一种全空间覆盖数传波束系统的制作方法

本实用新型涉及一种全空间覆盖数传波束系统，属于卫星数传技术领域。

背景技术：

对天观测空间科学探测卫星在轨具有多种姿态模式，且为对天惯性定向观测卫星，观测目标遍布整个天球，因此卫星在过境弧段无固定对地面。为了保证可数传时间以及链路质量，卫星需采用全空间数传波束覆盖。

对地遥感卫星即便有侧摆工作模式，也都是三轴对地稳定姿态，固定波束数传天线多采用地球匹配赋形波束天线实现，可移动波束天线多采用带指向机构的反射面天线。但对于对天观测空间科学探测卫星来说，采用地球匹配赋形波束天线，须中断卫星对天观测任务，将卫星转到三轴对地稳定姿态进行数传，不符合连续观测需求；采用机械可移波束抛物面天线，需配置两副带展开机构的天线，其对地指向运动时，展开和转动指向结构会对整星带来的扰动，影响观测精度和成像质量，还需额外增加姿轨控配套设备，消除平衡扰动，复杂度高，成本极大，可靠度较低。

另外，类似于测控系统二单元天线阵的的设计方案已在多颗卫星上成功应用，可实现近全空间覆盖，但数传仅为右旋圆极化，采用同旋组阵，会产生3dB 损耗，同时信号会产生同旋干涉，使得主覆盖区增益降低，且存在一个空间角约为30°的环状盲区，不满足空间观测卫星数传链路需求。

现有半球宽波束天线通过加载喷涂吸波材料的反射杯方式来吸收天线本体的后瓣能量，使其不投射到航天器结构表面，从而保证地球匹配赋形波束天线良好的幅频特性的设计，但此设计也直接限制了半球宽波束低仰角区域天线增益，从而无法满足全空间覆盖要求；或采用星体及部分设备外表面喷涂吸波漆，来降低反射能量，效果有限，且不满足整星热控要求。

目前现有宽波束天线一般均为0°指向增益最大，随着角度增加，增益逐渐下降，到天线波束低仰角区域(即80°～90°指向)时，增益不满足低仰角数传链路增益指标需求，即可见不可传。

技术实现要素：

本实用新型的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种全空间覆盖数传波束系统，数传天线不需要增加机械指向结构，也不需要加载吸波反射杯，同时满足全空间数传波束覆盖的能力需求。

本实用新型的技术方案是：

一种全空间覆盖数传波束系统，包括：n副宽波束数传天线和用于切换宽波束数传天线的微波开关；所述每副宽波束数传天线的波束张角大于100°，所述宽波束数传天线安装在卫星星体上；所述微波开关通过电缆分别连接所述 n副宽波束数传天线。

优选的，所述宽波束数传天线张角大于145°。

优选的，所述宽波束数传天线张角为180°，所述n的数值等于2，所述2 副宽波束数传天线的电轴平行且指向相反。

所述宽波束数传天线采用双臂背射螺旋天线；包括同轴馈管和螺旋线。

所述宽波束数传天线的螺旋线通过介质块与所述同轴馈管固定。

数传波束系统，还包括支架；用于将所述宽波束数传天线安装在卫星星体上；安装时，所述支架的长度、宽波束数传天线的电轴与卫星星体安装面的夹角，满足使波束宽天线电轴±100°张角范围内无卫星星体结构。

所述宽波束数传天线螺旋线的螺旋线直径D、螺距L、圈数n的取值范围具体为：D＝0.32λ～0.34λ，L＝0.48λ～0.50λ，n＝7～9，其中，λ为天线工作频率所对应的波长。

所述介质块的数量为2块，任一介质块的固定位置到所述同轴馈管距离最近的端部的距离范围为1/5H～2/5H，其中H为所述同轴馈管的长度，所述介质块的材料为玻璃钢。

数传波束系统，还包括用于热防护的天线罩，包覆在所述宽波束数传天线外。

本实用新型与现有技术相比的有益效果是：

1)本实用新型采用的双线螺旋固定半球宽角波束数传天线设计方案，单元天线180°张角范围内增益缓变(均值0dBi左右)，张角范围内增益不小于 -0.5dBi，天线后瓣增益呈锐截止特性，天线幅频特性稳定，数传射频性能良好；

