專利名稱：一種地球匹配波束演化天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種地球匹配波束演化天線，屬于星載天線領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對(duì)于中低軌道航天飛行器，由于受地球曲率的顯著影響，飛行器對(duì)地面不同角度地面站的傳輸路徑不同，角度越大傳輸路徑越長(zhǎng)，路徑損耗越大；為了彌補(bǔ)這種損耗，一般采用星上賦形波束設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出滿足地球匹配波束的天線，利用波束形狀補(bǔ)償覆蓋波束范圍內(nèi)衛(wèi)星與地面鏈路路徑長(zhǎng)度在波束中心與邊緣不同而產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度差異，使斜距路徑損耗對(duì)鏈路產(chǎn)生的影響最小。目前常用的地球匹配波束天線有平面相控陣天線、背射雙線螺旋天線、波導(dǎo)十字槽陣天線及賦形反射面天線。平面相控陣天線通過優(yōu)化陣列各單元的激勵(lì)幅度和相位，通過饋電網(wǎng)絡(luò)將若干點(diǎn)波束合成為地球匹配賦形波束，但存在的不足是結(jié)構(gòu)龐大、笨重，饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，損耗大。波導(dǎo)十字槽陣天線是在矩形波導(dǎo)寬邊開一系列十字縫隙，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)波導(dǎo)寬邊尺寸和開槽的位置，實(shí)現(xiàn)最大指向?yàn)轭A(yù)定方向的圓極化波束，然后利用波導(dǎo)終端的開口輻射形成所要求的地球匹配賦形波束，但該類天線的帶寬窄，為了滿足數(shù)傳分系統(tǒng)的要求，需要4付天線(包括1付信標(biāo)天線)。這樣就造成天線之間存在較大的干涉，導(dǎo)致功率方向圖出現(xiàn)變形，增加了最大增益的全向波動(dòng)范圍，同時(shí)不便于與數(shù)傳發(fā)射機(jī)單口輸出端相連接。背射雙線螺旋天線的覆球賦形波束的最大指向?qū)ぷ黝l率較為敏感，最大增益低，難于實(shí)現(xiàn)寬帶要求。賦形反射面天線是通過單饋源賦形反射面來實(shí)現(xiàn)地球匹配賦形波束，其缺點(diǎn)是波束范圍內(nèi)增益起伏大(最大達(dá)到7 8dB)，并且體積大，質(zhì)量重。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有地球匹配波束天線的不足，提出了一種地球匹配波束天線，實(shí)現(xiàn)波束的賦形，滿足地球匹配波束的要求。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種地球匹配波束演化天線，包括第一輻射臂、第二輻射臂、第三輻射臂、第四輻射臂、金屬反射地板、匹配枝節(jié)和饋電接頭；金屬反射地板為圓形，中心處有通孔，金屬反射地板的直徑小于所述地球匹配波束演化天線工作波長(zhǎng)的兩倍，用于反射電磁波從而減小所述地球匹配波束演化天線的電磁場(chǎng)的后向輻射；第一輻射臂、第二輻射臂、第三輻射臂和第四輻射臂結(jié)構(gòu)相同，對(duì)稱分布于四個(gè)象限，位于金屬反射地板之上，每個(gè)輻射臂均由四段折線段構(gòu)成，橫截面為圓形，每個(gè)折線段的長(zhǎng)度為所述地球匹配波束演化天線工作波長(zhǎng)的十分之一到二分之一之間，每個(gè)輻射臂上相鄰的折線段之間夾角不小于20度；
匹配枝節(jié)的一端與金屬反射地板連接，另一端與饋電接頭連接；所述匹配枝節(jié)包括外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體，匹配枝節(jié)的內(nèi)導(dǎo)體伸入金屬反射地板的通孔內(nèi)，匹配枝節(jié)的外導(dǎo)體與金屬反射地板的下表面固連，所述地球匹配波束演化天線的四個(gè)輻射臂的下端均在金屬反射地板的中心通孔處與匹配枝節(jié)的內(nèi)導(dǎo)體固連。所述匹配枝節(jié)采用同軸并聯(lián)單枝節(jié)。所述饋電接頭為SMA同軸接頭，阻抗為50 Ω或者75 Ω。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是本發(fā)明的地球匹配波束天線采用特殊的四臂輻射結(jié)構(gòu)，使得輻射臂上的電流分布與螺旋天線相似接近輸入端的電流呈指數(shù)律衰減；接近開路端的短距離內(nèi)電流呈駐波；在這兩端區(qū)之間的電流幅度顯示出相對(duì)均勻的分布。輸入端區(qū)域的衰減表明，由流出波經(jīng)開路端反射而返回的波已被指數(shù)律衰減得很小了，所以該天線相對(duì)其它地球匹配波束天線具有很寬的阻抗帶寬。同時(shí)，該天線只需要一副天線即可實(shí)現(xiàn)地球匹配波束，相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)來說，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，不需要復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，且具有體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明地球匹配波束演化天線的前視圖；圖2為本發(fā)明演化天線饋電部分的剖面圖；圖3為本發(fā)明地球匹配波束演化天線的俯視圖；圖4為本發(fā)明地球匹配波束演化天線的結(jié)構(gòu)圖；圖5為本發(fā)明地球匹配波束演化天線輻射臂的結(jié)構(gòu)圖；圖6為本發(fā)明地球匹配波束演化天線X頻段0度面的主極化方向圖；圖7為本發(fā)明地球匹配波束演化天線X頻段90度面的主極化方向圖。
