专利名称：一种混合相控阵卫星接收天线的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及微波卫星信号接收技术，特别是一种混合相控阵卫星接收天线。
背景技术：
在卫星信号接收中，目前常用的卫星接收天线主要是抛物面天线，如偏馈天线、卡塞格伦天线、格里高利天线等。随着用户需求的不断发展，已经出现了在移动当中接收卫星信号的需求，即动态卫星信号接收。通常情况下，移动当中的物体对卫星接收天线的体积和高度的要求较严格，一般需要高度低、体积小、与载体外形能够很好吻合的卫星接收天线。例如移动中的火车、汽车等交通工具的可利用空间就非常有限，因此通常无法放置高度和体积较大的卫星接收天线。然而，目前抛物面天线的体积和高度都比较大，对载体的外形都会造成一定程度的破坏，无法适应动态卫星信号接收中对天线高度和体积的严格要求。
相控阵天线目前广泛应用于军事当中，它是一种由许多辐射单元排成阵列形式的定向天线，并且各辐射单元之间的辐射能量和相位关系是可以控制的。典型的相控阵天线是利用电子计算机控制移相器，以通过改变天线孔径上的相位分布来实现波束在空间扫描。同抛物面天线等常用的卫星接收天线相比，相控阵天线的体积小、高度低，但是由于相控阵天线结构复杂，造价非常昂贵，并不能在动态卫星信号接收中获得广泛的应用。
实用新型内容有鉴于此，本实用新型的主要目的是提出一种混合相控阵卫星接收天线，以减少卫星接收天线的体积和高度。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的一种混合相控阵卫星接收天线，该卫星接收天线包括波导裂缝阵列天线单元阵面(101)，用于接收卫星信号，并向功分器(102)发送卫星信号；功分器(102)，用于将波导裂缝阵列天线单元阵面(101)发送过来的卫星信号进行均分，并将其中的一路均分信号向误差信号处理器(103)发送；误差信号处理器(103)，用于对功分器(102)发送来的均分信号进行载波检测，并将载波检测结果向位置传感器及控制单元(104)发送；位置传感器及控制单元(104)，用于检测卫星接收天线的位置信息，并根据卫星接收天线的位置信息和载波检测结果向执行机构(105)发送天线驱动命令；执行机构(105)，用于根据天线驱动命令控制波导裂缝阵列天线单元阵面(101)，以驱动波导裂缝阵列天线单元阵面(101)正确指向卫星并且极化匹配适当。
所述的波导裂缝阵列天线单元阵面(101)包括波导裂缝阵列(301)、M个LNA(302)、M个微调移相器(303)、M个微带移相电路(304)和N个相加网络(305)，LNA(302)与微调移相器(303)和微带移相电路(304)一一相对应，N为偶数，其中波导裂缝阵列(301)的每一行用于接收卫星信号，并将每一行接收的卫星信号发送到与该行对应的LNA(302)；LNA(302)用于将波导裂缝阵列(301)的与该LNA(302)相对应的行所传送过来的卫星信号进行放大，并将放大后的卫星信号输入到与该LNA(302)对应的微调移相器(303)；微调移相器(303)用于补偿卫星信号从波导裂缝阵列(301)传输到与该微调移相器(303)对应的LNA(302)的传输延迟，并将补偿后的卫星信号发送到与该微调移相器(303)相对应的微带移相电路(304)；微带移相电路(304)将卫星信号分为N路，并控制每路卫星信号的相位，使得每个微带移相电路(304)分出的第n路卫星信号与其它(M-1)个微带移相电路(304)中的每一个微带移相电路(304)所分出的第n路卫星信号同相，其中n＝(1，2......N)，M个微带移相电路(304)中的同相的第n路卫星信号都发送到同一个相加网络(305)；N个相加网络(305)用于对同相的卫星信号进行相加。
