CN108172976A - X波段星载相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及X波段星载相控阵天线，包括天线罩、安装板及多个相同的天线单元，多个天线单元的中心呈等边三角形栅格方式分布在安装板上，天线罩覆盖在多个相同天线单元之上，并与安装板固定；每个天线单元均为多层微带天线，包括辐射贴片、天线单元外壳、SMA同轴连接器、接地板、底层介质板、上层介质板和寄生贴片；SMA同轴连接器的内芯依次穿过安装板、接地板、底层介质板与辐射贴片相连接，SMA同轴连接器的外皮与安装板固定连接，安装板与接地板相连接，辐射贴片置于底层介质板的中心上；所述寄生贴片置于上层介质板的上表面中心，底层介质板与上层介质板之间是空气介质，底层介质板、接地板及上层介质板的四周均与天线单元外壳固定。

Description

X波段星载相控阵天线

技术领域

本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种星载数传设备用的X波段星载相控阵天线，主要应用方向为在轨卫星星地间高速数据传输。

背景技术

20世纪60年代以来，卫星通信迅速发展，在军事和民用中得到了十分广泛的应用。随着卫星业务不断拓展，数量也不断增加，数据传输码率也在迅速提高。要保证信息的可靠传输，有两种可能的技术途径：一是加大发射功率；二是提高天线增益。

目前国际上通用的数传天线主要是安装于卫星对地面的“地球匹配波束”赋形反射面天线，其口径不低于600mm，如ERSR1、RADARSAT1/2等。该赋形反射面天线主要存在以下不足：赋形反射面天线外形尺寸较大，不易于实现小型化、集成化设计；赋形反射面天线波束是宽角覆盖的固定赋形波束，对军事卫星数据传输的安全性带来一定隐患；赋形反射面天线波束是宽角覆盖的，天线增益不高，对实现远距离数据传输有一定影响；赋形反射面天线剖面高，在尺寸受限的条件下无法使用，比如微小卫星平台。

目前应用较多一种星载相控阵天线为圆极化波导天线，该天线实现±40°波束扫描特性，天线波束也是点波束天线，但是圆极化波导天线有其必然的缺陷，尺寸大、剖面高，在尺寸受限的条件下无法使用，比如微小卫星平台；并且圆极化波导天线，多采用铜或铝材质生产，重量重，对于载荷重量要求高的微小卫星平台是一个限制。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明需要解决的技术问题是：提供一种X波段星载相控阵天线。该天线的高增益点波束的指向是可移动的，能满足微小卫星平台上载荷、尺寸条件的限制，确保了地面站对卫星的及早捕获以及卫星与地面站之间数据传输的连续性和最大延续时间；具有更大的扫描范围，能完成卫星侧摆任务点波束天线。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种X波段星载相控阵天线，包括天线罩、安装板及多个相同的天线单元，其特征在于：多个天线单元的中心呈等边三角形栅格方式分布在安装板上，天线罩覆盖在多个相同天线单元之上，并与安装板固定；每个天线单元均为多层微带天线，包括辐射贴片、天线单元外壳、SMA同轴连接器、接地板、底层介质板、上层介质板和寄生贴片；SMA同轴连接器的内芯依次穿过安装板、接地板、底层介质板与辐射贴片相连接，SMA同轴连接器的外皮与安装板固定连接，安装板与接地板相连接，辐射贴片置于底层介质板的中心上；所述寄生贴片置于上层介质板的上表面中心，底层介质板与上层介质板之间是空气介质，底层介质板、接地板及上层介质板的四周均与天线单元外壳固定，所述天线单元外壳为上端开口的空心结构；所述辐射贴片与寄生贴片同轴安装，且两者的一对对角位置均设有切角，辐射贴片和寄生贴片之间存在互耦；每个天线单元的SMA同轴连接器分别连接一个射频通道的有源部分。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明X波段星载相控阵天线通过移相器实现波束的点扫描具有零扰动的特点，能实现较宽波束范围内波束扫描。利用点波束天线步进能够节省功率，而且较地球匹配波束天线更容易控制，可以增强卫星，尤其是军用卫星数据传输的安全性，这在军事上有较大的利用价值。X波段星载相控阵天线将通信信号集中在一个很窄波束内，将其射向通信目标，由于波束比较窄，敌人除非刚好位于波束内，否则不可能接收到通信信号，也就自然解决了保密和抗干扰的问题，可以保障军事卫星数据传输的安全性。

本发明采用多层结构实现多谐振回路，进而展宽微带天线的频段。辐射贴片1和寄生贴片7分别处于两块介质板上，由两块贴片形成两个谐振回路，每一个谐振回路具有一个谐振频率，当两个频率接近时，便实现频带展宽的目的；辐射贴片1和寄生贴片之间存在互耦，也带来了天线增益的提高。

1)X波段星载相控阵天线可以接收或发射圆极化电磁波，采用展宽频带技术，使得本发明天线实现宽频带的标准，6dB轴比带宽也达到3.7％；

2)X波段星载相控阵天线虽然采用多层结构，但是整体剖面高度仅为5.14mm(不含天线罩、不包括连接器高度)，加上天线罩总高度为20mm，实现星载相控阵天线低剖面的目的，且尺寸小；

