星载对地数传相控阵天线的研究与实现

摘要

相较机械动中通天线，相控阵动中通天线具有波束跟踪快，增益高，波束覆盖广的优点，特别是其波束跟踪时，不会产生机械动量从而影响卫星姿态，因此更加适应低轨道小卫星通信环境。而为了实现对地下行数据传输的高速率、宽角域覆盖，除了需要有一定发射EIRP值，还要求星载相控阵天线具备一定增益下的宽角域覆盖。因此对具备宽角域扫描的星载有源相控阵研究十分必要。 本文针对小卫星对地数传通信系统的要求，结合国内外发展现状，设计实现了一种新型宽波束圆极化单元天线，并利用其实现了数传相控阵阵面。测试结果表明:实现了小卫星下行波束的宽角域增益覆盖。 文章根据相控阵低仰角覆盖指标对单元天线性能的要求，设计了一种工作于X频段的具有宽3dB轴比范围和3dB波束宽度的圆极化天线。天线应用三维地反射面和小螺距螺旋天线复用的方式增强了天线的宽波束性能，仿真和测试表明，天线3dB波束宽度达到128°，3dB轴比范围覆盖θ=±50°，剖面高度为11mm(0.3λ)，实现了宽圆极化波束性能，为阵列实现宽角域扫描提供了先决条件。 为进一步优化天线的圆极化波束宽度和对称性，通过外围设计环形反射面结构实现了一种“马鞍形”波束圆极化天线，天线的仿真进行分析与测试，实现了低仰角θ=±65°和±60°时，水平全方向增益分别大于3.3dBi和4dBi，3dB轴比范围达到θ=±85°。天线具有很好的宽圆极化覆盖范围，实现了单天线波束对地面的“等通量”覆盖。 本文最终依托实际项目，利用该宽波束圆极化单元，设计了工作于X频段的具有宽角域扫描性能的数传相控阵天线。根据EIRP值要求，以实现宽角域的波束扫描和低仰角扫描增益最优为目标，对阵列的整体布局和单元数量进行了优化，根据仿真数据得到:天线具备方位面(ψ)=0°～360°，俯仰面θ=0°～±65°的扫描范围，低仰角扫描增益大于10dBi，扫描轴比小于5.3dB。最后对天线进行了加工、测试，验证了方案的可行性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景和意义

1．2低轨道卫星数传天线的发展动态

1．2．1星载固定波束天线

1．2．2星载机械扫描式点波束天线

1．2．3星载相控阵天线

1．3本论文的主要工作

第2章螺旋天线及相控阵相关理论

2．1螺旋天线理论概述

2．1．1螺旋天线基本结构

2．1．2螺旋天线的阻抗

2．1．3螺旋天线特性分析

2．2相控阵理论概述

2．2．1阵列天线基本概念

2．2．2线性阵列天线基本原理

2．2．3平面圆阵列天线基本原理

2．2．4阵列天线的电扫描

2．2．5阵列天线的互耦效应

2．3本章小结

第3章星载数传相控阵天线研制方案

3．1星载数传相控阵天线设计指标分析

3．1．1小卫星通信链路分析

3．1．2天线增益与射频输出功率分配

3．1．3天线设计指标汇总

3．2天线的实现方案

3．2．1天线阵元性能分析

3．2．2天线阵列布局分析

3．2．3波束扫描损耗分析

3．3本章小结

第4章宽波束圆极化天线单元设计

4．1天线单元设计

4．1．1设计指标分析

4．1．2宽波束的实现

4．1．3天线结构设计

4．1．4天线地板的影响

4．2天线单元参数仿真与分析

4．3天线单元测试结果

4．4天线单元的宽波束应用

4．4．1“马鞍形”波束圆极化天线的实现

4．4．2天线的结构设计

4．4．3天线仿真分析

4．4．4天线测试结果

4．5本章小结

第5章数传天线阵列设计

5．1阵列设计

5．1．1阵列单元数

5．1．2阵列布局

5．2阵列仿真与分析

5．2．1互耦分析

5．2．2方向图分析

5．2．3阵列扫描分析

5．2．4轴比分析

5．2．5阵列测试

5．3本章小结

第6章总结与展望

致谢

参考文献

附录