分布式動(dòng)中通輕質(zhì)賦形天線(xiàn)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提出一種分布式動(dòng)中通輕質(zhì)賦形天線(xiàn)，由若干個(gè)分布式前端(9)、分布式光纖信號(hào)網(wǎng)絡(luò)(6)、分布式低頻信號(hào)網(wǎng)絡(luò)(7)和分布式光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)(8)組成，其中每個(gè)分布式前端包括圍繞硅基集成收發(fā)芯片(2)電連接的分布式天線(xiàn)子陣(1)、電光/光電轉(zhuǎn)換芯片(3)、子陣波束控制系統(tǒng)(4)和光柵傳感器(5)。在集中式處理終端(10)的指令控制下，每個(gè)分布式前端(9)能實(shí)現(xiàn)波束掃描和與衛(wèi)星信號(hào)的對(duì)準(zhǔn)；然后若干個(gè)分布式前端(9)在集中式處理終端(10)的子令控制下，實(shí)現(xiàn)波束合成和與衛(wèi)星的實(shí)時(shí)通信。本發(fā)明解決了現(xiàn)有動(dòng)中通天線(xiàn)集成設(shè)計(jì)在一個(gè)口徑里而體積大、質(zhì)量重，難以與柔性機(jī)翼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)剛度匹配的技術(shù)難題。
【專(zhuān)利說(shuō)明】分布式動(dòng)中通輕質(zhì)賦形天線(xiàn)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種移動(dòng)衛(wèi)星通信天線(xiàn)（動(dòng)中通天線(xiàn)），它適用于移動(dòng)載體自動(dòng)捕獲 并實(shí)時(shí)跟蹤衛(wèi)星，提供高速、寬帶大容量的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)及高清晰的動(dòng)態(tài)視頻圖像等多媒體信 息的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，特別適用于太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 動(dòng)中通是"移動(dòng)中的衛(wèi)星地面站通信系統(tǒng)（Satcom-on-the-Move，S0TM) "的簡(jiǎn)稱(chēng)。 動(dòng)中通衛(wèi)星移動(dòng)通信是利用同步軌道衛(wèi)星或中、低軌道衛(wèi)星作為中繼站，實(shí)現(xiàn)地面、空中、 海上移動(dòng)用戶(hù)之間或移動(dòng)用戶(hù)與固定用戶(hù)之間通信的一種技術(shù)，在新聞采集、抗災(zāi)救災(zāi)、軍 事通信、反恐和海上緝私等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。在"動(dòng)中通"衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，天 線(xiàn)是非常關(guān)鍵的部件，它必須是強(qiáng)方向性的和高增益性的、具有較低剖面、設(shè)備體積小、易 于隱蔽、可實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)波束對(duì)目標(biāo)方向的自動(dòng)跟蹤、在大掃描角域下仍能保持通信。動(dòng)中通天 線(xiàn)是一種在載體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中仍能夠保證與地球同步衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)雙向通信的移動(dòng)衛(wèi)星通信天 線(xiàn)，專(zhuān)門(mén)為移動(dòng)載體（特別是火車(chē)、汽車(chē)、水上運(yùn)輸工具、海上石油平臺(tái)）在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中完成 實(shí)時(shí)衛(wèi)星通信而制造的天線(xiàn)。傳統(tǒng)的動(dòng)中通天線(xiàn)主要由伺服系統(tǒng)和天饋系統(tǒng)兩部分組成， 由于不同的應(yīng)用場(chǎng)合、不同的載體需要，動(dòng)中通天線(xiàn)不斷地發(fā)展出了多種形式，由最初的拋 物面形式發(fā)展成為機(jī)械掃描的平板陣列天線(xiàn)，再朝著相控陣天線(xiàn)的方向發(fā)展。