2)本实用新型提出了180°张角固定半球波束数传天线设计方案，解决了不采用高成本机械可移波束天线的情况下同样可以在任意姿态下实现对地数传的全覆盖需求，节省95％的成本，并提高卫星整体可靠性。数传天线在整星惯性定向飞行并以任意姿态对地的工作模式下覆盖的要求，实现星地之间可见即可传

3)本实用新型采用的固定半球宽波束数传天线，通过微波开关构成本全空间覆盖数传波束系统，实现了卫星对天观测对地任意姿态下的数传波束覆盖。该全空间数传波束系统体积小、重量轻，结构简单可靠性高；

4)本实用新型所涉及的全空间覆盖数传波束系统，由于不涉及展开指向机构转动产生的卫星姿态扰动，对于后续对天观测高指向精度和稳定度需求的卫星实施对地数传来说，能够提供有益选择。

5)本实用新型所涉及的全空间覆盖数传波束系统，可以实现星地间可见可传的数传效果，对于任意姿态对天观测指向的卫星、偏航姿态需求的卫星以及姿态故障模式的卫星，无需中断观测或调整到三轴对地指向姿态，可实时提供数传需求。

附图说明

图1为本实用新型数传波束系统布局示意图；

图2为本实用新型宽波束数传天线结构示意图；

图3为本实用新型单天线实测增益方向图；

图4为单天线实测幅频特性；

图5为辐射模型星实测增益方向图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。

本实用新型提供了一种全空间覆盖数传波束系统，其基本思路是：

(1)采用一种固定半球张角大于100°宽波束天线设计，由于卫星任意姿态对地数传的需求，需要天线180°张角内增益缓变(即均值0dBi左右)，180°以外辐射增益呈现锐截止特性，同时具有良好的幅频特性，以实现半空间的数传覆盖。

(2)采用0°～180°对称天线布局方式，利用微波开关4切换，在轨期间根据实际情况通过开关选择对地条件好的天线作为当班天线进行数据传输，以实现卫星任意姿态下全空间的数传覆盖，避免采用二元合路组阵造成增益损失和同旋干涉的问题。

(3)选择合理的支架2设计，优化天线支架2的高度和倾斜角度使波束宽天线单元±100°张角无卫星星体8遮挡，解决卫星星体8对宽波束天线主瓣波束的影响。

根据以上考虑，本实用新型全空间覆盖数传波束系统如图1所示，包括由多副固定半球宽波束数传天线1和1台微波开关4；优选的，2副宽波束数传天线1通过支架2安装在卫星星体8上。支架2的长度、宽波束数传天线1的电轴与卫星星体8安装面的夹角，满足使波束宽天线电轴±100°张角范围内无卫星星体8结构。每个宽波束数传天线1的波束张角大于100°，优选的，大于 145°，本发明实施例的宽波束数传天线1张角为180°均提供半空间覆盖波束， 2副所述宽波束数传天线1安装在卫星星体8上，满足使所述宽波束数传天线1 的电轴平行且指向相反；采用微波开关4切换实现全空间覆盖。2副固定半球宽波束数传天线1和1台微波开关4通过高频电缆或波导连接。

2副数传天线单元均采用在电轴±90°范围增益方向图缓变且净增益大于 -0.5dBi的改进型圆极化双臂螺旋天线，且宽波束数传天线1的幅频特性起伏满足|A/f|＜5dB，其中，A为天线辐射增益的幅度，f为天线工作频带宽度。宽波束数传天线1180°张角范围内天线的辐射增益值不大于±2dBi；天线半张角 90°-100°范围天线的辐射增益值减少10dB。

