專利名稱：C波段衛(wèi)星地面接收站微帶天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通訊衛(wèi)星地面接收站接收天線的技術(shù)改進(jìn)。
隨著衛(wèi)星事業(yè)的發(fā)展，利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)廣播電視節(jié)目，并且進(jìn)行通訊、導(dǎo)航、定時(shí)等業(yè)務(wù)，將會逐步進(jìn)入機(jī)關(guān)、單位，甚至家庭。傳統(tǒng)的接收天線是拋物面型天線。由于它體積龐大，造價(jià)昂貴，安裝和使用受到一定條件的限制，尤其是對一些流動性的用戶則更為突出。
微帶天線是七十年代中期發(fā)展起來的一門新學(xué)科高技術(shù)。可供對比的用來接收C波段衛(wèi)星廣播電視節(jié)目的平面型陣列天線尚未發(fā)現(xiàn)，國外目前主要發(fā)展了Ku、L和S波段的微帶天線。
本發(fā)明的目的是研制一種體積小、重量輕、造價(jià)低、便于運(yùn)輸、安裝使用的C波段衛(wèi)星電視接收站(STVRO)微帶天線。
本發(fā)明的技術(shù)方案為天線陣列包含1024個(gè)矩形微帶輻射元，由16個(gè)8×8元子陣組成，為拆運(yùn)方便，又將天線陣列分成4個(gè)各自獨(dú)立的16×16元大子陣列。采用微帶線與同軸線并用，邊饋與底饋結(jié)合的并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)，其中8×8元子陣列利用微帶線并聯(lián)饋電;各8×8子陣間用同軸電纜并聯(lián)饋電，以便展寬頻帶，減少饋電損耗。另外，8×8元子陣列采用微帶線并聯(lián)邊饋，與同軸微帶轉(zhuǎn)換插座和總饋線中點(diǎn)相接，底饋輸出，微帶線同輻射元一起加工成型。16×16元大子陣列用四根等長同軸電纜和三個(gè)同軸二功分器，對四個(gè)8×8元子陣列并聯(lián)饋電;四個(gè)各自獨(dú)立的16×16大元子陣列，同樣用四根等長同軸電纜和三個(gè)同軸二功分器并聯(lián)饋電。等長同軸電纜的加工精度≤0.5毫米，以保證由此產(chǎn)生的各單元子陣列之間相位誤差在所允許的范圍之內(nèi)。
參數(shù)計(jì)算是將傳輸線法和空腔模型法結(jié)合，在充分考慮導(dǎo)帶厚度效應(yīng)、伸長效應(yīng)和色散效應(yīng)后，按照所設(shè)計(jì)的計(jì)算程序和提出的解析式對輻射元及陣列的阻抗、方向圖等電氣性能及其幾何尺寸等參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的。包括諧振頻率，輻射元寬度、輸入導(dǎo)納、確定了輻射元加工尺寸及原始輸入的參數(shù)中心頻率，基板厚度、介電常數(shù)、損耗正切角，導(dǎo)帶厚度等。
微帶天線基板材料的選取，直接關(guān)系到天線性能和價(jià)格的降低，考慮到本發(fā)明的微帶天線只收不發(fā)，對旁瓣電平要求不嚴(yán)，在選用基板較厚，相對介電常數(shù)較低的材料時(shí)，帶寬、效率和交叉極化的電平性能就比較好，對制造公差要求也較低。為此，我們選用的是聚四氟乙烯玻璃布雙面敷銅板。要求介電常數(shù)的公差不能超過0.028，厚度的公差不能超過0.01毫米，熱膨脹系數(shù)不能超過5×10-5/℃。其基本參數(shù)介電常數(shù)＝2.8，損耗正切角為1×10-4～1×10-3，敷銅板厚度一般為0.035毫米，基板厚度為2毫米。
