CN112563732B - 一种uhf-s双频段抛物面天线改造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种UHF‑S双频段抛物面测控天线改造方法，实现了在增加UHF频段接收功能的同时保留S频段的接收能力。该改造方法利用原十二米格里高利天线副反射面支架直接安装UHF‑S双频段新馈源实现UHF频段接收，且无需对原有馈电***进行改动。该方法解决了深空探测微卫星的遥测信息的接收问题，具有较高的工程应用价值。

Description

一种UHF-S双频段抛物面天线改造方法
技术领域
本发明涉及深空探测领域，具体涉及一种UHF-S双频段抛物面天线改造方法。
背景技术
为充分利用深空探测过程中火箭的运载剩余能力，在深空探测中，搭载超长波天文观测微卫星。微卫星携带一台VHF/UHF通信模块，计划开展业余频段深空通信与图像传输等技术试验，同时为卫星提供备份测控功能。
VHF/UHF频段被业余无线电爱好者广泛用于卫星通信试验，在此次试验中，UHF下行的链路预算较为紧张，需要较高的天线增益实现接收，目前在国内，没有能够接收UHF频段的具备相应增益的天线条件。如何节约成本并满足任务需求是摆在面前的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种UHF-S双频段抛物面测控天线改造方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种UHF-S双频段抛物面天线改造方法，其特征在于包括步骤：
第一步，确定接收UHF频段遥测信息使用的馈源天线类型；
UHF频段馈源天线采用四根偶极子天线组成一个正方形阵列结构，相互平行的一对偶极子天线同相馈电，一对偶极子天线相对于另一对偶极子天线移相90°馈电，UHF频段馈源天线是半球形圆极化辐射；
第二步，确定接收S频段信号所使用的馈源天线类型；
S频段馈源天线包括馈源喇叭和波导圆极化器组成，馈源喇叭采用波纹喇叭结构，馈源喇叭末端接波导圆极化器，S频段馈源天线的波导圆极化器是左旋或右旋圆极化；
第三步，将UHF频段馈源天线和S频段馈源天线组合成UHF-S双频段馈源天线，进行结构设计和尺寸设计；其中结构设计包括：
在振子后方λ/4处安装地板，λ是波长；在所述的UHF天线地板中心开孔，将S波段馈源天线的馈源喇叭嵌入孔中，S频段馈源天线的波导圆极化器穿过UHF频段馈源天线的地板的中央，两天线呈嵌套形式安装；
第四步，对UHF-S双频段馈源天线进行电特性分析，使用模拟仿真软件将UHF-S双频段馈源天线导入抛物面模型的焦点处仿真分析天线性能，满足要求进行第五步，不满足，返回第三步调整UUHF-S双频段馈源天线的尺寸；
第五步，UHF-S双频段馈源安装整体结构设计，设置变焦机构和安装板，将整个带有变焦机构的UHF-S双频段馈源，使用安装板安装于格里高利双抛物面天线的原副反射面的安装架上。
进一步的，在第五步中，所述的“UHF-S双频段馈源安装整体结构设计，设置变焦机构和安装板”包括：
在S波段馈源天线的波导圆极化器的轴向侧面设置滑块和螺杆连接块；
所述变焦机构设置有导轨架、导轨、螺杆、电机安装腔、电机，电机固定架、底板；
导轨架后端连接电机安装腔，电机通过电机固定架固定于电机安装腔内，电机安装腔的后端连接底板，导轨架与电机安装腔之间、电机安装腔和底板之间设置垫圈；
导轨和螺杆安装于导轨架的内侧面，导轨沿导轨安装架轴向固定连接，导轨安装架内侧面轴向两端分别设置有两个螺杆支座，螺杆支座上设置有与螺杆匹配的螺纹，螺杆穿过两个螺杆支座的螺纹孔固定于导轨架的内侧面；
波导圆极化器侧面的滑块与导轨滑动配合连接，螺杆连接块与螺杆的一端通过轴承连接，电机通过万向节与螺杆的另一端连接，电机带动螺杆转动，通过螺杆驱动UHF-S双频段馈源天线沿导轨架的轴向来回直线运动；
导轨架外侧四周设置L型安装片，通过L型安装片，将带着UHF-S双频段馈源天线的变焦机构固定于安装板上。
进一步的，在第一步中，每个所述的偶极子天线均由馈电支撑部、第一振子和第二振子组成，馈电支撑部、第一振子和第二振子置于同一平面，馈电支撑部主体是两根平行的馈电空心管，两根馈电空心管的一端均固定于用于连接地板的连接块，另一端分别垂直连接第一振子和第二振子的一端，第一振子和第二振子另一端悬空，对称设置于馈电支撑部两侧。