所述的波导裂缝阵列天线单元阵面(101)进一步包括电子开关(306)，用于选择输出所述N个相加网络的输出信号。
所述的位置传感器及控制单元(104)包括GPS模块(207)、角度传感器模块(208)和天线控制器(205)，其中GPS模块(207)，用于向天线控制器(205)提供所述卫星接收天线的经纬度；角度传感器模块(208)，用于向天线控制器(205)提供所述卫星接收天线的角度信息；天线控制器(205)，用于根据所述载波检测结果、所述卫星接收天线的角度信息、所述卫星接收天线的经纬度向执行机构(105)发送驱动命令。
所述的天线控制器(205)包括单片机或中央处理器CPU。
所述的角度传感器模块(208)包括自动航向仪或陀螺仪。
所述的位置传感器及控制单元(104)进一步包括触点开关(206)，用于当卫星接收天线的方位角、俯仰角或极化角超过范围时向天线控制器(205)发送触点开关电平信息；天线控制器(205)进一步用于根据触点开关电平信息向卫星接收天线发送解缠绕驱动命令。
所述的功分器(102)为二功分器或四功分器或六功分器或八功分器。
所述的执行机构(105)包括方位电机、俯仰电机和极化匹配电机，其中方位电机用于驱动波导裂缝阵列天线单元阵面(101)在水平面上转动，以完成扫描搜索捕获卫星信号；俯仰电机用于驱动波导裂缝阵列天线单元阵面(101)在俯仰面上转动，以覆盖俯仰角有限范围内的卫星信号；极化匹配电机用于驱动旋转波导裂缝阵列天线单元阵面(101)，以实现卫星接收天线的极化匹配。
所述的N为2或4或6或8或10。
从以上的技术方案可以看出，在本实用新型中利用了波导裂缝阵列天线单元阵面来接收卫星信号，并利用了执行机构来驱动波导裂缝阵列天线单元阵面的旋转。因为使用波导裂缝阵列天线单元阵面接收卫星信号，所以极大地降低了卫星接收天线的体积和高度，使得卫星接收天线可以和天线载体的外形保持一致。同时，在方位角范围内通过执行机构实现机械扫描跟踪，使得满足移动接收卫星信号的同时，减少了波导裂缝阵列天线单元所需要的电扫角度，进而减少了波导裂缝阵列天线单元所需要的辐射单元数目，所以同时又极大地降低了卫星接收天线的成本。因此，本实用新型将抛物面天线和相控阵天线的优点有机地结合起来。与抛物面天线相比，极大地减少了卫星接收天线的体积和高度；与相控阵天线相比，显著地降低了卫星接收天线的成本和复杂程度。
图1为本实用新型的混合相控阵卫星接收天线的结构图。
图2为本实用新型一实施例的混合相控阵卫星接收天线的结构图。
图3为本实用新型一实施例的波导裂缝阵列天线单元阵面的示意图。
图4为本实用新型一实施例的相扫固定多波束合成示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，
以下结合附图及具体实施例对本实用新型再作进一步详细的说明。
本实用新型的混合相控阵卫星接收天线将抛物面天线技术和相控阵天线的相扫技术相结合。在方位角上采用机械扫描，并利用各种参考信号完成对卫星信号的扫描搜索和捕获；在俯仰角上采用相扫，以覆盖俯仰角范围内的卫星信号。
图1所示为本实用新型的混合相控阵卫星接收天线的结构图。如图1所示，该卫星接收天线包括波导裂缝阵列天线单元阵面101、功分器102、误差信号处理器103、位置传感器及控制单元104和执行机构105。功分器103的一路输出还和卫星接收机106连接。
波导裂缝阵列天线单元阵面101用于接收卫星信号；功分器102用于将卫星信号均等地分配为至少两路的信号，并将其中的一路信号发送给误差信号处理器103，另一路信号发送到卫星接收机106；误差信号处理器103用于对功分器102发送过来的卫星信号进行载波检测，并将载波检测结果向位置传感器及控制单元104发送；位置传感器及控制单元104用于检测天线的位置信息，并根据天线的位置信息和载波检测结果向执行机构发送天线驱动命令；执行机构109根据天线驱动命令控制波导裂缝阵列单元阵面101，以驱动波导裂缝阵列单元阵面101正确指向卫星并且极化匹配适当。
