一種具有寬波束均勻增益的衛(wèi)星數(shù)傳天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種具有寬波束均勻增益的衛(wèi)星數(shù)傳天線，該衛(wèi)星數(shù)傳天線采用雙螺旋天線結(jié)構(gòu)，并通過設(shè)有的同軸線(1)進行饋電；其特征在于，所述同軸線(1)的底端穿設(shè)一圓錐形反射杯(3)，該圓錐形反射杯(3)的底部設(shè)有凹孔(4)。本發(fā)明的衛(wèi)星數(shù)傳天線通過設(shè)有圓錐形反射杯，減小了衛(wèi)星艙板反射對天線的影響；對于小型近地探測器，通過設(shè)計螺旋天線參數(shù)，能夠使天線在要求的波束范圍內(nèi)具有均勻的增益分布，同時在波束范圍外的增益能夠快速下降；實現(xiàn)了小型化天線具有寬波束均勻增益的特點。
【專利說明】一種具有寬波束均勻增益的衛(wèi)星數(shù)傳天線

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航天工程【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種具有寬波束均勻增益的衛(wèi)星數(shù)傳天線。

【背景技術(shù)】
[0002]通常近地探測器為了實現(xiàn)與地面站進行數(shù)傳通信，其天線安裝在對地定向面，衛(wèi)星需要消耗能量保持天線始終對向地球，而且天線波束是馬鞍形的賦形波束，波束增益在中心是凹陷的。特別是對于小型的衛(wèi)星，由于其能源有限，且在對地傳輸數(shù)據(jù)的同時，要求保持其姿態(tài)不變的進行探測活動(比如觀測恒星、測量磁場等)，此時，部分衛(wèi)星的姿態(tài)一般就是保持慣性定向，天線指向在空間保持不變，所以以前的中心凹陷的賦形波束天線不能使用，要求設(shè)計一種寬波束均勻增益的小型化數(shù)傳天線來滿足需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于，為解決現(xiàn)有的數(shù)傳天線無法實現(xiàn)寬波束均勻增益的波束要求，本發(fā)明提供一種具有寬波束均勻增益的衛(wèi)星數(shù)傳天線。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的衛(wèi)星數(shù)傳天線采用雙螺旋天線結(jié)構(gòu)，并通過設(shè)有的同軸線進行饋電；所述同軸線的底端穿設(shè)一圓錐形反射杯，該圓錐形反射杯的底部設(shè)有凹孔，通過改變凹孔的直徑及深度，使衛(wèi)星數(shù)傳天線的軸向直射電磁波和反射電磁波疊加為最大增益點。
[0005]作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述同軸線內(nèi)導(dǎo)體的頂端焊接于其外導(dǎo)體的內(nèi)壁上，該外導(dǎo)體的頂端開設(shè)有兩個對稱的凹槽作為衛(wèi)星數(shù)傳天線的巴倫結(jié)構(gòu)，所述衛(wèi)星數(shù)傳天線中設(shè)有的兩條螺旋線對稱的焊接于外導(dǎo)體的頂端，以形成對兩條螺旋線兩臂的等幅、反相饋電。
[0006]作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述同軸線頂端開設(shè)的凹槽深度為中心波長的一半。
[0007]作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述圓錐形反射杯的直徑為波束中心波長的二至四倍，其杯面與水平面間的傾角為10° -20°。
[0008]本發(fā)明的一種具有寬波束均勻增益的衛(wèi)星數(shù)傳天線優(yōu)點在于:
