本發(fā)明屬于衛(wèi)星通信技術領域，涉及一種用于立體微納衛(wèi)星上的太陽能電池與縫隙天線集成一體化裝置。

背景技術：

微納衛(wèi)星是目前航天科學與空間技術領域研究的熱點，由于具有體積小、功耗低、開發(fā)周期短和可編隊組網的特點，微納衛(wèi)星能夠以較低的成本完成很多復雜的空間任務。但由于受到體積和質量限制，微納衛(wèi)星的載荷能力有限，功能和在軌任務均較為單一。目前，太陽能電池和天線系統(tǒng)總共占據微納衛(wèi)星重量的1/4到1/3，并且太陽能電池和天線系統(tǒng)各自獨立設計，二者互相爭奪著衛(wèi)星上極其有限的空間資源。

微納衛(wèi)星上常用天線有偶極子天線、四臂螺旋天線、微帶貼片天線、縫隙天線；其中四臂螺旋天線在微納衛(wèi)星上最常用，但由于其體積和重量都較大，不利于衛(wèi)星的小型化和輕量化；微帶貼片天線具有占用空間小、便于與面狀承載物集成、容易形成陣列等優(yōu)勢，在微納衛(wèi)星上也時有應用；縫隙天線可以無突出地做在金屬平面上，易于圓極化，易組成陣列天線，可實現較高增益和良好的方向性，在高速飛行器上有廣泛應用。

隨著科技水平的提高，太陽能電池新材料、新技術不斷涌現，目前硅系太陽能電池在市場上仍然占據主導地位，多元化合物太陽能電池材料光電轉換效率高，已在空間領域嶄露頭角，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

中國專利公開了一種“太陽能電池集成天線的裝置”(專利號：201010537602.2)。該裝置采用貼片天線與太陽能電池集成的方式，貼片天線和太陽能電池共用地平面，太陽能電池半導體基底包括底部N型區(qū)、P型區(qū)和高阻區(qū)，貼片天線單元位于高阻區(qū)上方，太陽能電池頂電極位于N型區(qū)上方。

發(fā)明人對現有技術研究發(fā)現，太陽能電池集成貼片天線的裝置對太陽能電池結構的要求較苛刻，使其在實際應用中會受到諸多限制，該裝置僅適用于太陽能電池是單個PN結的情況，并不適用于效率較高的多個PN結太陽能電池、多元化合物太陽能電池材料及發(fā)展較快的各種新型太陽能電池材料。因為多元化合物太陽能電池除了基底的三個層區(qū)外，還有許多必須的其他材料層。貼片天線本身面積就比較大，將金屬貼片嵌入到太陽能電池中，太陽能電池的導電層包圍金屬貼片，當金屬貼片輻射電磁波時，金屬貼片會與周圍的導電層產生電磁耦合，必然影響貼片天線的輻射性能。為了消除耦合效應，需要金屬貼片與導電層相隔很大的距離。金屬貼片本身具有的較大面積，再加上與導電層之間所必須的很大間隔，二者會使太陽能電池損失很大的受光面積。而太陽能電池工作時，會產生很大的熱量，必然造成金屬貼片工作于較高的溫度下，這會大幅度降低天線性能尤其是天線輻射效率。此外，該裝置結構較復雜，對太陽能板先開孔再安裝饋線的方法，使制作過程繁瑣，增加制造成本。

另外，發(fā)明人在對縫隙天線和太陽能電池中的研究中還發(fā)現，微帶縫隙天線和太陽能電池具有相似的層狀結構。微帶縫隙天線由一定介電常數的介質基板、位于介質基板上方的帶有縫隙的金屬地板和位于介質基板下方的微帶饋電線構成，而太陽能電池可以使用金屬基板作為襯底，并用作太陽能電池的一個輸出電極。如果將微帶縫隙天線的金屬地板用作太陽能電池的襯底，縫隙天線與太陽能電池共用接地板，實現天線與太陽能電池的融合，能夠在滿足衛(wèi)星通信的情況下，增大太陽能電池的受光面積，而衛(wèi)星供電系統(tǒng)和電磁輻射系統(tǒng)的融合有利于衛(wèi)星的小型化、輕量化發(fā)展。