具體實(shí)施例方式如圖1、圖2、圖3、圖4所示，本發(fā)明的地球匹配波束演化天線包括第一輻射臂1、第二輻射臂2、第三輻射臂3、第四輻射臂4、金屬反射地板5、匹配枝節(jié)6和饋電接頭7 ；匹配枝節(jié)6采用同軸并聯(lián)單枝節(jié)，饋電接頭7為SMA同軸接頭，阻抗為50 Ω或者75 Ω，其中四個(gè)輻射臂和金屬反射地板5共同決定了天線的輻射性能，匹配枝節(jié)6用于改善天線阻抗匹配特性，通過調(diào)節(jié)枝節(jié)的長(zhǎng)度和枝節(jié)的位置達(dá)到調(diào)節(jié)輸入阻抗的目的，最終實(shí)現(xiàn)與饋電接頭7的阻抗匹配，饋電接頭7為天線與射頻發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的電氣接口。金屬反射地板5為圓形，中心處有通孔，金屬反射地板5的直徑小于所述地球匹配波束演化天線工作波長(zhǎng)的兩倍，用于反射電磁波從而減小所述地球匹配波束演化天線的電磁場(chǎng)的后向輻射，提高天線覆蓋范圍內(nèi)的波束增益。第一輻射臂1、第二輻射臂2、第三輻射臂3和第四輻射臂4結(jié)構(gòu)相同，對(duì)稱分布于四個(gè)象限，位于金屬反射地板5之上，每個(gè)輻射臂被限制在一個(gè)象限之內(nèi)，四個(gè)輻射臂相互之間在物理結(jié)構(gòu)上不會(huì)存在干涉，如圖5所示為輻射臂的結(jié)構(gòu)形式，每個(gè)輻射臂均由四段折線段構(gòu)成(折線段8、折線段9、折線段10、折線段11)，橫截面為圓形，強(qiáng)度可以滿足衛(wèi)星發(fā)射時(shí)的力學(xué)要求，每個(gè)折線段的長(zhǎng)度為所述地球匹配波束演化天線工作波長(zhǎng)的十分之一到二分之一之間，每個(gè)輻射臂上相鄰的折線段之間夾角不小于20度；為滿足地球匹配波束的要求，可以對(duì)各折線段端點(diǎn)的坐標(biāo)位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以采用多種優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化，如牛頓法、遺傳算法、演化算法等。其中，演化算法對(duì)初始坐標(biāo)值依賴度不高，收斂速度快，容易找到全局最優(yōu)解，最適合對(duì)該發(fā)明天線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用演化算法對(duì)輻射臂坐標(biāo)位置進(jìn)行時(shí)，首先建立天線的數(shù)學(xué)物理模型，并設(shè)定輻射臂坐標(biāo)的初始值為任意值；其次，設(shè)定各折線段的坐標(biāo)作為優(yōu)化變量，天線的體積作為約束條件，并將地球匹配波束f( θ，Φ)(θ，Φ為角度)作為優(yōu)化目標(biāo)；最后，調(diào)用演化算法開始優(yōu)化，算法收斂時(shí)得到滿足要求的天線結(jié)構(gòu)。通過對(duì)輻射臂進(jìn)行賦形實(shí)現(xiàn)地球匹配波束的基本原理為當(dāng)通過SMA同軸接頭7對(duì)天線進(jìn)行饋電時(shí)，輻射臂上會(huì)形成一定的電流分布，對(duì)電流進(jìn)行積分可以得到天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖，當(dāng)改變輻射臂各折線段的坐標(biāo)時(shí)，即改變了輻射臂的形狀，此時(shí)電流的空間分布也隨之改變，不同的空間電流分布積分得到不同的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖，這樣就通過輻射臂形狀的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了天線的波束賦形。通過輻射臂旋轉(zhuǎn)方向的改變可以實(shí)現(xiàn)不同的圓極化方向圖，當(dāng)輻射臂旋轉(zhuǎn)方向滿足右手法則時(shí)，實(shí)現(xiàn)右旋圓極化波束，當(dāng)輻射臂滿足左手法則時(shí)，實(shí)現(xiàn)左旋圓極化波束。輻射臂進(jìn)行賦形時(shí)必須滿足一定的約束條件，才能得到最優(yōu)化的輻射方向圖，條件為輻射臂的各折線段長(zhǎng)度介于十分之一波長(zhǎng)和二分之一波長(zhǎng)之間，相鄰的折線段之間夾角不小于20度。這里說的波長(zhǎng)是指所述地球匹配波束演化天線的工作波長(zhǎng)，由于輻射臂上的電流分布與螺旋天線相似接近輸入端的電流呈指數(shù)律衰減；接近開路端的短距離內(nèi)電流呈駐波；在這兩端區(qū)之間的電流幅度顯示出相對(duì)均勻的分布，且駐波比很小。