CN108493591A - 星载vhf天线装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种星载VHF天线装置，其是一种平面变形加载IFA的线极化星载VHF天线装置，包括反射板、馈电单元及天线辐射单元。天线辐射单元包括：由左侧天线辐射片和上侧天线辐射片构成的平面倒F天线主体部；及位于上侧天线辐射片的右侧末端的多片末端天线辐射片。馈电单元设置在反射板与天线辐射单元的上侧天线辐射片之间。根据本发明，能在满足现有天线主要电性能指标要求的同时，兼具小型化、轻量化、对各类卫星(尤其是微小卫星、微纳卫星))适应性高等优点。

Description

星载VHF天线装置
技术领域
本发明涉及星载通信***所使用的星载VHF天线装置。
背景技术
VHF频段是现有卫星数据通信的主要频段，被广泛应用于各类卫星的短数据通信和重要信息实时下传。相对于其它微波频段，VHF频段的信号频率较低，波长较长，因此与之对应的天线尺寸也较大。
伴随着航天技术的飞速发展，微小卫星、微纳卫星被越来越广泛地应用，相应地，卫星体积、重量和功耗等也日益减小。因而，对于将VHF频段用作为通信频段的VHF天线而言，VHF天线小型化、轻量化设计和应用的要求不断增高。因此，在保持天线已有效能的情况下，如何精简VHF天线尺寸，使之适应未来更多类型的卫星应用是VHF链路和VHF天线研制的主要方向和必由之路。
发明内容
发明所要解决的技术问题
众所周知，天线的辐射效率与性能直接与天线的物理口径相关，当天线物理口径显著缩小时，在相同工作频率上天线性能会急剧恶化，甚至难以满足正常使用需求，无法有效接收和辐射电磁波。由于VHF使用频段的限制，VHF天线工作波长超过2m，因而常规天线类型难以在满足电性能指标要求的同时兼具天线小型化和轻量化的设计特征，从而影响了VHF链路在微小卫星和微纳卫星上的高效应用。
本发明是考虑上述问题而完成的，其目的在于提供一种能在满足现有天线主要电性能指标要求的同时，兼具小型化、轻量化、对各类卫星(尤其是微小卫星、微纳卫星)适应性高的星载VHF天线装置，从而解决VHF天线在微小卫星、微纳卫星设计应用上的瓶颈，同时起到节省整星资源，降低成本。
解决技术问题所采用的技术方案
发明人为了解决上述问题而进行了潜心研究，通过在结构设计上采用全金属结构，并在常规微带设计基础上增加中心短路墙结构及末端多片式加载技术，从而能获得一种辐射性能强的小型线极化VHF天线装置。然后，在线极化VHF天线装置的基础上，根据正交旋转馈电设计组阵技术，实现高性能高纯度的圆极化辐射模式重构及辐射性能增强设计。
即，本发明的星载VHF天线装置的特征在于，是平面变形加载IFA的线极化星载VHF天线装置，包括：反射板，馈电单元以及天线辐射单元，
所述天线辐射单元包括：由左侧天线辐射片和上侧天线辐射片构成的平面倒F天线主体部；以及位于所述上侧天线辐射片的右侧末端的多片末端天线辐射片，
所述左侧天线辐射片的下端部垂直设置于所述反射板的左侧端部，
所述上侧天线辐射片以在X方向上与所述反射板平行的方式延伸，
所述多片末端天线辐射片以彼此平行且在X方向上相互隔开一定间距的方式依次位于所述上侧天线辐射片的右侧末端，
所述多片末端天线辐射片中的部分末端天线辐射片以垂直于所述上侧天线辐射片的方式连接于所述上侧天线辐射片的右侧端部下表面，且其在Y方向上的长度短于所述左侧天线辐射片的长度，
所述多片末端天线辐射片中的另一部分末端天线辐射片以垂直于所述反射板的方式连接于所述反射板的右侧端部上表面，且其在Y方向上的长度短于所述左侧天线辐射片的长度，
所述馈电单元设置在所述反射板与所述天线辐射单元的上侧天线辐射片之间。
发明效果
