一种双频段全空域卫星通信相控阵天线
阅读说明：本技术 一种双频段全空域卫星通信相控阵天线 (Dual-band full-airspace satellite communication phased array antenna ) 是由 张宙 张硕 韩国栋 杜要锋 肖松 冯昊程 张建超 卢炜 历园园 白杨 赵楠 马 于 2021-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双频段全空域卫星通信相控阵天线,属于天线技术领域。该相控阵包括Ku频段一维有源相控阵天线和S频段二维有源相控阵天线、底座,底座下表面设有旋转机构；Ku频段一维有源相控阵天线和S频段二维有源相控阵天线均位于底座上表面；S频段二维有源相控阵天线的天线阵面的高度大于Ku频段一维有源相控阵天线的天线阵面的高度,且Ku频段一维有源相控阵天线的天线阵面与水平面的夹角为40°,S频段二维有源相控阵天线的天线阵面与水平面平行,且S频段二维有源相控阵天线的天线阵面位于Ku频段一维有源相控阵天线的背部。本发明技术上容易实现,性能优良,具有很高的工程应用价值。(The invention discloses a dual-band full-airspace satellite communication phased-array antenna, and belongs to the technical field of antennas. The phased array comprises a Ku frequency band one-dimensional active phased array antenna, an S frequency band two-dimensional active phased array antenna and a base, wherein a rotating mechanism is arranged on the lower surface of the base; the Ku frequency band one-dimensional active phased array antenna and the S frequency band two-dimensional active phased array antenna are both positioned on the upper surface of the base; the height of the antenna array surface of the S-band two-dimensional active phased array antenna is larger than that of the Ku-band one-dimensional active phased array antenna, the included angle between the antenna array surface of the Ku-band one-dimensional active phased array antenna and the horizontal plane is 40 degrees, the antenna array surface of the S-band two-dimensional active phased array antenna is parallel to the horizontal plane, and the antenna array surface of the S-band two-dimensional active phased array antenna is positioned on the back of the Ku-band one-dimensional active phased array antenna. The invention is easy to realize technically, has excellent performance and high engineering application value.)
技术领域
本发明涉及到天线技术领域，特别涉及一种双频段全空域卫星通信相控阵天线。
背景技术
相控阵天线广泛应用于侦察、干扰、探测、通信等多个应用方向，在通信应用中，卫星通信具有覆盖范围广、传输距离远、通信容量大、传输质量好、组网灵活迅速和保密性高等众多优点，已成为当今极具竞争力的通信手段。