[0003] 第一代動(dòng)中通天線(xiàn)以?huà)佄锩嫣炀€(xiàn)為主，J.W.Eberle在1964年發(fā)表的文獻(xiàn)"An Adaptively Phased，F(xiàn)our-Element Array of Thirty-Foot Parabolic Reflectors for Passive (Echo)Communication Systems"（IEEE Transactions on Antennas and Propagation)報(bào)道了用于地面站衛(wèi)通通信系統(tǒng)的天線(xiàn)設(shè)計(jì)方法，該天線(xiàn)系統(tǒng)由4個(gè)直徑 30英尺大的拋物面組成，采用伺服系統(tǒng)完成波束的掃描，實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星的實(shí)時(shí)通信。這種天 線(xiàn)體積大，重量重，適用于地面通信站。D. N. Jones等人在2003年發(fā)表的文獻(xiàn)"Modified Commercial Off-The-Shelf(COTS)Antenna for SATC0M 0n-The-Move(S0TM) (IEEE Military Communications Conference)進(jìn)一步報(bào)道了車(chē)載動(dòng)中通衛(wèi)星通信反射面天線(xiàn) 的設(shè)計(jì)方法，采用小口徑拋物面和外置固態(tài)功放和低噪放的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了 EIRP值為 57. 5dBW和G/T值為11. 9dB/K的優(yōu)良性能。為了降低反射面天線(xiàn)的輪廓，傳統(tǒng)的反射面天 線(xiàn)發(fā)展出一類(lèi)拋物柱面天線(xiàn)，也稱(chēng)為切割拋物面天線(xiàn)。拋物柱面天線(xiàn)是以?huà)佄锞€(xiàn)沿直線(xiàn)平 移而形成的，它在一個(gè)平面內(nèi)具有拋物線(xiàn)截面，還具有平行于反射器軸線(xiàn)的直線(xiàn)橫截面，同 時(shí)需要一個(gè)沿焦線(xiàn)延展的饋源。這類(lèi)天線(xiàn)系統(tǒng)相對(duì)要復(fù)雜一些，但是在天線(xiàn)高度上比傳統(tǒng) 的反射面天線(xiàn)要低很多，因而可以廣泛地應(yīng)用于各類(lèi)中小型應(yīng)急通信車(chē)上。例如，在1995 年，美國(guó)專(zhuān)利 "Satellite-Tracking Millimeter-Wave Reflector Antenna System for Mobile Satellite_Tracking"(No. 5398035)詳細(xì)報(bào)道了這類(lèi)天線(xiàn)的設(shè)計(jì)方法，該天線(xiàn)直徑 為8英寸，高度為2. 45英寸。隨著現(xiàn)代移動(dòng)通信對(duì)通信系統(tǒng)靈活機(jī)動(dòng)要求的提高，傳統(tǒng)的 拋物反射面天線(xiàn)笨重、體積龐大的劣勢(shì)日益顯現(xiàn)。
[0004] 第二代動(dòng)中通天線(xiàn)以平板天線(xiàn)為主，0. Kilic等人在2001年發(fā)表的文 獻(xiàn)"Flat Antenna Design Considerations for Satel1ite-On-The Move and Satellite-On-The-Pause (SOTM/SOTP)Applications，'（IEEE Military Communications Conference)報(bào)道了這類(lèi)天線(xiàn)的設(shè)計(jì)方法。這類(lèi)天線(xiàn)收發(fā)單元均由多個(gè)子陣組成，輪廓較 低，通常高度為200mm，機(jī)械式姿態(tài)調(diào)整，適宜在高速行駛的載體平臺(tái)上應(yīng)用，可用于小型 汽車(chē)上。在 2008 年，M. Shelley 等人發(fā)表的文獻(xiàn)"Low Profile, Dual Polarised Antenna for Aeronautical and Land Mobile Satcom，'(ASMS20084th Advanced Satellite Mobile Systems)報(bào)道的美國(guó)ERA公司的動(dòng)中通天線(xiàn)是這類(lèi)天線(xiàn)的典型代表。該天線(xiàn)在設(shè)計(jì)上采用 多組平板陣列的形式，可以在不增加天線(xiàn)整體高度的條件下提高天線(xiàn)增益。該天線(xiàn)在方位 面和俯仰面均采用機(jī)械跟蹤的方式，每組陣列的仰角是相同的，且可以分別在俯仰方向上 進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)天線(xiàn)陣列的仰角改變時(shí)，由于空間中電磁波到達(dá)幾組陣列存在波程差，則要通 過(guò)移相器來(lái)調(diào)整陣列之間的相位關(guān)系，使各組陣列具有相同的相位，以得到更好的天線(xiàn)接 收效果。另一個(gè)典型代表是以色列Starling公司的Mi jetlite動(dòng)中通天線(xiàn)，工作在Ku頻 段，采用正交線(xiàn)極化設(shè)計(jì)方式，天線(xiàn)增益在14GHz是33. 5dB，天線(xiàn)G/T值在12GHz是12dB/ K。整個(gè)天線(xiàn)口徑直徑是960mm，高度190mm，重量27.2kg。這種天線(xiàn)通過(guò)機(jī)械掃描方式，可 提供全空域覆蓋，而且安裝便捷，可在狹窄的機(jī)艙內(nèi)應(yīng)用，地域的限制性因素對(duì)其影響小。