根据图1所示的本实用新型的混合相控阵卫星接收天线，图2为本实用新型一实施例的混合相控阵卫星接收天线的结构图。如图2所示，该卫星接收天线包括波导裂缝阵列天线单元阵面201、低噪声变频模块(LNB)202、功分器203、误差信号处理器204、天线控制器205、触点开关206、GPS模块207、角度传感器模块208和执行机构209。功分器203的一路输出还和卫星接收机210连接。其中波导裂缝阵列天线单元阵面201用于接收卫星信号；LNB 202用于对卫星信号进行低噪声变频处理；功分器203用于将卫星信号均等地分配为至少两路的信号，并将其中的一路信号发送给误差信号处理器204，另一路信号发送到卫星接收机210；角度传感器模块208用于向天线控制器205提供波导裂缝阵列天线单元阵面201的角度信息，使得波导裂缝阵列天线单元阵面201的阵面主波束正确地指向选择的卫星，同时还用于圆锥扫描方位角扫描范围控制；GPS模块207用于向天线控制器205提供该卫星接收天线所在地的经纬度；触点开关206用于当卫星接收天线的方位角、俯仰角和极化角超过范围时向天线控制器205发送触点开关电平信息；误差信号处理器204用于对功分器203发送过来的卫星信号进行载波检测，并将载波检测结果向天线控制器205发送；天线控制器205用于根据载波检测结果、角度信息、混合相控阵卫星接收天线所在地的经纬度和触点开关电平信息向执行机构发送天线驱动命令；执行机构209根据天线驱动命令控制波导裂缝阵列单元阵面201，以驱动波导裂缝阵列单元201阵面正确指向卫星并且极化匹配适当。波导裂缝阵列天线单元201阵面与LNB 202和执行结构209连接，LNB 202与功分器203连接，功分器203与误差信号处理器204连接，误差信号处理器204与天线控制器205连接，GPS模块207、触点开关206、角度传感器模块208分别与天线控制器205连接。
具体地，波导裂缝阵列天线单元阵面201接收卫星发出的高频电磁波能量，选择所需要的卫星信号，抑制外界干扰信号，放大接收到的微弱卫星高频信号，并对卫星信号进行降频变换处理，以将高频的卫星信号转换为中频信号。其中，波导裂缝阵列天线单元阵面201的通信器件可包括波导裂缝天线平面阵列和波束形成网络，其中波束形成网络用于控制波导裂缝天线平面阵列各阵源的幅度和相位，满足天线主波束增益和旁瓣要求，实现多波束指向和覆盖指定的空域。波导裂缝阵列天线单元阵面201在接收到卫星信号并完成相应处理后，向LNB 202发送该卫星信号，LNB 202对波导裂缝阵列天线单元201传送过来的卫星信号进行低噪声变频处理。
功分器203将卫星信号均等的分配为至少两路的信号，并将其中的一路信号发送给误差信号处理器204，而将另一路信号发送给卫星接收机210等接收装置。在这里，可以采用二功分器，也可以采用四功分器或者八功分器。
误差信号处理器204对功分器203发送过来的卫星信号进行载波检测，得到微波信号电平，并输出该微波信号电平到天线控制器205。误差信号处理器204可由滤波器、放大器、可控衰减器、检波器、整形电路、直流放大器等组成。误差信号处理器204连续地用检波器检出1GHZ微波信号电平，并输出给天线控制器205，用作AGC电平指示和极值跟踪，解决载波跟踪信息源问题。
触点开关206用于当卫星接收天线的方位角、俯仰角和极化角超过范围时向天线控制器205发送触点开关电平信息，天线控制器205根据触点开关电平信息驱动波导裂缝阵列天线单元阵面201，以完成卫星接收天线的限位和解缠绕。