為了保護(hù)天線陣面和改善天線增益、效率和帶寬等電氣性能，設(shè)置了覆加介質(zhì)蓋板的技術(shù)措施，選用環(huán)氧酚醛玻璃布層壓板為材料。在滿足增益等技術(shù)指標(biāo)的前提下，縮小天線陣列口徑面積，降低制造成本，介質(zhì)蓋板的厚度在≤1/4λg(λg為介質(zhì)中的波長)的范圍內(nèi)選取，距天線陣面的矩離約為1/2λ。我們選取的蓋板厚度為3毫米，它距天線陣面間的距離為40.5毫米。結(jié)果使頻帶增益提高的幅度達(dá)0.5～2.0dB，關(guān)于使用空氣介質(zhì)材料，由于介電常數(shù)和損耗低的特點(diǎn)，在試制技術(shù)過關(guān)的情況下，其應(yīng)用可會使效果更為理想。
本發(fā)明的微帶天線陣列的制作工藝，采用計(jì)算機(jī)控制刻漆膜的方法，直接獲得1∶1正相原圖，并且把這種原圖不經(jīng)翻板當(dāng)作原版底片使用，保證了設(shè)計(jì)公差+0.003毫米～+0.013毫米的滿意效果。然后選用價(jià)格低的錫鉛合金做為電鍍抗蝕金屬，再用氧化銅蝕刻劑進(jìn)行蝕刻，獲得公差在0.05～0.01毫米范圍的加工精度。
由于本發(fā)明的天線，平面型是其基本特點(diǎn)之一，為保證各子陣列主波束指向同一方向，避免偏斜而引起增益下降，對安裝平面的不平度其精度要求在0.5毫米范圍之內(nèi)。(對1.8米×1.8米口徑面積來說)。為了避免極化及指向增益損失，地面天線必須增加極化角跟蹤裝置，同方位、俯仰角一起組成角度跟蹤系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上用等變形原理，使陣列平面的不平度限制在要求范圍之內(nèi)。為此配套設(shè)計(jì)了一種手控極化、方位、俯仰角度跟蹤裝置，如附圖3所示。
本發(fā)明的特點(diǎn)及效果是顯著的。與拋物面型天線相比，C波段衛(wèi)星地面接收站微帶天線，除了平面結(jié)構(gòu)，體積小、重量輕、可以折疊拆裝運(yùn)輸方便，調(diào)試安裝方便，又不受場地限制而外，還可同有源器件兼容，用它組成便攜式衛(wèi)星地面接收站(STVRO)，非常適用于鐵路、油田、地質(zhì)、礦山、森林、牧區(qū)、島嶼及部隊(duì)等流動性大的單位和邊陲地區(qū)接受衛(wèi)星電視節(jié)目。隨著通訊衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，C波段衛(wèi)星地面接受站微帶天線還有著更加廣泛的用途和發(fā)展前景，如通信、導(dǎo)航、定時(shí)等項(xiàng)業(yè)務(wù)，特別是逐步深入到家庭中去。
下面就結(jié)合附圖作一簡要說明。
附

圖1是所設(shè)計(jì)的天線矩形輻射元結(jié)構(gòu)及輻射機(jī)理示意圖。它是由貼在具有金屬接地板的介質(zhì)基板上的矩形金屬片及其一體的微帶線所構(gòu)成。圖中1為矩形輻射元，2為微帶線，3為介質(zhì)基板，4為接地板，5為輻射縫隙，b圖和c圖為輻射元的側(cè)視圖和頂視圖。為矩形輻射元的長度L≌λg/2。按照傳輸線模型，我們可以將輻射元看成L-λg/2的一段傳輸線，輻射主要從開路端的兩條平行縫隙產(chǎn)生。而空腔模型則把矩形元與接地板之間的空間，處理上下為電壁，四周為磁壁的漏波諧振空腔。輻射是由四周的等效磁流產(chǎn)生。△λ表示伸長效應(yīng)。
附圖2是8×8元子陣結(jié)構(gòu)示意圖。F為總饋電點(diǎn)，64個(gè)輻射元之間用微帶線并聯(lián)饋電，等輻同相激勵(lì)，子陣口徑面積為45×45平方厘米。