[0005] 第三代動(dòng)中通天線(xiàn)以相控陣天線(xiàn)為主，包括混合相控陣天線(xiàn)和全相控陣天線(xiàn)?；?合相控陣天線(xiàn)也可稱(chēng)為一維相控陣天線(xiàn)，即只在俯仰方向采用相控陣波束掃描，而在方位 面上采用機(jī)械掃描。全相控陣天線(xiàn)也稱(chēng)兩維相控陣天線(xiàn)，是指在俯仰面和方位面均采用相 位控制方式進(jìn)行波束掃描的相控陣天線(xiàn)。這種天線(xiàn)的主要優(yōu)點(diǎn)是剖面低，適合安裝于各種 移動(dòng)載體上，電性能好，可獲得高速數(shù)據(jù)傳輸；由于采用了電控掃描，其跟蹤速度快，適合于 各種高速車(chē)輛及飛機(jī)。相關(guān)的研究報(bào)道在最近幾年的文獻(xiàn)中也能找到，如2009年，Y. Jiang 等人發(fā)表的文獻(xiàn)"A New Low Profile Antenna with Improved Performance for Satellite 0n-the-Move Communications，'(Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications, IEEE International Symposium on)報(bào)道了方位面米用 機(jī)掃、俯仰面采用相掃的混合相控陣天線(xiàn)設(shè)計(jì)技術(shù)。天線(xiàn)工作在Ku頻段，采用百葉窗天線(xiàn) 陣面設(shè)計(jì)形式，共分為5個(gè)子陣面，共口徑設(shè)計(jì)方式。在2013年，J. Suryana等人發(fā)表的文 獻(xiàn)"Design and Realization of Flat Mobile VSAT Antenna for Ku/Ka Band Satellite Communications with Auto-beam Steering Capability，'（International Conference of Information and Communication Technology)報(bào)道了平板移動(dòng) VSAT 天線(xiàn)的設(shè)計(jì)，工作于 Ku/Ka波段，在俯仰面和方位面均采用相位控制方式進(jìn)行波束掃描，整個(gè)相控陣天線(xiàn)采用微 帶天線(xiàn)單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為8個(gè)子陣，每個(gè)子陣為16 X 4的陣列規(guī)模，所有子陣共口徑設(shè)計(jì)， 外形尺寸為1150mmX900mmX180mm，重量32kg。在第三代動(dòng)中通天線(xiàn)產(chǎn)品方面，有代表性 的是以色列RAYSAT公司的StealthRay TM3000型天線(xiàn)，采用收發(fā)分離的混合相控陣天線(xiàn)形 式，三個(gè)子陣發(fā)射，一個(gè)子陣接收，其尺寸為1227mmX 953mmX 150mm，重29kg，等效口徑為 0. 3m，這種天線(xiàn)剖面低，電性能好，可獲得很好的接收效果，適用于各種高速車(chē)輛及飛機(jī)。其 次，還有德國(guó)MST公司研發(fā)的IRIS天線(xiàn)、NATALIA天線(xiàn)、SANDRA天線(xiàn)、以及SANTANA天線(xiàn)， 都是第三代動(dòng)中通相控陣天線(xiàn)的代表。
[0006] 在"動(dòng)中通"衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，天線(xiàn)是非常關(guān)鍵的部件，因此要求"動(dòng)中通"衛(wèi)星天 線(xiàn)必須是強(qiáng)方向性的和高增益性的、具有較低剖面、設(shè)備體積小、易于隱蔽、可實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)波 束對(duì)目標(biāo)方向的自動(dòng)跟蹤、在大掃描角域下仍能保持通信。目前的動(dòng)中通天線(xiàn)已從拋物面 天線(xiàn)、平板天線(xiàn)、發(fā)展成為低輪廓的相控陣天線(xiàn)，以滿(mǎn)足各種高速車(chē)輛及飛機(jī)的通信需求， 但這些動(dòng)中通天線(xiàn)對(duì)于太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)卻是無(wú)法適用的。因?yàn)樘?yáng)能無(wú)人機(jī)翼展通常長(zhǎng)達(dá) 50m以上，具有展弦比大、結(jié)構(gòu)重量輕、結(jié)構(gòu)剛度小、在飛行過(guò)程中變形明顯等特點(diǎn)，這些特 點(diǎn)使得上述報(bào)道的動(dòng)中通天線(xiàn)無(wú)法直接使用，主要有以下幾點(diǎn)原因：第一，按目前機(jī)載天線(xiàn) 制造技術(shù)，機(jī)翼每平米承載天線(xiàn)設(shè)備重量約為20kg，而太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的機(jī)翼每平米承載天 線(xiàn)設(shè)備重量要小于1. 