[0009]本發(fā)明的衛(wèi)星數(shù)傳天線通過設(shè)有圓錐形反射杯，減小了衛(wèi)星艙板反射對天線的影響；對于小型近地探測器，通過設(shè)計螺旋天線參數(shù)，能夠使天線在要求的波束范圍(±70° )內(nèi)具有均勻的增益分布(增益SOdBi)，同時在波束范圍外的增益能夠快速下降；實現(xiàn)了小型化天線本體總重量在不超過120g時，仍具有寬波束均勻增益的特點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明實施例中的一種具有寬波束均勻增益的衛(wèi)星數(shù)傳天線結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖2為本發(fā)明實施例中的圓錐形反射杯的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖3為未設(shè)有圓錐形反射杯的寬波束數(shù)傳天線方向圖。
[0013]圖4為設(shè)有圓錐形反射杯的寬波束數(shù)傳天線方向圖。
[0014]附圖標(biāo)記
[0015]1、同軸線2、螺旋線3、圓錐形反射杯
[0016]4、凹孔

【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明所述的一種具有寬波束均勻增益的衛(wèi)星數(shù)傳天線進行詳細(xì)說明。
[0018]本發(fā)明中的具有寬波束均勻增益的衛(wèi)星數(shù)傳天線本體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該衛(wèi)星數(shù)傳天線采用雙螺旋天線結(jié)構(gòu)，并通過設(shè)有的同軸線I進行饋電，饋電在天線頂端。
[0019]在本實施例中，所述同軸線內(nèi)導(dǎo)體的頂端焊接于其外導(dǎo)體的內(nèi)壁上，該外導(dǎo)體的頂端可開設(shè)有兩個對稱的凹槽作為衛(wèi)星數(shù)傳天線的巴倫結(jié)構(gòu)，所述衛(wèi)星數(shù)傳天線中設(shè)有的兩條螺旋線對稱的焊接于外導(dǎo)體的頂端，用于形成對兩條螺旋線兩臂的等幅、反相饋電。
[0020]基于上述的衛(wèi)星數(shù)傳天線的結(jié)構(gòu)，該衛(wèi)星數(shù)傳天線與通常的螺旋天線工作原理不一樣，現(xiàn)有的螺旋天線是采用法向模或軸向模輻射，而本發(fā)明的衛(wèi)星數(shù)傳天線是利用螺旋線與復(fù)傳播常數(shù)相關(guān)的漏波輻射特性工作的，當(dāng)工作頻率改變時，其輻射主瓣可從背射向側(cè)射方向變化。
[0021]螺旋的復(fù)傳播常數(shù)β可寫成β = I — ，將上式帶入傳播因子有e_j@Z =e_eizenz，其中，β r為復(fù)傳播常數(shù)實部、β i復(fù)傳播常數(shù)虛部、Z為坐標(biāo)Z軸；當(dāng)波束被很強激勵時，它最大輻射方向偏離背射，其最大指向角近似有下式:
[0022]Θ m ^ cos-1 ( β j/k)
[0023]在上式中，k = 2 /λ為自由空間波數(shù)，λ為波長，如果適當(dāng)控制復(fù)傳播常數(shù)實部βρ即可逼近預(yù)定的波束最大指向，同時控制其虛部可達到預(yù)定的波瓣形狀及增益要求。而為得到寬波束就需要增大最大指向偏角，但是當(dāng)最大指向角偏離太大時，如圖3所示的波束零度角(軸向)附近區(qū)域增益會發(fā)生凹陷，導(dǎo)致波束增益不均勻。
[0024]為了解決上述問題，如圖1所示，本發(fā)明所述同軸線I的底端穿設(shè)一圓錐形反射杯3，如圖2所示，該圓錐形反射杯的底部設(shè)有凹孔4。通過改變凹孔4的直徑及深度，使衛(wèi)星數(shù)傳天線的軸向直射電磁波和反射電磁波疊加為最大增益點，而通過改變圓錐形反射杯的直徑和傾角，又能夠改變其它方向的電磁波分布狀況。由于螺旋線直接輻射的電磁波和反射杯3反射的電磁波在空間疊加，參數(shù)合適時能夠使天線增益保持均勻，因此，利用該圓錐形反射杯不但能夠使波束零度角附近區(qū)域增益不再凹陷，而且能夠增加天線的前后比。如圖4所示，利用上述設(shè)有圓錐形反射杯的天線進行測量結(jié)果與圖3進行對比可知，不但中間角域(0-20° )的波束增益提高，從Θ = 0°增益7.6Bi變到Θ =20°增益3.6dBi，而且增益的前后比值也提高了，其增益前后比值為-16.2dBc,比未設(shè)有圓錐形反射杯的天線增M提聞了 6.6dB。