进一步的，所述格里高利双抛物面天线是12米的格里高利双抛物面测控天线。
进一步的，所述的UHF频段馈源天线和S频段馈源天线组合成UHF-S双频段馈源天线，整体包络尺寸为800×1200×1200mm3，不包含安装板的包络尺寸为600×800×800mm3，总质量为25kg。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过设计UHF-S双频段新馈源，利用现有S频段的格里高利双抛物面天线进行改造，降低设计和使用成本。本发明能够在完成UHF频段遥测接收工作的同时，保留抛物面天线在S频段的接收能力，能够应用于深空探测任务中UHF频段遥测信号的接收，具有较高的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例UHF频段馈源天线结构图；
图2为本发明实施例S频段馈源天线结构图，(a)是S频段馈源天线偏侧面方向的立体图，(b)是S频段馈源天线偏正面方向的立体图；
图3为本发明实施例UHF-S双频段馈源天线组合结构图；
图4为本发明实施例馈源整体结构图；
图5为本发明实施例馈源结构***图；
图6为本发明实施例带变焦机构的馈源的整体剖面图；
图7为本发明实施例馈源安装板与原安装架连接结构图；
图8为本发明实施例导轨架与安装板连接结构图；
图9为本发明实施例组合馈源S参数曲线对比图，图9(a)是UHF频段馈源S参数曲线图，图9(b)是S波段馈源S参数曲线图；
图10为本发明实施例组合馈源辐射特性对比图；图10(a)是UHF馈源3D方向图，图10(b)是S波段馈源3D方向图；图10(c)是UHF馈源极坐标方向图；图10(d)是S波段馈源极坐标方向图；
图11为本发明实施例馈源组合轴比特性曲线；图11(a)是UHF频段馈源轴比曲线图；图11(b)是S波段馈源轴比曲线图；
图12为本发明实施例抛物面天线仿真模型图；
图13为本发明实施例抛物面天线辐射特性；图13(a)是UHF频段3D方向图；图13(b)是S波段3D方向图；图13(c)是UHF频段极坐标方向图；图13(d)是S波段极坐标方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
本发明的UHF-S双频段抛物面测控天线改造方法，主要实施步骤包括：
第一步，请参阅图1，确定接收UHF频段遥测信息使用的馈源类型：本发明实施例中，UHF频段馈源采用四根偶极子天线组成一个正方形阵列的结构，相互平行的两根偶极子天线同相馈电，垂直方向的偶极子天线移相90°馈电，在振子后方1/4λ处安装方形地板，整个结构实现半球形圆极化辐射。
第二步，请参阅图2，确定接收S频段信号所使用的馈源类型：本发明的实施例中，S波段馈源采用波纹喇叭结构，其波纹结构具有良好的对称性，被广泛应用于馈源结构中；喇叭末端接波导圆极化器，可分别实现左旋和右旋圆极化。
第三步，请参阅图3，将UHF频段馈源天线和S频段馈源天线组合成UHF-S双频段馈源天线，并进行结构设计和尺寸设计：本发明的实施例中，在UHF天线地板中心开圆孔，将S波段馈源喇叭嵌入圆孔中，两天线呈嵌套形式安装，
第四步，对UHF-S双频段馈源天线进行电特性分析，使用模拟仿真软件将UHF-S双频段馈源天线导入抛物面模型的焦点处仿真分析天线性能，满足要求进行第五步，不满足，返回第三步调整UUHF-S双频段馈源天线的尺寸；
第五步，UHF-S双频段馈源安装整体结构设计，设置变焦机构和安装板，将整个带有变焦机构的UHF-S双频段馈源，使用安装板(4)安装于抛物面天线的原副反射面的安装架(5)上。
如图1所示，本发明的UHF频段馈源天线1采用四根偶极子天线组成一个正方形阵列结构101，相互平行的一对偶极子天线同相馈电，一对偶极子天线相对于另一对偶极子天线移相90°馈电，在振子后方λ/4处安装地板102，λ是波长，整个结构实现半球形圆极化辐射。每个偶极子天线均由馈电支撑部1011、第一振子1012和第二振子1013组成，馈电支撑部1011、第一振子1012和第二振子1013置于同一平面，馈电支撑部1011主体是两根平行的馈电空心管，两根馈电空心管的一端均固定于用于连接地板102的连接块1013，另一端分别垂直连接第一振子1012和第二振子1013的一端，第一振子1012和第二振子1013另一端悬空，对称设置于馈电支撑部1011两侧。地板102可以是方形、圆形等形状。