5kg，目前報(bào)道的動(dòng)中通天線(xiàn)集成設(shè)計(jì)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)這樣輕量化的設(shè) 計(jì)；第二，按目前報(bào)道的動(dòng)中通天線(xiàn)是一種剛性結(jié)構(gòu)，與太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)柔性機(jī)翼結(jié)構(gòu)難以實(shí) 現(xiàn)剛度匹配。由于受空中各種攝動(dòng)力的影響，衛(wèi)星的位置在不斷地漂移，其姿態(tài)也在細(xì)微地 改變，這些都會(huì)加大指向誤差，加上空中載體姿態(tài)位置發(fā)生變化，會(huì)引起原對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的天線(xiàn) 波束偏離衛(wèi)星信號(hào)方向，使通信中斷。尤其是太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)大尺度機(jī)翼這樣的空中載體在 扭曲、搖擺等變形條件下，動(dòng)中通天線(xiàn)與衛(wèi)星的實(shí)時(shí)通信更難實(shí)現(xiàn)；第三，按目前報(bào)道的動(dòng) 中通天線(xiàn)都是集成設(shè)計(jì)在一個(gè)口徑里，體積較大，重量較重，無(wú)法滿(mǎn)足大尺度翼展太陽(yáng)能無(wú) 人機(jī)的輕量化、低剖面的設(shè)計(jì)需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種重量輕、剛度匹配 能力強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)對(duì)星穩(wěn)定，使天線(xiàn)波束在載體姿態(tài)變化過(guò)程中始終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，可 以準(zhǔn)確而不間斷地發(fā)送信號(hào)的動(dòng)中通輕質(zhì)賦形天線(xiàn)，特別是適合于太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)。采用分 布式設(shè)計(jì)的動(dòng)中通輕質(zhì)賦形天線(xiàn)，能解決傳統(tǒng)動(dòng)中通天線(xiàn)無(wú)法在太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)機(jī)翼上集成 設(shè)計(jì)的局限性。
[0008] 本發(fā)明的上述目的可以通過(guò)以下措施來(lái)達(dá)到，一種分布式動(dòng)中通輕質(zhì)賦形天線(xiàn)， 包括采用分布式布局在機(jī)翼上，線(xiàn)陣排列的太陽(yáng)能板11和位于太陽(yáng)能板11兩側(cè)排列的分 布式前端9,以及位于機(jī)身航向上的集中式處理終端10,其特征在于：每個(gè)分布式前端9包 括圍繞硅基集成收發(fā)芯片2電連接的分布式天線(xiàn)子陣1、電光/光電轉(zhuǎn)換芯片3、子陣波束 控制系統(tǒng)4和實(shí)時(shí)探測(cè)每個(gè)分布式前端9位置角度信息的光柵傳感器5 ;若干個(gè)分布式前 端9通過(guò)嵌入在機(jī)翼蒙皮里面的分布式光纖信號(hào)網(wǎng)絡(luò)6、分布式低頻信號(hào)網(wǎng)絡(luò)7和分布式光 柵傳感器網(wǎng)絡(luò)8與集中式處理終端10互連；每個(gè)分布式前端9具備傳統(tǒng)有源相控陣天線(xiàn)的 功能，在集中式處理終端10的指令控制下，首先通過(guò)子陣波束控制系統(tǒng)4實(shí)現(xiàn)每個(gè)分布式 前端9的波束掃描和與衛(wèi)星信號(hào)的對(duì)準(zhǔn)，然后若干個(gè)分布式前端9在集中式處理終端10的 子令控制下，實(shí)現(xiàn)分布式動(dòng)中通輕質(zhì)賦形天線(xiàn)的波束合成，完成與衛(wèi)星的實(shí)時(shí)通信功能。
[0009] 本發(fā)明具有如下有益效果： 本發(fā)明采用硅基集成收發(fā)芯片2替代傳統(tǒng)有源相控陣天線(xiàn)的TR組件，來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)分布 式前端9的設(shè)計(jì)，解決了傳統(tǒng)動(dòng)中通天線(xiàn)都集成設(shè)計(jì)在一個(gè)口徑里而體積較大的缺陷，實(shí) 現(xiàn)了太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)動(dòng)中通天線(xiàn)的低輪廓、輕質(zhì)設(shè)計(jì)。
[0010] 本發(fā)明將分布式前端9賦形分布在大尺度機(jī)翼不同位置，通過(guò)線(xiàn)陣排列的太陽(yáng)能 板11供電，經(jīng)分布式光纖信號(hào)網(wǎng)絡(luò)6連接到集中式處理終端10,實(shí)現(xiàn)分布式動(dòng)中通輕質(zhì)賦 形天線(xiàn)的輕質(zhì)、小型化設(shè)計(jì)，解決了傳統(tǒng)動(dòng)中通天線(xiàn)集成設(shè)計(jì)所帶來(lái)的質(zhì)量重，口徑大而無(wú) 法在太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)上使用的缺陷，突破了傳統(tǒng)動(dòng)中通相控陣天線(xiàn)的設(shè)計(jì)局限，具有較強(qiáng)的 剛度匹配能力。