卫星通信相控阵天线需要突破宽带宽角扫描天线、天线－射频集成化设计、高精度跟踪、相控阵天线快速幅相校准等关键技术。尤其是针对多星通信的大空域扫描相控阵天线的研发显得尤为迫切。就目前的技术来看，一般采用宽带阵列或者多频混排阵列的方式实现以上能力，但是这两种技术存在设计困难和布阵面积较大的缺点。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种双频段全空域卫星通信相控阵天线。该相控阵天线了改正了上述背景中所提到的缺点，技术上容易实现，性能优良，具有很高的工程应用价值。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种双频段全空域卫星通信相控阵天线，包括Ku频段一维有源相控阵天线和S频段二维有源相控阵天线，包括底座，底座下表面设有旋转机构；所述Ku频段一维有源相控阵天线和S频段二维有源相控阵天线均位于底座上表面；Ku频段一维有源相控阵天线的天线阵面与水平面的夹角为40°，S频段二维有源相控阵天线的天线阵面与水平面平行；S频段二维有源相控阵天线的天线阵面的高度不低于Ku频段一维有源相控阵天线阵面最高处，且S频段二维有源相控阵天线位于Ku频段一维有源相控阵天线的后面，并通过结构件与Ku频段一维有源相控阵天线连接。
进一步的，所述Ku频段一维有源相控阵天线和S频段二维有源相控阵天线均采用收发共用体制，与同步卫星通信。
进一步的，所述Ku频段一维有源相控阵天线的俯仰面波束实现大角度电子扫描，方位面波束采用机械0°～360°任意角度扫描。
进一步的，所述Ku频段一维有源相控阵天线和S频段二维有源相控阵天线采用一体化跟踪策略，两者的波束可分别实时指向对应频段卫星并进行通信。
进一步的，所述Ku频段一维有源相控阵天线和S频段二维有源相控阵天线的射频前端均设有具有陷波结构的腔体双工器，且两者的收/发通道内还均设有小型化滤波器。
本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明采用Ku频段一维有源相控阵天线和S频段二维有源相控阵天线体制，巧妙利用两者的结构特点，实现在限定空间内放置两个频段天线的目的，两者能够互不干扰地同时工作。本发明与共阵面双频相控阵天线或者宽带相控阵天线相比，解决了双频相控阵天线阵面尺寸大和宽带相控阵天线设计实现复杂的难题，技术上容易实现，具有空间复用的特点，节省飞机安装空间，性能优良，具有很高的工程应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例的正面结构示意图。
图2是本发明实施例的背面结构示意图。
图3是图1中定标与监控工作原理图。
图4是图1中定标与监控工作流程图。
图中：1、Ku天线，2、S天线，3、天线座架，4、变频器，5、滑环，6、电源模块，7、天线控制单元，8、定标与监控分机，9、分布式波束控制单元。
具体实施方式
下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
本实施例主要由Ku频段一维有源相控阵天线和S频段二维有源相控阵天线构成，两者互不遮挡，可独立完成对星搜索；同时两者射频前端均采用具有陷波结构的腔体双工器，结合通道内设置的小型化滤波器，能够有效消除两者收/发通道之间的相互干扰，保证天线Ku/S双频同时工作，完成与同步卫星高速通信的目的。
参照图1至图4，结构上，Ku天线1与S天线2共平台设计，均位于天线座架上；其中S频段天线布置于Ku频段天线阵面后面，其阵面安装高度不低于Ku频段天线阵面上沿，并通过紧固件固定于Ku频段天线结构框架上。S天线为二维电扫体制，实现±60°圆锥扫描；Ku天线为一维电扫体制，俯仰面10°～90°电扫，方位面0°～360°无限位机械扫描。S天线与Ku天线互不遮挡，实现空间复用，节省飞机安装空间。
Ku天线的天线控制单元7由射频通道分系统、跟踪分系统、定标与监控分系统、结构座架分系统构成。射频通道分系统包括双线极化阵列、有源射频组件、收发馈电网络，完成收发信号的放大、幅相加权、滤波、辐射与信号接收等功能。跟踪分系统包括天线控制单元、驱动单元、分布式波束控制单元9、方位电机，采用俯仰相扫、方位机扫的跟踪形式，结合单脉冲跟踪体制实现高精度稳定跟踪。定标与监控分系统包括收发定标网络、定标与监控分机8，实现对射频通道的内校准与实时监控功能。结构座架分系统包括方位轴承、滑环5、旋转关节和支撑结构等设备，Ku天线和S天线通过电源模块6供电，对Ku天线和S天线起支撑作用，并实现方位面360°转动。
Ku接收工作原理：天线控制单元接收卫通收发处理终端的工作指令，然后接收机载惯导信息，解算波束指向角和卫星极化角度，将其分解为俯仰角度和方位角度，分别波束控制单元与驱动单元，波控控制单元解算各有源射频通道的波控码和极化合成码，发送到移相器和衰减器，实现各通道幅相预置，俯仰波束指向预定位置，调整天线极化与卫星极化相匹配。同时驱动单元驱动方位电机，使方位波束指向预定位置，至此完成波束初步指向卫星。天线阵列接收到卫星信号后，传给后端有源射频通道，完成信号的放大、滤波、幅相加权，再经馈电网络组合合成接收信号，一路发送给卫通终端作相应处理，一路给到跟踪接收机经跟踪算法计算并传给天线控制单元对波束指向进行调整，实现对目标的自跟踪。