[0025]基于上述衛(wèi)星數(shù)傳天線的結(jié)構(gòu)，進行天線設(shè)計的操作步驟為:首先，根據(jù)要求的寬波束大小，把天線的最大輻射方向偏離背射角在波束最大角附近，比如當(dāng)波束寬度要求在140度時,那么最大福射方向偏離背射角選65?75度之間。經(jīng)過仿真優(yōu)化后,天線方向圖呈現(xiàn)一個邊緣增益高，中間增益凹陷的狀態(tài)。上述天線的最大輻射方向的調(diào)節(jié)操作，是為了滿足天線波束范圍的要求，以通過仿真獲得增益凹陷的區(qū)域大小和天線相位中心的位置，為下一步添加圓錐形反射杯提供信息。
[0026]其次，設(shè)計中心帶凹孔的圓錐形反射杯，根據(jù)前面所得到的增益凹陷的區(qū)域大小和天線相位中心的位置信息，通過天線相位中心的參數(shù)來調(diào)整設(shè)計凹孔的深度，使得天線相位中心到凹孔底面距離為天線中心波長的n/2倍(η為正整數(shù))，初始設(shè)置時，假定相位中心在天線頂端，凹孔的直徑可設(shè)計成約為中心波長的1/2，圓錐形反射杯的直徑和傾角根據(jù)增益凹陷的區(qū)域大小來設(shè)計，圓錐形反射杯的直徑一般取2?4倍中心波長，其杯面與水平面間的傾角取10?20度。
[0027]然后，經(jīng)過仿真分析，根據(jù)仿真的方向圖對前步參數(shù)進行優(yōu)化，得到最后的天線電性能設(shè)計參數(shù)。
[0028]最后，考慮力學(xué)特性，設(shè)計天線的機械加工模型，模型導(dǎo)入力學(xué)分析軟件進行力學(xué)性能分析，如果不滿足要求，修改機械結(jié)構(gòu)，一直到滿足性能要求為止。生成加工圖紙進行加工，此時螺旋線和饋電管可采用鈹青銅制成，并可通過高溫銀釬焊進行焊接，所述的圓錐形反射杯可采用鋁合金制成。
[0029]最后所應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種具有寬波束均勻增益的衛(wèi)星數(shù)傳天線，該衛(wèi)星數(shù)傳天線采用雙螺旋天線結(jié)構(gòu)，并通過設(shè)有的同軸線(I)進行饋電；其特征在于，所述同軸線(I)的底端穿設(shè)一圓錐形反射杯(3)，該圓錐形反射杯(3)的底部設(shè)有凹孔(4)，通過改變凹孔(4)的直徑及深度，使衛(wèi)星數(shù)傳天線的軸向直射電磁波和反射電磁波疊加為最大增益點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有寬波束均勻增益的衛(wèi)星數(shù)傳天線，其特征在于，所述同軸線(I)內(nèi)導(dǎo)體的頂端焊接于其外導(dǎo)體的內(nèi)壁上，該外導(dǎo)體的頂端開設(shè)有兩個對稱的凹槽作為衛(wèi)星數(shù)傳天線的巴倫結(jié)構(gòu)，所述衛(wèi)星數(shù)傳天線中設(shè)有的兩條螺旋線(2)對稱的焊接于外導(dǎo)體的頂端，以形成對兩條螺旋線(2)兩臂的等幅、反相饋電。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有寬波束均勻增益的衛(wèi)星數(shù)傳天線，其特征在于，所述同軸線(I)頂端開設(shè)的凹槽深度為中心波長的一半。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有寬波束均勻增益的衛(wèi)星數(shù)傳天線，其特征在于，所述圓錐形反射杯(3)的直徑為波束中心波長的二至四倍，其杯面與水平面間的傾角為10。-20。。
【文檔編號】H01Q19/15GK104269610SQ201410498129
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月25日
【發(fā)明者】程鑫, 熊蔚明, 葉云裳 申請人:中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心