如图2所示，S频段馈源天线包括馈源喇叭201和波导圆极化器202组成，馈源喇叭201采用波纹喇叭结构2011，波纹喇叭结构具有良好的对称性，便于安装和布局；馈源喇叭201末端接波导圆极化器202，分别实现左旋和右旋圆极化。
如图1-图3所示，UHF-S双频段馈源天线组合是在所述的UHF天线方形地板102中心开孔1014，将S波段馈源天线的馈源喇叭201嵌入孔1014中，两天线呈嵌套形式安装，S频段馈源天线2穿过UHF频段馈源天线1的方形地板103的中央，并与方形地板102相连接，馈源喇叭201的开口处低于正方形阵列的结构101偶极子天线振子。
如图4所示，本发明中的馈源包括UHF频段馈源天线1、S频段馈源天线2、变焦机构3、安装板4。整个馈源使用安装板4与抛物面天线原副反射面安装架5相连，在安装板4上对应原副反射面安装架5的孔位打孔，采用螺栓等可拆装方式将二者装配在一起。
如图5所示，S波段馈源天线的馈源喇叭201嵌入UHF频段馈源天线1的地板102的孔1014中；UHF频段馈源天线的四根偶极子天线组成一个正方形阵列结构101置于S波段馈源天线的馈源喇叭201的四周，通过四个连接块1013固定于地板102；S波段馈源天线的波导圆极化器202的轴向侧面设置有滑块203和螺杆连接块204。
如图5-图8所示，变焦机构3包括导轨架301、导轨302、螺杆303、电机安装腔304、电机305，电机固定架306、底板307。导轨架301后端连接电机安装腔304，电机305通过电机固定架306固定于电机安装腔304内，电机安装腔304的后端连接底板307，导轨架301与电机安装腔304之间、电机安装腔304和底板307之间设置垫圈308。导轨301和螺杆303安装于导轨架301的内侧面，导轨302沿导轨安装架301轴向固定连接，导轨安装架301内侧面轴向两端分别设置有两个螺杆支座310，螺杆支座310上设置有与螺杆303匹配的螺纹，螺杆303穿过两个螺杆支座310的螺纹孔固定于导轨架310的内侧面；波导圆极化器202的滑块203与导轨301滑动配合连接，螺杆连接块204与螺杆303的一端通过轴承连接，电机305通过万向节与螺杆303的另一端连接，电机305带动螺杆303转动，通过螺杆303驱动UHF-S双频段馈源天线组合沿导轨架301的轴向来回直线运动。为使结构稳定，除螺杆外可另安装多条导轨承力以稳定馈源结构。
导轨架301外侧四周设置L型安装片309，通过L安装片，将带着UHF-S双频段馈源天线组合的变焦机构3固定于安装板4上，变焦机构的一部分穿过安装板4上的孔。安装板4为整个馈源的主承力部件。本发明实施例中馈源整体包络尺寸为800×1200×1200mm3，不包含安装板的包络尺寸为600×800×800mm3，总质量为25kg。
为确定两馈源间的互相影响不会影响整体性能，将两馈源组合后仿真分析，两馈源的S参数曲线如图9所示，UHF频段馈源的工作带宽为200MHz(图9(a))，S波段馈源的工作带宽为0.55GHz(图9(b))。
两馈源的辐射图如图10所示。根据仿真结果，UHF天线增益为10.2dBi，主瓣宽度为57.4°；S波段馈源天线增益为13.1dBi，主瓣宽度为28.5°。两馈源的极化方式均为圆极化，其轴比特性如图11所示，在主瓣方向内轴比均小于3dB。
将馈源导入抛物面模型的焦点处仿真分析抛物面天线性能，图12为仿真模型。经抛物面反射后的辐射方向图如图13所示。根据仿真结果，该抛物面天线在UHF频段增益为31.5dBi，G/T值约为5.8dB/K，主瓣宽度为4.6°，极化方式为圆极化；在S波段上增益为44.7dBi，G/T值约为21dB/K，主瓣宽度为0.6°，极化方式为圆极化。
本发明的研究成果解决了深空探测微卫星***UHF频段遥测信号接收的问题，新馈源的设计兼顾了S频段，可在增加UHF频段接收功能的同时保留S频段的接收能力，具有较高的工程应用价值。
利用本发明的改造方法，工程应用实践中利用某12米口径全动天线满足了任务需求。该12米口径全动天线为格里高利形式，副反射面安装位置在焦点之前，利用原副反射面支架直接安装新馈源实现UHF频段接收，且无需对原有馈电***进行改动。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种UHF-S双频段抛物面天线改造方法，其特征在于包括步骤：