Ku发射工作原理：信号跟踪方面，发射波束与跟踪波束指向同一方向，天线控制单元计算出卫星的极化角度，波束控制单元控制发射有源射频通道，动作移相器，实现通道极化置相，使发射天线极化与卫星极化相匹配。射频信号方面，卫通收发处理终端发送给天线射频信号，经馈电网络组合分给各射频通道，经滤波、幅相加权、放大等操作，再经90°电桥到两个1分8功分器和双线极化阵列，形成卫星极化匹配信号发送出去。
Ku天线定标与监控原理：Ku天线控制单元接收卫通收发处理终端的定标命令，发送给波束控制单元，波束控制单元控制定标与监控分机，定标与监控分机打开频率源，根据预先设定的校准顺序依次对收/发通道发送信号，波束控制单元控制定标通道开关依次通断，信号经过耦合器耦合信号到定标与监控分机，经分机内部鉴幅鉴相得到各通道的初始幅相值，然后对阵面射频通道进行幅相补偿，定标完成。定标完成后，定标与监控分机将得到的各射频通道幅相值传给波束控制单元，与存储器中射频通道的出厂幅相信息进行分析对比，判断通道工作状态，做告警、射频通道断电等操作，然后将此监控信息回传给卫通收发处理终端。
S天线由圆极化收发共用天线阵列、T/R组件、收/发馈电网络、波控控制单元和外部框架组成，实现波束的实时指向与扫描，信号的放大、幅相加权、滤波和辐射。
S天线接收工作原理：在进行信号接收时，波控单元接收机载组合惯导信息和Ku天线的轴角编码器信息，获得本地位置信息、卫星位置信息、载体姿态信息以及天线本身的方位角度信息，解算出天线指向卫星的方位角、俯仰角，再经过坐标转换得到甲板角(θ，φ)，然后根据此角度计算出每个射频通道对应的波控码，控制T/R组件中的移相、衰减完成状态切换，产生与波束指向相对应的幅相分布，使波束指向卫星。S天线圆极化阵列接收到卫星信号，进入双工器进行收发信号频率分集，接收信号经放大、滤波、幅相加权等操作，进入合成网络进行信号合成，而后信号输送至卫通收发处理终端进行变频、采样、解调等操作。
S天线发射工作原理：发射信号时，波束指向角与接收信号相同，信号激励由卫通收发处理终端发出，经过馈电网络进行信号分配，进入每一路的射频组件，进行信号滤波、幅相调整、放大等，而后先经过收发双工器，再由天线圆极化阵列辐射出去。
本实施例采用双频段天线一体化跟踪策略，能够使S天线和Ku天线在运动过程中始终分别对准相应频段卫星并进行稳定通信。天线跟踪策略主要包括天线对星初始捕获和天线对星稳定跟踪过程。
天线对星初始捕获：天线控制单元接收卫通收发处理终端的工作指令，然后接收机载惯导信息，获得本地位置信息、S频段和Ku频段卫星位置信息、载体姿态信息。首先解算出Ku一维相控阵天线指向卫星的方位角、俯仰角和极化角，然后将俯仰角和极化角传递给Ku波束控制单元，Ku波束控制单元解算各有源射频通道的波控码和极化合成码，发送到有源通道内置的移相器和衰减器，实现各通道幅相预置，使俯仰波束指向预定位置，调整天线极化与卫星极化相匹配；同时天线控制单元给驱动单元发送指令，驱动方位电机转动天线，使方位波束指向预定位置，至此完成Ku天线对星初始捕获。与此同时，天线控制单元实时接收驱动单元反馈的天线方位角度信息，然后结合天线位置信息、卫星位置信息、载体姿态信息，解算出S天线指向卫星的方位角、俯仰角，将两个参数传递给S波束控制单元，S波束控制单元计算出每个射频通道对应的波控码，控制T/R组件中的移相、衰减完成状态切换，产生与波束指向相对应的幅相分布，使波束指向卫星，完成S天线对星初始捕获。
天线对星稳定跟踪过程：本发明Ku天线采用单脉冲跟踪方式，对阵面进行了分区设计，当天线对星初始捕获完成后，Ku天线阵面接收信号，经有源射频通道放大后，每一分区的子阵面首先进行信号合成，形成两个信号，再通过1个和差器，分别形成和信号、和差调制信号、差信号，差信号作为调试测试口预留，和信号与和差调制信号进入双通道下变频器4，变为两路中频信号，中频和信号给卫通终端进行对星通信业务，中频和差调制信号给一体化跟踪接收机，将接收机解调得到的误差信息反馈给天线控制单元，天线控制单元对天线波束指向进行实时修正。本发明S天线采用圆锥扫描跟踪方式，当天线对星初始捕获完成后，S天线阵面接收信号，经有源射频通道放大后，分为两路射频信号，一路信号给卫通终端进行对星通信业务，另一路信号经下变频后给一体化跟踪接收机，于此同时天线控制单元对波束在预置范围内按照圆锥规则进行微调，跟踪接收机根据圆锥扫描得到的波束指向误差信息反馈给天线控制单元，天线控制单元对天线波束指向进行实时修正。