根据本发明，能够实现一种能在满足现有天线主要电性能指标要求的同时，兼具小型化、轻量化、对各类卫星(尤其是微小卫星、微纳卫星))适应性高的星载VHF天线装置。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1的星载VHF天线装置的关键设计技术的示意图。
图2是表示本发明的实施方式1的星载VHF天线装置的设计的流程图。
图3是示意性表示本发明的实施方式1的星载VHF天线装置的结构的分解立体图。
图4是示意性表示本发明的实施方式2的星载VHF天线装置的结构的图。
图5是表示本发明的实施方式2的星载VHF天线装置的全向性能仿真结果的图。
具体实施方式
以下，基于附图详细说明本发明的实施方式。此外，本发明并不限于以下实施方式。各图中的相同标号表示相同的部分。
实施方式1
图1是表示本发明的实施方式的星载VHF天线装置的关键设计技术的示意图。
如图1所示，星载VHF天线装置的关键设计技术划分为辐射效率保持小型化设计技术、宽波束及全向波束覆盖设计技术、极化重构及性能扩展增强设计技术、谐振窄带化高隔离度设计技术、以及环境适应通用性设计技术等5项关键技术。
在进行星载VHF天线装置设计时，为了提高星载VHF天线装置的实际可用性，需要尽量减小其与其它射频***间的耦合传输以提高***的EMC性能，可以考虑采用减小VHF天线装置的阻抗带宽，实现窄带化的设计，即在谐振工作频带外实现反射抑制，从而减少电磁能量的二次耦合与寄生辐射，提高***间辐射隔离度，避免高灵敏度测试时不同***间产生电磁干扰(EMI)效应。
此外，为了满足星载VHF天线装置对于灵活测试及环境适应性的需求，在天线结构及工程实现方面，着重考虑天线接口通用化设计、天线辐射结构全金属化设计、天线非金属有耗媒质环境适应性设计及天线力学性能设计等方面内容。优选具有航天适应性的成熟金属及非金属材料进行小型化星载VHF天线电性及环境适应性设计，为提高星载VHF天线装置的可用性与通用性提供保障。
图2是示意性表示本发明的实施方式的星载VHF天线装置的设计的流程图。
如图2所示，在进行星载VHF天线装置设计时，首先分析VHF天线的具体要求。该步骤可以通过整理具体要求并分解关键技术来进行。
接着，进行VHF天线装置的选型设计。该步骤可以通过高增益定向波束方案、低剖面宽波束方案、高性能宽波束CP方案、小型化全向方案来实现。
然后，对该阶段的VHF天线装置的性能，例如增益、波束宽度、VSWR、极化特性、尺寸、重量等性能是否满足要求进行检测，该检测可以利用理论计算、数学仿真计算、全波数值仿真计算来进行。在检测结果为符合性能要求的情况下，进行下一步的VHF天线装置结构设计，在检测结果为不符合性能要求的情况下，返回上一步来重新进行天线选型设计。
在VHF天线装置结构设计步骤中，进行理想辐射结构工程化、理想馈电结构工程化。
之后，进行VHF天线装置的加工，主要针对辐射体、支撑体、馈电结构、集成连接结构、调谐结构、加载结构等进行加工。
接下来，进行VHF天线装置的装配，主要是进行辐射体装配、加载结构装配、馈电结构装配、以及支承及集成连接机构装配。
最后，进行天线性能调试，例如针对增益、波束宽度、VSWR、极化特性、尺寸、重量等进行调试，在调试结果不达标时，返回至上一步来重新进行天线装配，在调试结果达标时，获得最终的天线装置产品。
星载VHF天线装置从结构上可以分为三大部分：小型化高效辐射结构、馈电及阻抗变换匹配结构和机械接口匹配安装结构。
具体而言，小型化高效辐射结构会形成主面宽波束或全向波束辐射特性，因而能通过采用最优拓扑设计来实现包络小型化设计的同时保持了较高的辐射效率。
能利用一体化馈电及阻抗匹配结构能实现天线端输入阻抗馈线端特性阻抗的最佳匹配，从而实现天线端最大功率馈送，并进一步提高天线实现增益，同时实现谐振窄带化设计，提高射频RF***间隔离度，增强EMC性能。
通过集成转接机械接口板，能够实现星载VHF天线装置对天线样机力学性能和安装接口匹配化的特定要求。