3)X波段星载相控阵天线放弃了传统的矩形栅格阵列，采用了等边三角形栅格阵列形式，在阵列单元数相同时，能实现更高的天线增益，本发明实施例1采用了7单元阵列，X波段星载相控阵天线增益达到16dB以上，对实现远距离通信带来有益帮助；在同等物理尺寸条件下，减少了阵列中单元的数目，降低了整机***功率损耗，同时也减轻了整机***的重量；

4)X波段星载相控阵天线采用了多层介质板结构，相比反射面天线、波导相控阵天线，重量减轻很多，更容易应用在微小卫星平台；在加工方式、加工精度、加工成本方面，相比反射面天线、波导相控阵天线，都有天然的优势，能够实现低成本、快速加工；

为满足空间环境抗辐照的使用要求，本发明采用具有耐辐照特性的介质板；天线罩材料为聚酰亚胺，也具有抗辐照特性，天线罩表面再喷涂热控白漆。

附图说明

图1本发明X波段星载相控阵天线一种实施例的天线单元的主视结构示意图，

图2本发明X波段星载相控阵天线一种实施例的天线单元的俯视结构示意图；

图3本发明X波段星载相控阵天线的三角形栅格的布局图，其中图3(a)为7个天线单元时的布局图，图3(b)为37个天线单元时的布局图；

图4本发明X波段星载相控阵天线含有7个天线单元组成的天线的结构示意图，其中图4(a)为主视图，图4(b)为俯视图；

图5为7个天线单元时测得的X波段星载相控阵天线的S参数，图中横坐标表示频率，单位为GHz，纵坐标表示回波损耗，单位为dB；

图6本发明中实施例1的X波段星载相控阵天线的轴比图；

图7本发明中实施例1的X波段星载相控阵天线的方向图；

图8本发明X波段星载相控阵天线的有源部分的原理框图；

图中：1.辐射贴片2.天线单元外壳3.SMA同轴连接器4.接地板5.底层介质板6.上层介质板7.寄生贴片8.天线罩9.安装板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明X波段星载相控阵天线(简称天线，参见图1-4)能够应用在卫星高速数据传输***中，包括天线罩、安装板9及多个相同的天线单元，多个天线单元的中心呈等边三角形栅格方式分布在安装板9上，天线罩8覆盖在多个相同天线单元之上，并与安装板9固定；每个天线单元均为多层微带天线，包括辐射贴片1、天线单元外壳2、SMA同轴连接器3、接地板4、底层介质板5、上层介质板6和寄生贴片7；SMA同轴连接器3的内芯依次穿过安装板9、接地板4、底层介质板5与辐射贴片1相连接，SMA同轴连接器3的外皮与安装板9固定连接，安装板9与接地板4相连接，辐射贴片1置于底层介质板5的中心上；所述寄生贴片7置于上层介质板6的上表面中心，底层介质板5与上层介质板6之间是空气介质，底层介质板、接地板4及上层介质板6的四周均与天线单元外壳固定，所述天线单元外壳为上端开口的空心结构，天线单元外壳的具体形状依据天线单元形状；所述辐射贴片与寄生贴片同轴安装，且两者的一对对角位置均设有切角，辐射贴片1和寄生贴片7之间存在互耦；每个天线单元的SMA同轴连接器3分别通过放大器、移相器与功分器的一个输出端连接；功分器的输入端连接滤波器，滤波器、功分器、移相器、放大器构成射频通道的有源部分。

本发明中所述辐射贴片和寄生贴片均为正方形贴片，且切角为等边直角三角形。

本发明的基本思路为：提供一种X波段星载相控阵天线，每个天线单元采用多层结构，实现多谐振回路，拓宽天线工作频带；X波段星载相控阵天线为等边三角形栅格，既便于组阵，又便于减少单元数；配合射频通道有源部分(包括滤波器、功分器、移相器、放大器等)硬件，实现天线±40°范围内的波束扫描；微波信号从SMA同轴连接器的馈电端馈入，在天线表面激起电流，由于辐射贴片与寄生贴片均有微扰，形成相位差为90°的电流，由此产生空间圆极化电磁波，形成点波束天线。

本发明采用多层结构实现多谐振回路，进而展宽微带天线的频段。辐射贴片1和寄生贴片7分别处于两块介质板上，由两块贴片形成两个谐振回路，每一个谐振回路具有一个谐振频率，当两个频率接近时，便实现频带展宽的目的；辐射贴片1和寄生贴片之间存在互耦，也带来了天线增益的提高。SMA同轴连接器3的内芯与辐射贴片1相连，外皮与接地板4相连。SMA同轴连接器3输出的能量从馈电端馈入，激起天线表面电流，由此产生辐射。

本发明中底层介质板5与上层介质板6的介电常数及印制板厚度可根据工作频率及工作频带宽度选择；辐射贴片1与寄生贴片7的边长与工作频率及频带宽度有关；辐射贴片1与寄生贴片7的切角尺寸应根据其边长调整。