附圖3是微帶面陣與介質(zhì)蓋板組合天線結(jié)構(gòu)示意圖。6為介質(zhì)蓋板，其厚度及與陣面距離分別為厚度t＝λg/4，間距d＝λ/2。
附圖4為手控極化、方位、俯仰三維角度跟蹤裝置示意圖。在俯仰運(yùn)動中采用絲杠鏍母機(jī)構(gòu)，控制鏍桿(9)的移動由鏍母(10)和鏍母架(11)調(diào)節(jié)。方位轉(zhuǎn)動盤(6)和極化轉(zhuǎn)動盤(7)都具有轉(zhuǎn)動和定中心的作用，兩個(gè)盤上都有緊鎖機(jī)構(gòu)可固定其相對位置。
按本發(fā)明制作的樣機(jī)，經(jīng)測試，其技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)如下中心頻率4.00GHz天線帶寬≥350MHz天線增益34.4～35.5dB天線效率45.7%旁瓣電平E面(-10.88～-21.31)dB
H面(-10.37～-13.01)dB極化方式線極化跟蹤方式手控口徑面積1.8×1.8平方米收視圖象質(zhì)量達(dá)三級
權(quán)利要求
1.一種C波段衛(wèi)星地面接收站天線，本發(fā)明的特征在于它是由矩形微帶輻射元、饋電網(wǎng)絡(luò)、介質(zhì)蓋板和角度跟蹤系統(tǒng)組成的具有平面形狀的微帶天線，其中a.矩形輻射元是由貼在具有金屬接地板的介質(zhì)基板上的矩形金屬片及其一體的微帶線所構(gòu)成；b.饋電網(wǎng)絡(luò)采用微帶線與同軸線并用，邊饋與底饋結(jié)合的并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)，即子陣內(nèi)用微帶線并聯(lián)饋電，各子陣間用同軸電纜并聯(lián)饋電，子陣采用微帶線并聯(lián)邊饋，與同軸微帶轉(zhuǎn)換插座和總饋線中點(diǎn)相接，底饋輸出，c.介質(zhì)蓋板的厚度為1/4λg，其距天線陣面間的距離為1/2λ；d.角度跟蹤系統(tǒng)為手控極化、方位和俯仰三維角度跟蹤裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其特征在于介質(zhì)蓋板材料為環(huán)氧酚醛玻璃布層壓板，厚度為3毫米，距天線陣面距離為40.5毫米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其特征在于微帶天線陣列是由16個(gè)8×8元子陣組成，又可將天線陣列分成4個(gè)各自獨(dú)立的16×16元大子陣。
全文摘要
C波段衛(wèi)星地面接收站微帶天線，采取了微帶線與同軸線并用、邊饋與底饋相結(jié)合的并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)和介質(zhì)覆蓋等技術(shù)措施，使得天線在展寬頻帶、提高效率、降低成本等方面有所突破，該天線的特點(diǎn)是平面結(jié)構(gòu)，體積小，重量輕，可以折疊拆裝、搬運(yùn)方便、調(diào)試簡單，安裝場地不限，還可同有源器件兼容，成為有源陣列，用它可組成便攜式衛(wèi)星地面接收站天線，尤其適用于流動性的單位。
文檔編號H01Q21/00GK1052751SQ90110299
公開日1991年7月3日 申請日期1990年12月29日 優(yōu)先權(quán)日1990年12月29日
發(fā)明者楊培仲, 鐘順時(shí), 李萬清, 劉忠義, 馬根定, 黨發(fā)寬, 張學(xué)軍, 李會如, 施吉連 申請人:中國科學(xué)院陜西天文臺