第一步，确定接收UHF频段遥测信息使用的馈源天线类型；
UHF频段馈源天线(1)采用四根偶极子天线组成一个正方形阵列结构(101)，相互平行的一对偶极子天线同相馈电，一对偶极子天线相对于另一对偶极子天线移相90°馈电，UHF频段馈源天线是半球形圆极化辐射；
在第一步中，每个所述的偶极子天线均由馈电支撑部(1011)、第一振子(1012)和第二振子(1013)组成，馈电支撑部(1011)、第一振子(1012)和第二振子(1013)置于同一平面，馈电支撑部(1011)主体是两根平行的馈电空心管，两根馈电空心管的一端均固定于用于连接地板(102)的连接块(1013)，另一端分别垂直连接第一振子(1012)和第二振子(1013)的一端，第一振子(1012)和第二振子(1013)另一端悬空，对称设置于馈电支撑部(1011)两侧；
第二步，确定接收S频段信号所使用的馈源天线类型；
S频段馈源天线(2)包括馈源喇叭(201)和波导圆极化器(202)组成，馈源喇叭(201)采用波纹喇叭结构(2011)，馈源喇叭(201)末端接波导圆极化器(202)，S频段馈源天线(2)的波导圆极化器(202)是左旋或右旋圆极化；
第三步，将UHF频段馈源天线和S频段馈源天线组合成UHF-S双频段馈源天线，进行结构设计和尺寸设计；其中结构设计包括：
在振子后方λ/4处安装地板(102)，λ是波长；在所述的UHF天线地板(102)中心开孔，将S波段馈源天线的馈源喇叭(201)嵌入孔中，S频段馈源天线(2)的波导圆极化器(202)穿过UHF频段馈源天线(1)的地板(102)的中央，两天线呈嵌套形式安装；
第四步，对UHF-S双频段馈源天线进行电特性分析，使用模拟仿真软件将UHF-S双频段馈源天线导入抛物面模型的焦点处仿真分析天线性能，满足要求进行第五步，不满足，返回第三步调整UHF-S双频段馈源天线的尺寸；
第五步，UHF-S双频段馈源安装整体结构设计，设置变焦机构和安装板，将整个带有变焦机构的UHF-S双频段馈源，使用安装板(4)安装于格里高利双抛物面天线的原副反射面的安装架(5)上；
在第五步中，所述的“UHF-S双频段馈源安装整体结构设计，设置变焦机构和安装板”包括：
在S波段馈源天线(2)的波导圆极化器(202)的轴向侧面设置滑块(203)和螺杆连接块(204)；
所述变焦机构(3)设置有导轨架(301)、导轨(302)、螺杆(303)、电机安装腔(304)、电机(305)，电机固定架(306)、底板(307)；
导轨架(301)后端连接电机安装腔(304)，电机(305)通过电机固定架(306)固定于电机安装腔(304)内，电机安装腔(304)的后端连接底板(307)，导轨架(301)与电机安装腔(304)之间、电机安装腔(304)和底板(307)之间设置垫圈(308)；
导轨(302)和螺杆(303)安装于导轨架(301)的内侧面，导轨(302)沿导轨安装架(301)轴向固定连接，导轨安装架(301)内侧面轴向两端分别设置有两个螺杆支座(310)，螺杆支座(310)上设置有与螺杆(303)匹配的螺纹，螺杆(303)穿过两个螺杆支座(310)的螺纹孔固定于导轨架(301)的内侧面；
波导圆极化器(202)侧面的滑块(203)与导轨(301)滑动配合连接，螺杆连接块(204)与螺杆(303)的一端通过轴承连接，电机(305)通过万向节与螺杆(303)的另一端连接，电机(305)带动螺杆(303)转动，通过螺杆(303)驱动UHF-S双频段馈源天线沿导轨架(301)的轴向来回直线运动；
导轨架(301)外侧四周设置L型安装片(309)，通过L型安装片，将带着UHF-S双频段馈源天线的变焦机构(3)固定于安装板(4)上；
所述格里高利双抛物面天线是12米的格里高利双抛物面测控天线；
所述的UHF频段馈源天线和S频段馈源天线组合成UHF-S双频段馈源天线，整体包络尺寸为800×1200×1200mm3，不包含安装板的包络尺寸为600×800×800mm3，总质量为25kg。
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