技術實現要素：

為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種太陽能電池與縫隙天線集成一體化裝置，解決在微納衛(wèi)星有限的表面積上太陽能電池與天線系統(tǒng)相互爭奪空間資源的問題，并減少衛(wèi)星體積，降低衛(wèi)星重量，增大太陽能電池受光面積。

本發(fā)明所采用的技術方案是，太陽能電池與縫隙天線集成一體化裝置，包括縫隙天線、太陽能電池、金屬地板、介質基板與微帶線；所述金屬地板位于介質基板之上，金屬地板上設置縫隙天線，介質基板下方覆微帶線用于為縫隙天線饋送能量，微帶線與縫隙天線形成電磁耦合從而產生電磁輻射；太陽能電池位于金屬地板的上方且太陽能電池不覆蓋縫隙天線，縫隙天線貫穿太陽能電池和金屬地板；所述金屬地板作為縫隙天線和太陽能電池的共用地平面。

進一步的，所述縫隙天線為多個十字形縫隙單元，構成圓極化陣列天線。

進一步的，所述縫隙天線為單一縫隙天線，或陣列縫隙組成的線極化天線。

進一步的，所述縫隙天線的形狀為矩形或其他不規(guī)則形狀。

進一步的，所述縫隙天線采取同軸傳輸線饋電方式或微帶線饋電方式。

進一步的，所述微帶線的饋電網絡采用T型功率分配器或Wilkinson功率分配器的形式。

進一步的，所述Wilkinson功率分配器的輸出端口之間通過焊接隔離電阻隔離。

進一步的，所述微帶線饋電的方式包括微帶線處于縫隙天線下方中心位置的中心饋電、偏離中心位置的偏饋和側饋。

進一步的，所述微帶線的形狀為矩形、梯形或其他不規(guī)則形狀。

進一步的，所述太陽能電池上設置保護層，所述金屬地板采用不銹鋼材料。

本發(fā)明的有益效果是：可有效解決小衛(wèi)星表面太陽能電池和天線的資源占用問題，減小裝置的體積，降低裝置的重量，增大太陽能板受光面積，有利于提高小衛(wèi)星單位體積內可提供的載荷能力。相比太陽能電池集成天線的裝置，本發(fā)明的裝置結構更加簡單實用，且消除了對太陽能電池材料的使用限制。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1微帶縫隙天線結構示意圖。

圖2三結非晶硅薄膜太陽能電池疊層結構圖。

圖3微帶縫隙天線俯視結構圖。

圖4微帶縫隙天線底面結構圖。

圖5太陽能電池與微帶縫隙天線集成一體化裝置結構圖。

圖中，1.縫隙天線，2.太陽能電池，3.金屬地板，4.介質基板，5.微帶線，6.隔離電阻，7.T型功率分配器，8.Wilkinson功率分配器，101.第一縫隙，102.第二縫隙，103.第三縫隙，104.第四縫隙，10.十字縫隙單元。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

在研究太陽能電池與天線融合技術的過程中，發(fā)明人發(fā)現微帶縫隙天線和太陽能電池具有相似的平面層狀結構特性。圖1所示的微帶縫隙天線結構圖，包括：縫隙天線1、金屬地板3、介質基板4與微帶線5。微帶縫隙天線的主體結構是金屬地板3和介質基板4的疊層結構，其中金屬地板3位于介質基板4之上，通過化學腐蝕方法在金屬地板3上制作縫隙天線1和在介質基板4下方覆微帶線5。金屬地板3和微帶線5采用具有良好電導率的材料，常用不銹鋼和銅。介質基板4要根據天線的工作頻率和工作環(huán)境確定合適的介電常數和損耗正切。圖2所示的三結非晶硅薄膜太陽能電池的結構，在不銹鋼薄片上沉積了鋁或銀等良電導率層、透明導電膜氧化鋅層、三結非晶硅層(a-Si:H)和背電極層，背電極層由透明導電膜氧化鋅層、增透膜氟化鎂層和銀電極構成，生成典型的疊層結構太陽能電池。可查資料證明，其他材料的太陽能電池也大多采用類似的疊層結構。

微帶縫隙天線俯視結構，如圖3所示，縫隙天線1由四個2×2排列的十字縫隙單元10組成，十字縫隙單元10由大小相同的第一縫隙101、第二縫隙102、第三縫隙103和第四縫隙104組成，當第一縫隙101、第二縫隙102、第三縫隙103、第四縫隙104輻射的電磁波幅值相等、相位依次相差90°時，構成右旋圓極化縫隙天線。反之，則構成左旋圓極化縫隙天線。橫向和縱向的兩個十字縫隙單元10之間的間距為ΔL，第一縫隙101、第二縫隙102、第三縫隙103、第四縫隙104的長度為L，寬度為W。