GPS模块207用于向天线控制器205提供该卫星接收天线所在地的经纬度。GPS模块207可通过RS232等接口将卫星接收天线所在地的经纬度信息输出给天线控制器205，由天线控制器205实时计算出移动物体所在位置指向目标的方位角和俯仰角，以便于快速捕获卫星。同时，天线控制器205根据GPS模块207提供的卫星接收天线所在地的经纬度信息监测并调整极化角，以实现卫星接收天线的极化匹配。
角度传感器模块208用于向天线控制器205提供卫星接收天线的角度信息，使得波导裂缝阵列天线单元201的阵面主波束正确地指向选择的卫星，同时还可用于圆锥扫描方位角扫描范围控制。优选地，方位角模块108具体的实施方式可为自动航向仪或者陀螺仪。
天线控制器205是本实施例的混合相控阵卫星接收天线的操作控制中心。启动卫星接收天线后，天线控制器205首先完成卫星接收天线的初始化，其中该初始化过程包括检测执行机构209的运转是否正常，以完成卫星接收天线的自检测；通过检波电路连续监测执行机构209在各个运转方向的本地噪声电平，然后计算出这些噪声电平的平均值，并将该平均值设置为门限电平以作为扫描转自跟踪的判决依据。在启动并完成卫星接收天线初始化后，天线控制器205根据输入的已知数据计算卫星接收天线的理论指向角和理论极化角，然后通过执行结构209驱动波导裂缝阵列天线单元阵面201，然后通过角度传感器模块208和GPS模块207检测执行结果并再作适当的调整。当天线控制器205控制卫星接收天线运转到指定的角度后，如果没有发现卫星信号，则天线控制器205启动圆锥扫描过程，以在由小到大的范围内检测信号电平，发现并捕获卫星信号，然后转入极值自动跟踪。在卫星接收天线转入极值自动跟踪后，如果由于某种原因天线信号突然地中断，天线控制器205还可控制卫星接收天线对卫星信号完成记忆跟踪处理。同时，在卫星接收天线的工作过程中，当触点开关206向天线控制器205发送触点开关电平信息后，天线控制器205强制决定天线的起停运状态和控制天线的解绕运转。优选地，天线控制器的上述控制功能可以通过单片机或者中央处理器(CPU)等来实现。
执行机构209用于驱动波导裂缝阵列天线单元阵面201。执行结构209包括方位电机、俯仰电机和极化匹配电机。方位电机用于驱动波导裂缝阵列天线单元阵面201在水平面上转动，以完成扫描搜索捕获卫星信号；俯仰电机用于驱动波导裂缝阵列天线单元阵面201在俯仰面上转动，以覆盖俯仰角有限范围内的卫星信号；极化匹配电机用于驱动旋转波导裂缝阵列天线单元阵面201，以实现卫星接收天线的极化匹配。
根据图2，图3为本实用新型一实施例的波导裂缝阵列天线单元阵面的示意图。如图3所示，该波导裂缝阵列天线单元阵面包括16行44列的波导裂缝阵列单元301和波束形成网络，其中波束形成网络又包括16个LNA302、16个微调移相器303、16个微带移相电路304和2个相加网络305。两个相加网络305分别和一个电子开关306相连。波导裂缝阵列单元301用于接收卫星信号，而且波导裂缝阵列单元301的每一行输出卫星信号，并且波导裂缝阵列单元301的16行所输出的卫星信号分别输入到相对应的16个LNA 302；LNA302用于对相应的卫星信号进行放大，并将每个卫星信号输送到相应的微调移相器303；微调移相器303用于补偿卫星信号从波导裂缝阵列单元301传输到该LNA的传输延迟；微带移相电路304用于形成固定多波束，完成相位控制、降低旁瓣，并将多波束的卫星信号发送到相加网络305，其中每个微带移相电路304将卫星信号分为2路卫星信号，并控制每路卫星信号的相位，使得每个微带移相电路304分出的第n路卫星信号与其它15个微带移相电路304中的每一个微带移相电路304所分出的第n路卫星信号同相，在此实施例中n＝(1或2)，M个微带移相电路304中的同相的第n路卫星信号都发送到同一个相加网络305，即16个微带移相电路304分别形成信号φ1-1、信号φ1-2、信号φ1-3......