图3是示意性表示本发明的实施方式1的星载VHF天线装置1的结构的分解立体图。
星载VHF天线装置1是例如线极化天线装置，即LP模式天线装置，其采用全金属平面变形加载IFA方案。如图3所示，星载VHF天线装置1包括：反射板101，馈电单元102以及天线辐射单元103。
其中，反射板101采用例如铝等金属材料。馈电单元102配置在反射板101和天线辐射单元103的上侧天线辐射片103b之间，例如采用铍青铜等金属材料。
天线辐射单元103采用平面变形加载IFA结构，其包括：构成平面倒F天线主体部的左侧天线辐射片103a和上侧天线辐射片103b；以及位于天线辐射片103b右侧末端的多片末端天线辐射片103c～103f。
左侧天线辐射片103a的下表面垂直连接于反射板101的左侧端部，上侧天线辐射片103b以与反射板101平行的方式沿X方向延伸。4片末端天线辐射片103c～103f依次配置为彼此平行且在X方向上相互隔开一定间距。其中，末端天线辐射片103c和末端天线辐射片103e以垂直于上侧天线辐射片103b的方式连接于上侧天线辐射片103b的右侧端部下表面，且其在Y方向上的长度短于左侧天线辐射片103a在Y方向上的长度。末端天线辐射片103d和末端天线辐射片103f以垂直于反射板101的方式连接于反射板101的右侧端部上表面，且其在Y方向上的长度短于左侧天线辐射片103a在Y方向上的长度。换言之，末端天线辐射片103d和末端天线辐射片103f不与上侧天线辐射片103b的下表面相连接。
通过设置多片末端天线辐射片，增加了星载VHF天线装置的电容，从而使天线容抗降低，由此在天线匹配阻抗不变的情况下，减小星载VHF天线装置的尺寸。
此处以4片末端天线辐射片103c～103f为例进行说明，但并不限于此。此外，此处以多片末端天线辐射片在Z方向上的宽度与上侧天线辐射片103b在Z方向上的宽度相一致为例进行了说明，但并不限于此。
通过采用上述结构，星载VHF天线装置1的外形包络尺寸仅为0.08波长，高度为0.053波长，与常规单极子天线相比，其纵向尺寸缩减为单极子天线高度的16％，实现了很好的低剖面设计，容易实现与卫星卫星平台的共形布局应用，满足受限空间下的小型化低剖面设计和便携测试需求。
此外，通过采用上述结构，天线辐射线极化波在自由空间条件下增益约为1.4dB。当采用金属PEC反射板模拟实现定向辐射时，经全波仿真分析，天线增益约为2dB，3dB波束宽度约为110°。由此，能够实现在减小星载VHF天线装置尺寸的同时，增强其电学性能。
根据实施方式1，通过采用全金属金属结构来去除微带基板对星载VHF天线装置的性能及环境适应性的约束，并在常规微带设计基础上增加中心短路墙结构及末端多片式加载技术，从而大幅缩减星载VHF天线装置的包络尺寸。由此，能在满足现有天线主要电性能指标要求的同时，兼具小型化、轻量化、对各类卫星(尤其是微小卫星、微纳卫星))适应性高等要求。
实施方式2
在上述实施方式1中，举例示出了构成为线极化天线装置的星载VHF天线装置1，在本实施方式2中，说明在线极化天线装置的基础上，对其进行组阵，从而构成圆极化(CP)模式天线装置，以进一步提高天线电性能。
如图3所示，本发明的实施方式2的星载VHF天线装置2即圆极化星载VHF天线装置2通过对4个上述星载VHF天线装置1进行组阵而构成。具体而言，在反射板201上沿着X和Y方向进行等间距布阵，将4个实施方式1中的星载VHF天线装置1依次旋转90°进行配置，从而构成4元低剖面、轻量化平面阵列。该阵列外形包络尺寸为370mm×370mm。此处，以对4个线极化天线装置进行组阵来构成圆极化天线装置为例进行了说明，但并不限于此。
此外，通过改变各个线极化(LP)模式天线装置的馈电相位关系可以实现右旋圆极化(RHCP)和左旋圆极化(LHCP)来切换工作模式，满足星载VHF天线对不同极化的应用需求。