微帶縫隙天線底面結構，如圖4所示，包括介質基板4和微帶線5。微帶線5采用T型功率分配器和Wilkinson功率分配器相結合的方式進行設計。首先采用三個T型功率分配器產生四路等幅同相的輸出信號，每路輸出信號作為對應陣元的激勵源。陣元激勵網絡采用三個Wilkinson功率分配器產生四路幅值相等、相位依次相差90°的輸出信號，每路輸出信號作為對應縫隙的饋源，隔離電阻6起到增加輸出端口隔離度的作用。假設某段微帶線長度為ML，寬度為MW，所對應的特征阻抗為50Ω，電場在該段相移90°。

下面以天線工作的中心頻點f＝2.5GHz為例說明天線參數：每個縫隙的長度L、寬度W、微帶線長度ML、微帶線寬度MW、橫向和縱向的兩個十字縫隙單元10之間的間距ΔL的取值方法，已知介質基板的相對介電常數ε_r＝2.2，介質基板的厚度d＝0.127cm；天線在2.5GHz處的特征阻抗Z₀＝50Ω，相移φ＝90°。

微帶線的寬度計算公式為：

式中，e為自然常數，系數A和系數B由下式給出：

由上述公式可計算得到：MW＝3.081d＝0.391cm

介質基板的有效介電常數為：

微帶線的長度為：

式中c是真空中的光速。

介質基板中電磁波的波長為：

縫隙長度L的取值范圍為：0.4λ₀～0.5λ₀，即3.236cm～4.045cm

縫隙寬度較窄，一般W取值在1.5mm左右。

兩個十字縫隙單元之間的距離ΔL＝0.5nλ₀，n＝1,2,3,……。根據實際情況，取合適的n值即可。

上述計算方法得到的參數值都是理論值，實際應用中需在理論值的基礎上進行微調，才能獲得良好的天線性能。

如圖5所示的太陽能電池與微帶縫隙天線集成一體化裝置結構圖，包括：縫隙天線1、太陽能電池2、金屬地板3、介質基板4、微帶線5。其中金屬地板3位于介質基板4之上，金屬地板3作為縫隙天線1和太陽能電池2的共用地平面；通過化學腐蝕方法在金屬地板3上制作縫隙天線1和在介質基板4下方覆微帶線5，太陽能電池2位于金屬地板3的上方，太陽能電池2不覆蓋縫隙天線1，即縫隙天線1貫穿太陽能電池2和金屬地板3，可以在太陽能電池2上安裝保護層(如玻璃)，且不需要在保護層上制作縫隙。金屬地板3采用不銹鋼材料，金屬地板3是微帶縫隙天線的地平面，同時又是太陽能電池2的一個輸出電極。

縫隙天線1包括多個十字形縫隙單元，構成圓極化陣列天線；微帶線5饋電網絡位于介質基板4之下，為縫隙天線1饋送能量，與縫隙天線1形成電磁耦合從而產生電磁輻射。

太陽能電池與微帶縫隙天線集成一體化裝置，采用微帶線饋電的方式，包括微帶線5處于縫隙下方中心位置的中心饋電、偏離中心位置的偏饋和側饋情況，本文實施例描述的是偏離中心位置的偏饋情況。微帶線的偏心位置影響天線的輸入阻抗，合理選擇偏心位置使天線的輸入阻抗和微帶線的特性阻抗相匹配，可以增大天線帶寬并簡化復雜的匹配網絡。

微帶線5為矩形、梯形或其他不規(guī)則形狀。矩形微帶線是最常用的形狀，結構簡單，易于生產制造，且具有成熟的理論計算公式。其他形狀的微帶線結構一般較為復雜，需要設計者具有豐富的微帶線設計經驗，但可以獲得較為優(yōu)良的天線性能，如極大的天線帶寬。

微帶線5饋電網絡采用T型功率分配器或Wilkinson功率分配器或二者相結合的形式。T型功率分配器結構簡單，輸出端口之間無隔離。Wilkinson功率分配器輸出端口之間有隔離，但需要焊接隔離電阻6。