輸入端區(qū)域的衰減表明，由流出波經(jīng)開路端反射而返回的波已被指數(shù)律衰減得很小了，所以該天線具有很寬的阻抗帶寬，同時(shí)，該天線只需要一副天線即可實(shí)現(xiàn)地球匹配波束，相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)來說，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，不需要復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，且具有體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。經(jīng)測(cè)試表明該天線駐波比小于1.5的帶寬大于25%，輻射方向圖滿足地球匹配波束的要求，如圖6和圖7所示。匹配枝節(jié)6的一端與金屬反射地板5連接，另一端與饋電接頭7連接；所述匹配枝節(jié)6包括外導(dǎo)體13和內(nèi)導(dǎo)體12，匹配枝節(jié)6的內(nèi)導(dǎo)體12伸入金屬反射地板5的通孔內(nèi)，匹配枝節(jié)6的外導(dǎo)體13與金屬反射地板5的下表面固連，所述地球匹配波束演化天線的四個(gè)輻射臂的下端均在金屬反射地板5的中心通孔處與匹配枝節(jié)6的內(nèi)導(dǎo)體12固連；一般來講，同軸饋電接頭也分為內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體，連接時(shí)，匹配枝節(jié)的內(nèi)導(dǎo)體和饋電接頭的內(nèi)導(dǎo)體相連，匹配枝節(jié)的外導(dǎo)體與饋電接頭的外導(dǎo)體連接。經(jīng)過試驗(yàn)，本發(fā)明的地球匹配波束演化天線在X頻段體積為Φ 70mmX 56mm,重量為75g，相比現(xiàn)有技術(shù)的天線具有體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，可以用于中低軌道航天飛行器的數(shù)據(jù)傳輸和遙控遙測(cè)領(lǐng)域。本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種地球匹配波束演化天線，其特征在于包括第一輻射臂(1)、第二輻射臂O)、第三輻射臂(3)、第四輻射臂G)、金屬反射地板(5)、匹配枝節(jié)(6)和饋電接頭(7)；金屬反射地板(5)為圓形，中心處有通孔，金屬反射地板(5)的直徑小于所述地球匹配波束演化天線工作波長(zhǎng)的兩倍，用于反射電磁波從而減小所述地球匹配波束演化天線的電磁場(chǎng)的后向輻射；第一輻射臂(1)、第二輻射臂O)、第三輻射臂(3)和第四輻射臂(4)結(jié)構(gòu)相同，對(duì)稱分布于四個(gè)象限，位于金屬反射地板(5)之上，每個(gè)輻射臂均由四段折線段構(gòu)成，橫截面為圓形，每個(gè)折線段的長(zhǎng)度為所述地球匹配波束演化天線工作波長(zhǎng)的十分之一到二分之一之間，每個(gè)輻射臂上相鄰的折線段之間夾角不小于20度；匹配枝節(jié)(6)的一端與金屬反射地板( 連接，另一端與饋電接頭(7)連接；所述匹配枝節(jié)(6)包括外導(dǎo)體(13)和內(nèi)導(dǎo)體(12)，匹配枝節(jié)(6)的內(nèi)導(dǎo)體(12)伸入金屬反射地板(5)的通孔內(nèi)，匹配枝節(jié)(6)的外導(dǎo)體(13)與金屬反射地板(5)的下表面固連，所述地球匹配波束演化天線的四個(gè)輻射臂的下端均在金屬反射地板(5)的中心通孔處與匹配枝節(jié)(6)的內(nèi)導(dǎo)體(12)固連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種地球匹配波束演化天線，其特征在于所述匹配枝節(jié)(6)采用同軸并聯(lián)單枝節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種地球匹配波束演化天線，其特征在于所述饋電接頭(7)為SMA同軸接頭，阻抗為50 Ω或者75 Ω。
全文摘要
一種地球匹配波束演化天線，天線由四個(gè)輻射臂、金屬反射地板、匹配枝節(jié)和SMA同軸接頭組成。四個(gè)輻射臂結(jié)構(gòu)相同，均勻分布于四個(gè)象限，每個(gè)輻射臂均由四段折線段構(gòu)成，橫截面為圓形，每個(gè)折線段的長(zhǎng)度為所述地球匹配波束演化天線工作波長(zhǎng)的十分之一到二分之一之間，每個(gè)輻射臂上相鄰的折線段之間夾角不小于20度，通過四臂形狀的改變即可實(shí)現(xiàn)波束賦形，從而滿足地球匹配波束的要求。由于輻射臂上的電流分布類似于螺旋天線的電流分布，使該天線相比其它地球匹配波束天線具有帶寬寬的特點(diǎn)，同時(shí)，該天線只需要一副天線即可實(shí)現(xiàn)地球匹配波束，相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)來說，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，不需要復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，且具有體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01Q1/36GK102394346SQ20111018265
公開日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月29日
發(fā)明者敬紅勇, 柏宏武, 薛兆璇 申請(qǐng)人:西安空間無線電技術(shù)研究所