信号φ1-16和信号φ2-1、信号φ2-2、信号φ2-3......信号φ2-16，φ1-1、φ1-2、φ1-3......φ1-16的相位相同并且进入一个相加网络；φ2-1、φ2-2、φ2-3......φ2-16的相位相同并且进入另一个相加网络；相加网络305用于对多波束卫星信号相加，以形成宽波束，从而增加俯仰面的覆盖范围；电子开关306用于控制输出两个相加网络306所输出的卫星信号。当两个波束的卫星信号都通过电子开关后，便集中输出到LNB。以上实施例中，波导裂缝阵列单元301为16行44列，而波导裂缝阵列单元301的行数和列数可以改变。
图3中，微带移相电路304将卫星信号分为两个波束。可选地，微带移相电路304也可产生四个波束、六波束、八波束、十波束等偶数个波束。此时，需要再相应的增加相加网络的个数，如果是四个波束，则需要四个相加网络，如果是八个波束，则需要八个相加网络，可以依此类推。
基于图3所示的波导裂缝阵列天线单元阵面，图4为本实用新型一实施例的相扫固定多波束合成示意图。如图4所示，波束1的法向角为20度，波束宽为7度；波束2的法向角为26度，波束宽为7度，两个波束进行合成后，产生的合成波束宽度为14度。同时，应用本实用新型可将俯仰角范围划分为若干个区域，然后根据卫星接收天线所应用的具体情况，将该卫星接收天线的俯仰角的范围根据具体的区域而进行限定。从而使得在保证卫星接收天线的体积和高度小的情况下，进一步降低波导裂缝阵列天线单元301中辐射单元的个数，进而进一步地降低成本。以鑫诺卫星在中国的应用为例，卫星接收天线在中国主要各大城市之间运动的俯仰角变化范围在35度到66度之间，考虑到常规上下桥洞的俯仰角变化在10度左右，则卫星接收天线的俯仰角的变化范围应在25度到76度之间，从而相应的俯仰面的相控扫描范围在14度到65度之间。因此，可将14度和65度之间划分为若干个区域，然后根据卫星接收天线具体应用的区域而对该卫星接收天线的俯仰角进行限制，并选择所需要的波束宽度，从而降低波导裂缝阵列天线单元101中辐射单元的个数，因此可以进一步的降低成本。
以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种混合相控阵卫星接收天线，其特征在于，该卫星接收天线包括波导裂缝阵列天线单元阵面(101)，用于接收卫星信号，并向功分器(102)发送卫星信号；功分器(102)，用于将波导裂缝阵列天线单元阵面(101)发送过来的卫星信号进行均分，并将其中的一路均分信号向误差信号处理器(103)发送；误差信号处理器(103)，用于对功分器(102)发送来的均分信号进行载波检测，并将载波检测结果向位置传感器及控制单元(104)发送；位置传感器及控制单元(104)，用于检测卫星接收天线的位置信息，并根据卫星接收天线的位置信息和载波检测结果向执行机构(105)发送天线驱动命令；执行机构(105)，用于根据天线驱动命令控制波导裂缝阵列天线单元阵面(101)，以驱动波导裂缝阵列天线单元阵面(101)正确指向卫星并且极化匹配适当。
2.根据权利要求1所述的混合相控阵卫星接收天线，其特征在于，所述的波导裂缝阵列天线单元阵面(101)包括波导裂缝阵列(301)、M个LNA(302)、M个微调移相器(303)、M个微带移相电路(304)和N个相加网络(305)，LNA(302)与微调移相器(303)和微带移相电路(304)一一相对应，N为偶数，其中波导裂缝阵列(301)的每一行用于接收卫星信号，并将每一行接收的卫星信号发送到与该行对应的LNA(302)；LNA(302)用于将波导裂缝阵列(301)的与该LNA(302)相对应的行所传送过来的卫星信号进行放大，并将放大后的卫星信号输入到与该LNA(302)对应的微调移相器(303)；微调移相器(303