縫隙天線1的第一種饋電方式即采用上述的微帶線饋電。

縫隙天線1的另一種饋電方式是采取同軸傳輸線饋電方式。同軸傳輸線饋電較適用于單縫隙天線，對于由多個縫隙組成的陣列天線，若每個縫隙都由同軸線饋電，則饋線結構極為復雜，所以陣列縫隙不宜采用同軸傳輸線饋電方式。

縫隙天線1的形狀是矩形或其他不規(guī)則形狀。矩形縫隙是最常用的縫隙天線，結構簡單易制備，易于組成陣列實現圓極化。其他形狀的縫隙主要是為了實現天線特定性能，如環(huán)形縫隙天線具有良好的定向性。

縫隙天線1的一種形式如上所述，采用十字縫隙單元；縫隙天線1的另一種形式為單一縫隙，或陣列縫隙組成的線極化天線。

太陽能電池2采用的太陽能電池材料不受限制，包括硅系太陽能電池、多元化合物太陽能電池等。

微納衛(wèi)星的質量通常小于十千克，采用立方體結構。由于體積、質量及成本的限制，微納衛(wèi)星不能像傳統(tǒng)的大衛(wèi)星安裝可伸展的太陽能帆板，微納衛(wèi)星的太陽能電池平鋪并固定于衛(wèi)星表面。而太陽能電池中導電層的存在會阻礙電磁波的傳播，所以衛(wèi)星通信天線不能放置于太陽能電池下方，太陽能電池也不能鋪滿衛(wèi)星表面，必須留出一部分衛(wèi)星表面安裝通信天線，這勢必造成衛(wèi)星表面空間的浪費，也會減少太陽能電池的面積。而采用本發(fā)明所述的裝置，通過太陽能電池和縫隙天線共用接地板，太陽能電池成為天線的一部分，在保證天線性能基本不受影響的情況下，太陽能電池就能夠鋪滿衛(wèi)星表面，且縫隙天線的縫隙很窄，只會占用極少的太陽能電池面積，這樣就可以達到增大太陽能電池受光面積的目的。本發(fā)明所述的裝置，實現了衛(wèi)星供電系統(tǒng)和電磁輻射系統(tǒng)的融合，可有效解決微納衛(wèi)星表面太陽能電池和天線的資源占用問題，減小裝置的體積，降低裝置的重量，增大太陽能板受光面積，有利于提高小衛(wèi)星單位體積內可提供的載荷能力，有利于實現衛(wèi)星的小型化、輕量化。

相比于太陽能電池集成貼片天線的裝置，本發(fā)明所述的裝置具有諸多優(yōu)點。貼片天線的輻射金屬貼片面積較大，且需要太陽能電池的導電層保留一定的間距，比縫隙天線占用更多的太陽能電池受光面積。既使金屬貼片與太陽能電池的導電層保留一定的間距，也只能降低而無法消除金屬貼片與其周圍導電層的電磁耦合效應對貼片天線性能的影響，本發(fā)明所述的裝置使太陽能電池成為天線的一部分，太陽能電池的導電性對縫隙的電磁輻射有一定的促進作用，所以太陽能電池基本不會影響縫隙天線性能。太陽能電池工作時，會產生很大的熱量，必然造成貼片天線工作于較高的溫度下，這會大幅度降低天線性能尤其是天線輻射效率，而本發(fā)明所述裝置的饋電系統(tǒng)和電磁輻射系統(tǒng)是相分離的，沒有物理上的接觸，借助于電磁耦合作用產生電磁輻射，溫度變化對于天線輻射性能的影響很小。相比于貼片天線，縫隙天線更易獲得天線的圓極化和高增益。圓極化天線抗干擾能力強，此外衛(wèi)星通信天線必須圓極化，高增益是設備進行遠距離通信所必需的。本發(fā)明所述的裝置，通過微帶線對十字縫隙單元進行饋電，調整微帶線的長度使十字縫隙單元的四個縫隙輻射的電磁波相位相差90°，即可實現天線圓極化，且通過延展微帶線饋電網絡，便可實現對縫隙陣列進行饋電，從而獲得高增益。本發(fā)明所述的裝置，容易實現衛(wèi)星天線的圓極化和高增益，且結構簡單，易于制備。

需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。

本說明書中的各個實施例均采用相關的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發(fā)明的保護范圍內。