图5是表示本发明的实施方式2的星载VHF天线装置2的全向性能仿真结果的图。
如图5所示，在阵列前向方向，星载VHF天线装置2辐射左旋圆极化(LHCP)波，天线增益约为3.3dB；在后向方向，星载VHF天线装置2辐射右旋圆极化(RHCP)波，增益约为-4dB，由此实现了全向覆盖能力。
根据本实施方式2，对多个上述星载VHF天线装置1进行组阵，即对线极化星载VHF天线装置应用正交旋转和差分馈电组阵技术，能够获得圆极化星载VHF天线装置，并能实现天线辐射性能增强，并实现波束扫描性能，还能够实现阵列方向图全向覆盖。
如上所述，根据本发明，通过采用全金属结构来去除微带基板对星载VHF天线装置的性能及环境适应性的约束，并在常规微带设计基础上增加中心短路墙结构及末端多片式加载技术，从而大幅缩减星载VHF天线装置的包络尺寸，并且通过底板缩减及参与辐射一体化设计技术实现星载VHF天线主面方向全向辐射成形。由此，能使得星载VHF天线装置在满足现有天线主要电性能指标要求的同时，兼具小型化、轻量化、对各类卫星(尤其是微小卫星、微纳卫星)适应性高等要求。
以上对本发明的实施方式进行了说明，实施方式仅作为示例示出，并不限定发明范围。另外，实施方式能以各种形式进行实施，在不脱离发明主旨的范围内，能进行各种省略，置换，变更。实施方式都包含于发明的范围及其主旨内，同样地包含在权利要求保护范围所记载的发明及其等效范围内。
工业上的实用性
本发明涉及的星载VHF天线装置能在满足现有天线主要电性能指标要求的同时，兼具小型化、轻量化、对各类卫星(尤其是微小卫星、微纳卫星))适应性高等优点，可以广泛应用于航空、航天等领域，但不限于该领域。

Claims (8)

1.一种星载VHF天线装置，其特征在于，是平面变形加载IFA的线极化星载VHF天线装置，包括：反射板，馈电单元以及天线辐射单元，
所述天线辐射单元包括：由左侧天线辐射片和上侧天线辐射片构成的平面倒F天线主体部；以及位于所述上侧天线辐射片的右侧末端的多片末端天线辐射片，
所述左侧天线辐射片的下端部垂直设置于所述反射板的左侧端部，
所述上侧天线辐射片以在X方向上与所述反射板平行的方式延伸，
所述多片末端天线辐射片以彼此平行且在X方向上相互隔开一定间距的方式依次位于所述上侧天线辐射片的右侧末端，
所述多片末端天线辐射片中的部分末端天线辐射片以垂直于所述上侧天线辐射片的方式连接于所述上侧天线辐射片的右侧端部下表面，且其在Y方向上的长度短于所述左侧天线辐射片的长度，
所述多片末端天线辐射片中的另一部分末端天线辐射片以垂直于所述反射板的方式连接于所述反射板的右侧端部上表面，且其在Y方向上的长度短于所述左侧天线辐射片的长度，
所述馈电单元设置在所述反射板与所述天线辐射单元的上侧天线辐射片之间。
2.如权利要求1所述的星载VHF天线装置，其特征在于，
所述星载VHF天线装置的外形包络尺寸为0.08波长，高度为0.053波长。
3.如权利要求1所述的星载VHF天线装置，其特征在于，
所述末端天线辐射片为4片。
4.如权利要求1所述的星载VHF天线装置，其特征在于，
采用全金属结构。
5.一种星载VHF天线装置，其特征在于，
对多个权利要求1所记载星载VHF天线装置进行顺序旋转，并基于差分馈电方式来进行组阵，从而获得圆极化VHF星载天线装置。
6.如权利要求5所述的星载VHF天线装置，其特征在于，
所述星载VHF天线装置为4个，依次顺序旋转90度来等间距配置于XY平面，从而形成平面阵列。
7.如权利要求6所述的星载VHF天线装置，其特征在于，
所述平面阵列的外形包络尺寸为370mm×370mm。
8.如权利要求5所述的星载VHF天线装置，其特征在于，
通过改变所述星载VHF天线装置的馈电相位关系，来切换右旋圆极化和左旋圆极化。
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