)用于补偿卫星信号从波导裂缝阵列(301)传输到与该微调移相器(303)对应的LNA(302)的传输延迟，并将补偿后的卫星信号发送到与该微调移相器(303)相对应的微带移相电路(304)；微带移相电路(304)将卫星信号分为N路，并控制每路卫星信号的相位，使得每个微带移相电路(304)分出的第n路卫星信号与其它(M-1)个微带移相电路(304)中的每一个微带移相电路(304)所分出的第n路卫星信号同相，其中n＝(1，2......N)，M个微带移相电路(304)中的同相的第n路卫星信号都发送到同一个相加网络(305)；N个相加网络(305)用于对同相的卫星信号进行相加。
3.根据权利要求2所述的混合相控阵卫星接收天线，其特征在于，所述的波导裂缝阵列天线单元阵面(101)进一步包括电子开关(306)，用于选择输出所述N个相加网络的输出信号。
4.根据权利要求1所述的混合相控阵卫星接收天线，其特征在于，所述的位置传感器及控制单元(104)包括GPS模块(207)、角度传感器模块(208)和天线控制器(205)，其中GPS模块(207)，用于向天线控制器(205)提供所述卫星接收天线的经纬度；角度传感器模块(208)，用于向天线控制器(205)提供所述卫星接收天线的角度信息；天线控制器(205)，用于根据所述载波检测结果、所述卫星接收天线的角度信息、所述卫星接收天线的经纬度向执行机构(105)发送驱动命令。
5.根据权利要求4所述的混合相控阵卫星接收天线，其特征在于，所述的天线控制器(205)包括单片机或中央处理器CPU。
6.根据权利要求4所述的混合相控阵卫星接收天线，其特征在于，所述的角度传感器模块(208)包括自动航向仪或陀螺仪。
7.根据权利要求1所述的混合相控阵卫星接收天线，其特征在于，所述的位置传感器及控制单元(104)进一步包括触点开关(206)，用于当卫星接收天线的方位角、俯仰角或极化角超过范围时向天线控制器(205)发送触点开关电平信息；天线控制器(205)进一步用于根据触点开关电平信息向卫星接收天线发送解缠绕驱动命令。
8.根据权利要求1所述的混合相控阵卫星接收天线，其特征在于，所述的功分器(102)为二功分器或四功分器或六功分器或八功分器。
9.根据权利要求1所述的混合相控阵卫星接收天线，其特征在于，所述的执行机构(105)包括方位电机、俯仰电机和极化匹配电机，其中方位电机用于驱动波导裂缝阵列天线单元阵面(101)在水平面上转动，以完成扫描搜索捕获卫星信号；俯仰电机用于驱动波导裂缝阵列天线单元阵面(101)在俯仰面上转动，以覆盖俯仰角有限范围内的卫星信号；极化匹配电机用于驱动旋转波导裂缝阵列天线单元阵面(101)，以实现卫星接收天线的极化匹配。
10.根据权利要求2所述的混合相控阵卫星接收天线，其特征在于，所述的N为2或4或6或8或10。
专利摘要本实用新型公开了一种混合相控阵卫星接收天线，包括波导裂缝阵列天线单元阵面，用于接收卫星信号；功分器，用于将卫星信号均分，并将其中的一路均分卫星信号向误差信号处理器发送；误差信号处理器，用于对功分器发送来的卫星信号进行载波检测，并将载波检测结果向位置传感器及控制单元发送；位置传感器及控制单元，用于检测天线的位置信息，并根据天线的位置信息和载波检测结果向执行机构发送天线驱动命令；执行机构，用于根据天线驱动命令控制波导裂缝阵列天线单元阵面，以驱动波导裂缝阵列天线单元阵面正确指向卫星并且极化匹配适当。本实用新型可降低天线的体积和高度，和天线载体的外形保持一致，并降低成本和复杂度。
文档编号H01Q3/30GK2729932SQ200420089210
公开日2005年9月28日 申请日期2004年8月27日 优先权日2004年8月27日
发明者卢维炎, 刘冬天, 周颂时, 唐国梅 申请人:北京华夏宇通通信技术有限责任公司