为了实现上述指标的数传天线，本实用新型提供了一种利用结构改进的实现方式，其实现方式更为简单可靠，宽波束数传天线1采用双臂背射螺旋天线；包括同轴馈管5和螺旋线6。即每副数传天线采用8圈双臂螺旋线组成；螺旋线6与同轴馈管5采用介质块7支撑；通过天线±100°张角无卫星星体8遮挡设计天线支架2的高度和倾斜角度。

在使用上述全空间覆盖数传波束系统作为数传发射前端进行通信时，全空间覆盖数传波束系统中的两个天线连接微波开关4，通过指令切换当班天线数传，实现卫星全空间数传波束覆盖。

为减小卫星星体8及星上载荷对数传天线的影响，选择在卫星星体8棱边或棱角安装两个覆盖范围较大的宽角度半球波束天线，通过波导开关单元切换对地数传，保证实现对地全空间覆盖、无需中断观测以完成科学数据下传的任务。

本实用新型所提供的满足上述指标的一种数传天线实现方式，如图2所示，螺旋线6直径D、螺距L、圈数n的取值范围具体为：D＝0.32λ～0.34λ， L＝0.48λ～0.50λ，n＝7～9，其中λ为天线工作频率所对应的波长；螺旋线6与同轴馈管5采用介质块7支撑；如图1所示，通过天线±100°张角无卫星星体8 遮挡设计天线支架2的高度和倾斜角度。这种设计结构可以形成半球宽波束，改善幅频特性，满足数传覆盖要求，同时提高天数传链路质量。

在上述结构设计基础上通过仿真和试验进行参数优化，获得优选参数为：螺旋臂的螺旋直径为12mm、螺旋螺距为18mm，圈数为8圈，高度为144mm。采用这种设计可以得到最佳180°张角固定半球宽波束辐射增益方向图。宽波束数传天线1的螺旋线6通过2块介质块7与所述同轴馈管5固定，任一介质块的固定位置到同轴馈管5距离最近的端部的距离范围为1/5H～2/5H，其中H 为所述同轴馈管5的长度，介质块7的材料为玻璃钢。或者，使用一块介质块 7固定在同轴馈管5的中间位置。宽波束数传天线1外包覆有用于热防护的天线罩3。

下面对本实用新型系统的辐射性能进行测试，测试条件为：天线方向图测量及增益标定均依据部标航天天线测试方法QJ1729A-96执行。由发射端照明天线发射射频信号，待测天线安装在辐射模型星卫星星体8上，辐射模型星卫星星体8通过支架2牢固固定在三维转台上，由计算机控制转台，接收机同步工作进行方位面方向图数字采集，完成单元天线和辐射模型星增益方向图测试。增益方向图测试结果分别如图3和图5所示。如图3所示，虚线为指标线，细实线为测试曲线，指标线均位于测试曲线内部，单元天线实现了180°张角固定半球宽波束空间覆盖，净增益优于-0.5dBi(0°≤θ≤90°，含极化损耗)；图4为单元天线幅频特性实测值，虚线为指标线，其他细实线为测试曲线，可见单元天线幅频特性起伏满足|A/f|＜5dB，其中，A为天线辐射增益的幅度， f为天线工作频带宽度。如图5所示，虚线为指标线，细实线为测试曲线，装星状态下实现了180°张角固定半球宽波束空间覆盖，净增益优于-3dBi (0°≤θ≤90°，含极化损耗和星体影响)，幅频特性优于5dB。测试结果表明，通过微波开关4，选择过境当班数传天线工作，可以实现任意姿态下全空间数传波束覆盖的特性。

本实用新型应用于HXMT空间科学探测卫星，卫星在轨进行地面控制数传通道验证试验和卫星自主控制数传通道验证试验，以120MHz数传速率测试地面站接收正常，涵盖了卫星各种观测姿态，数传天线a、b均进行了传输，均能按照预期顺利完成数据下传工作，数传通道工作正常，地面接收正确没有数据丢失，实现卫星任意姿态下120Mbps数据传输速率和全天350Gb总传输数据量下传的需求，已获得科学观测数据。

本实用新型说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。