5包括微带印制板、设置在微带印制板下表面的控制和电源器件、与收发组件3的控制接口13相连接的控制接口17和控制与电源总口16；控制与电源总口16为多芯连接器，用于控制信号输入、电源输入以及通信信号收发。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1、本发明利用集成化结构，提高天线阵面的空间利用率，同时减小了整个***的尺寸。
2、本发明利用在收发组件内部进行双线极化天线单元独立极化调整技术，有利于极化调整信号的幅相控制，避免信号先合成后的信号幅相不宜控制的缺点。
3、本发明中，利用集成化的控制电路和特殊形状的馈电网络实现了整个***的无电缆连接方式，有利于整个***的小型化设计。
4、本发明的一体化结构附件有利于***的散热、集成化以及小型化设计，降低了***的高度。
附图说明
图1是本发明卫星通信两维有源相控阵天线的三维图。
图2是本发明的分模块结构示意图。
图3是本发明的收发组件的侧视图。
图4是本发明的收发组件结构框图。
图5是本发明的收发馈电网络示意图。
图6是本发明的控制和电源层示意图。
图7是本发明支撑框架示意图。
具体实施方式
下面，结合图1-图7对本发明做进一步说明。
如图1、图2所示，一种卫星通信两维有源相控阵天线1，为一种集成化设计结构。该相控阵天线由双极化天线阵列2、具有双射频通道极化调整功能的收发组件3、收发馈电网络4、控制和电源层5、支撑框架6、风扇安装板7、散热板8和结构附件9等组成；支撑框架6为板状结构，其内部设置有收发组件3，支撑框架6的上表面固定有双极化天线阵列2，支撑框架6的下表面固定有控制和电源层5，控制和电源层5与收发组件3之间设置有收发馈电网络4；支撑框架6的两侧分别设置有风扇安装板7和散热板8，风扇安装板7上设置有多个用于安装风扇的空间，支撑框架6另外两侧设置有安装附件9。
所述的双极化天线阵列2不仅仅为双极化微带天线阵列，还包括双极化的振子天线阵列、双极化波导天线阵列等；双极化天线阵列2由M×N个双极化天线单元按照设定的排布方式组成阵列并设置在支撑框架6的上表面，通过电缆或者快插接头与后端的收发组件3相连接。
如图3所示，具有双射频通道极化调整功能的收发组件3的一侧表面设置有多个散热齿11，双极化天线阵列2的双极化通道通过电连接器分别与M个收发组件3上设置的射频通道10对应连接；在收发组件3内部，每相邻的两个射频通道通过极化调整电路进行双极化信号的极化调整。假定每个收发组件的射频通道数目为2N，N为自然数，通过极化调整后信号通道变为N，在收发组件3内部的N路合成后的信号通过内部的信号合成网络变为1路，通过信号合成端口12变为1路，与收发馈电网络4的射频接口14连接。在收发组件3的底部设置控制接口13，与控制和电源层5的控制接头17连接，连接方式可以通过快插或者线缆的方式。
如图4所示，极化调整电路包括3N个开关、4N个滤波器、2N个低噪放、2N个功放、6N个移相器、N个2合1合路器、N个1分2分路器和信号合成/分配网络；每个双极化天线单元将收到的垂直极化信号和水平极化信号在各自开关的控制下分别依次经滤波、低噪声放大和移相后，将移相后的信号经2合1合路器合成1路射频信号，N路射频信号一一对应经收通道的N个移相器进行移相后分别通过开关输入到信号合成/分配网络；信号合成/分配网络将收到的射频信号分成N路后经N个开关一一对应输出到发通道的N个移相器进行移相处理，每路移相处理后的信号经1分2分路器分成相同的2路射频信号，每路射频信号依次经移相、功率放大和滤波后经开关输出至双极化天线单元。
如图5所示，收发馈电网络4为U型结构，在其内部进行信号的等功分或者不等功分，采用微带印制板印制而成，射频接口14分别与收发组件3的合成端口12连接，信号合成后通过射频总口15输出或输入。
如图6所示，控制和电源层5包括微带印制板和设置在微带印制板下表面的控制和电源器件，以及与收发组件3相连接的控制接口17，在控制和电源层5的一侧设置控制与电源总口16，形式为多芯连接器，主要作为控制信号、电源输入以及通信信号所用。
如图7所示，支撑框架6为板状结构，作为支撑各个模块所用。支撑框架6的一侧设置风扇安装板7，在风扇安装板7上设置多个圆形空间以便安装风扇进行***散热。在支撑框架6的一侧设置散热板8，以便热气散出。在支撑框架6另外的对称两侧设置安装附件9，作为整体天线在所设计安装平台上的安装辅助结构。
工作原理
由于使用的通信卫星通常是线极化状态工作，载体处于不同的空间位置时，天线对同一卫星的极化角不同，因此，极化角需要调整。极化角调整的过程是采集天线载体所处的位置信息，结合卫星的经度，计算出天线对卫星的极化角，通过组件内部的控制极化调整模块实时控制天线极化，使天线极化与卫星极化相匹配。