本发明中天线的主轴(即单元数最多的轴线)上天线单元的数量为2n-1个，n为2，3，4，5……，参见图3所示，按照图3所示等边三角形栅格排列出整个阵列天线的形式，对应整个天线的天线单元总数为7(参见图3(a))，19，37(参见图3(b))，61……。当天线单元数量增多时，阵列天线增益也会增加，随之带来天线尺寸、重量及成本急剧增加。因此，一般用于微小卫星平台时天线单元数不会太大，选择天线单元总数在61及其以下较好。

实施例1

本实施例X波段星载相控阵天线包括天线罩、安装板9及多个相同的天线单元，多个天线单元的中心呈等边三角形栅格方式分布在安装板9上，天线罩8覆盖在多个相同天线单元之上，并与安装板9固定；每个天线单元均为多层微带天线，包括辐射贴片1、天线单元外壳2、SMA同轴连接器3、接地板4、底层介质板5、上层介质板6和寄生贴片7；SMA同轴连接器3的内芯依次穿过安装板9、接地板4、底层介质板5与辐射贴片1相连接，SMA同轴连接器3的外皮与安装板9固定连接，安装板9与接地板4相连接，辐射贴片1置于底层介质板5的中心上；所述寄生贴片7置于上层介质板6的上表面中心，底层介质板5与上层介质板6之间是空气介质，底层介质板、接地板4及上层介质板6的四周均与天线单元外壳固定，所述天线单元外壳为两端开口的空心正方形；所述辐射贴片与寄生贴片同轴安装，且两者的一对对角位置均设有切角，辐射贴片1和寄生贴片7之间存在互耦；每个天线单元的SMA同轴连接器3分别通过放大器、移相器与功分器的一个输出端连接；功分器的输入端连接滤波器，滤波器、功分器、移相器、放大器构成射频通道的有源部分(参见图8)，通过改变每个射频通道的每个单通道的幅度和相位，可实现X波段星载相控阵天线波束扫描。

本实施例X波段星载相控阵天线的天线单元数为7，主轴方向天线单元数为3个(参见图3(a))，能有效降低整机功耗，实现高增益；天线罩材料为聚酰亚胺，具有抗辐照特性，对X波段星载相控阵天线起到保护作用。

本实施例中底层介质板5的介电常数为2.94，上层介质板6的介电常数为3.45，底层介质板5与上层介质板6的厚度均为1.27mm。辐射贴片1为边长为9.5mm的正方形，在正方形的一对对角上切去切角，该切角长为1.7mm的等腰直角三角形；寄生贴片7为边长为4.7mm的正方形，在该正方形的一对对角上切去切角，切角长为1.8mm的等腰直角三角形。底层介质板5与上层介质板6之间是空气介质，距离为1.5mm。天线罩的高度为20mm。

图5为本实施例X波段星载相控阵天线的7个天线单元的馈电端口的回波损耗仿真结果，由图5可以看出-10dB以下(图5中m1点以下)回波损耗带宽远超过使用的工作频带宽度，实现宽频带。

图6为本实施例天线的轴比图，从图中可以看出天线6dB轴比带宽为8.0GHz～8.3GHz，6dB轴比相对带宽达到3.7％，8.15GHz的轴比为0.18dB，表示其圆极化纯度较高。

图7为本实施例X波段星载相控阵天线的方向图，从图中可以看出，7个天线单元等幅同相馈电时，天线波束指向法线方向，最大增益大于16dB(图7中m1点)，3dB波束宽度大于26°(图7中m2和m3之间)。

本发明未详细说明部分属于本领域公知技术。

Claims (4)

1.一种X波段星载相控阵天线，包括天线罩、安装板及多个相同的天线单元，其特征在于：多个天线单元的中心呈等边三角形栅格方式分布在安装板上，天线罩覆盖在多个相同天线单元之上，并与安装板固定；每个天线单元均为多层微带天线，包括辐射贴片、天线单元外壳、SMA同轴连接器、接地板、底层介质板、上层介质板和寄生贴片；SMA同轴连接器的内芯依次穿过安装板、接地板、底层介质板与辐射贴片相连接，SMA同轴连接器的外皮与安装板固定连接，安装板与接地板相连接，辐射贴片置于底层介质板的中心上；所述寄生贴片置于上层介质板的上表面中心，底层介质板与上层介质板之间是空气介质，底层介质板、接地板及上层介质板的四周均与天线单元外壳固定，所述天线单元外壳为上端开口的空心结构；所述辐射贴片与寄生贴片同轴安装，且两者的一对对角位置均设有切角，辐射贴片和寄生贴片之间存在互耦；每个天线单元的SMA同轴连接器分别连接一个射频通道的有源部分。

2.根据权利要求1所述的X波段星载相控阵天线，其特征在于所述辐射贴片和寄生贴片均为正方形贴片，且切角为等边直角三角形。

3.根据权利要求1所述的X波段星载相控阵天线，其特征在于该天线的主轴上天线单元的数量为2n-1个，n大于1的整数。

4.根据权利要求1所述的X波段星载相控阵天线，其特征在于整个天线的天线单元总数为7、19、37或61。