在信号的接收通道，来自卫星的信号首先经过双线极化天线单元进行接收，两路信号分别进入到接收组件对应的射频通道，通过射频通道内部的移相器、衰减器根据计算出的极化角，进行信号匹配调整，并合成一路信号，信号经过组件内部滤波器滤波，进一步提高收发信号的隔离度，并分别通过两级低噪声放大器，进入射频网络进行信号合成。
本发明在进行信号接收时，根据天线***所处的地理位置、平台姿态等信息，计算出所需的波束指向角。工作时，天线口面的阵列将卫星信号通过天线单元传输到接收组件，完成信号的滤波和放大，使信号满足要求的信噪比，而后进入组件内部的馈电网络，完成信号合成，射频信号通过组件之间的馈电网络实现信号合成，形成所需的波束。在整个过程中，移相器的移位码数由波控运算板实现。组件内部、组件与组件之间通过综合走线层实现控制、供配电等功能。
信号发射时，首先由发射前级进行信号推动，输入的信号电平满足第一级功放的推动需求。激励信号首先进入功分网络，在组件内部的接口处设置放大器进行信号电平补偿，经组件内部的功分网络后，分别进入各个发射通道，进行信号放大，并由每组双极化两路信号调整后，经由双线极化天线单元将信号辐射出去。

Claims (6)

1.一种卫星通信收发组件，其特征在于：包括2N个射频通道(10)、极化调整电路和信号合成端口(12)；N个双极化天线单元的垂直极化通道和水平极化通道分别与2N个射频通道(10)一一对应连接；极化调整电路将2N个射频通道(10)中每相邻的两个通道收来的双极化信号进行极化调整输出N路极化调整后的信号，N路极化调整后的信号经信号合成网络合成为1路信号，该路信号经信号合成端口(12)输出；其中，N为大于等于1的自然数；
极化调整电路的信号分配网络将外部输入的射频信号等分成N路后，将每一路射频信号移相后分成相同的两路信号，并根据通信需求对两路信号的幅度和相位进行调整，调整后的两路信号通过双极化天线辐射出去。
2.根据权利要求1所述的一种卫星通信收发组件，其特征在于：所述的极化调整电路包括3N个开关、4N个滤波器、2N个低噪放、2N个功率放大器、6N个移相器、N个2合1合路器、N个1分2分路器和信号合成/分配网络；垂直极化信号和水平极化信号在各自开关的控制下分别依次经滤波、低噪声放大和移相后，将移相后的2路信号经2合1合路器合成1路射频信号，N路射频信号一一对应经收通道的N个移相器进行移相后分别通过开关输入到信号合成/分配网络；信号合成/分配网络将收到的射频信号分成N路后经N个开关一一对应输出到发通道的N个移相器进行移相处理，每路移相处理后的信号经1分2分路器分成相同的2路射频信号，每路射频信号依次经移相、功率放大和滤波后经开关输出至双极化天线单元。
3.一种卫星通信两维有源相控阵天线，包括双极化天线阵列(2)、如权利要求1或2所述的M个收发组件(3)和收发馈电网络(4)，双极化天线阵列(2)有M×N个双极化天线单元组成，其特征在于：每N个双极化天线单元的垂直极化通道和水平极化通道分别与收发组件(3)的2N个射频通道(10)一一对应连接；收发组件(3)的信号合成端口(12)与收发馈电网络(4)的射频接口(14)相连接；其中，M为大于1的自然数。
4.根据权利要求3所述的一种卫星通信两维有源相控阵天线，其特征在于：所述的M×N个双极化天线单元按照预设排布方式组成双极化天线阵列(2)，双极化天线阵列(2)通过电缆或者快插接头与收发组件(3)相连接，双极化天线阵列(2)为双极化微带天线阵列、双极化振子天线阵列或者双极化波导天线阵列。
5.根据权利要求3或4所述的一种卫星通信两维有源相控阵天线，其特征在于：所述的收发馈电网络(4)为用于进行信号等功分或者不等功分的U型结构，采用微带印制板印制而成；收发馈电网络(4)包括射频接口(14)和射频总口(15)，射频接口(14)的数量与收发组件(3)的数量相同，每个射频接口(14)分别与收发组件(3)的一个合成端口(12)相连接，射频信号通过射频总口(15)输出或输入。
6.根据权利要求3所述的一种卫星通信两维有源相控阵天线，其特征在于：还包括控制和电源层(5)，所述的控制和电源层(5)包括微带印制板、设置在微带印制板下表面的控制和电源器件、与收发组件(3)的控制接口(13)相连接的控制接口(17)和控制与电源总口(16)；控制与电源总口(16)为多芯连接器，用于控制信号输入、电源输入以及通信信号收发。
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