[0011] 本發(fā)明將陣列規(guī)模分解成為若干個(gè)分布式天線(xiàn)子陣1，并采用8X8的子陣規(guī)模進(jìn) 行設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足了太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)具有展弦比大、結(jié)構(gòu)重量輕、結(jié)構(gòu)剛度小、在飛行過(guò)程中易變 形的特點(diǎn)，解決了動(dòng)中通天線(xiàn)是一種剛性結(jié)構(gòu)，與柔性機(jī)翼結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)剛度匹配的技術(shù) 難題。
[0012] 本發(fā)明的動(dòng)中通天線(xiàn)采用分布式光纖信號(hào)網(wǎng)絡(luò)6,實(shí)現(xiàn)了若干分布式前端9和一 個(gè)集中式處理終端10的互連，解決了傳統(tǒng)相控陣天線(xiàn)采用射頻電纜（如微帶線(xiàn)、同軸、波 導(dǎo)）所帶來(lái)的體積大、質(zhì)量重、費(fèi)用高的缺陷，實(shí)現(xiàn)了分布式輕質(zhì)光纖信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。
[0013] 本發(fā)明通過(guò)嵌入在機(jī)翼蒙皮里面的分布式光纖信號(hào)網(wǎng)絡(luò)6、分布式低頻信號(hào)網(wǎng)絡(luò) 7和分布式光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)8與集中式處理終端10互連，并同時(shí)與若干個(gè)分布式前端9互 連，使得整個(gè)分布式動(dòng)中通輕質(zhì)賦形天線(xiàn)運(yùn)動(dòng)慣量小。通過(guò)采用光柵傳感器5實(shí)時(shí)測(cè)出大 尺度機(jī)翼在扭曲、搖擺等變形情況下的分布式前端9的位置角度信息，為每個(gè)分布式前端9 的波束形成和與衛(wèi)星信號(hào)的對(duì)準(zhǔn)提供了角度修正信息，可使分布式動(dòng)中通輕質(zhì)賦形天線(xiàn)動(dòng) 態(tài)對(duì)星穩(wěn)定，使天線(xiàn)波束在載體姿態(tài)變化過(guò)程中不受影響并始終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星信號(hào)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014] 本發(fā)明特別參照優(yōu)選的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)實(shí)施例來(lái)說(shuō)明和展示，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng) 理解，可以在形式上和內(nèi)容上作出改型而不偏離本發(fā)明精神和范圍。因此，對(duì)于具有大尺度 翼展的其他飛機(jī)，當(dāng)翼展具有扭曲和搖擺變形情況時(shí)，本發(fā)明提供的設(shè)計(jì)方法同樣適用。
[0015] 圖1是本發(fā)明分布式動(dòng)中通輕質(zhì)賦形天線(xiàn)的電路原理示意圖。
[0016] 圖2是本發(fā)明分布式動(dòng)中通輕質(zhì)賦形天線(xiàn)的分布式布局示意圖。
[0017] 圖3是本發(fā)明的分布式前端9的構(gòu)造透視分解示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 參閱圖1、圖2。在以下優(yōu)選的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)實(shí)施例中，分布式動(dòng)中通輕質(zhì)賦形天 線(xiàn)主要包括若干個(gè)分布式前端9、分布式光纖信號(hào)網(wǎng)絡(luò)6、分布式低頻信號(hào)網(wǎng)絡(luò)7、以及分布 式光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)8,其中集中式處理終端10沿航向位于機(jī)身上方的中部位置。太陽(yáng)能板 11線(xiàn)陣排列布局在機(jī)翼翼面上，若干個(gè)分布式前端9位于太陽(yáng)能板11兩側(cè)排列。每個(gè)分 布式前端9可以賦形在大尺度機(jī)翼不同位置，且相鄰之間的間距可以是任意的，可根據(jù)機(jī) 翼的具體位置設(shè)計(jì)，其中每個(gè)分布式前端9包括圍繞硅基集成收發(fā)芯片2電連接的分布式 天線(xiàn)子陣1、電光/光電轉(zhuǎn)換芯片3、子陣波束控制系統(tǒng)4和光柵傳感器5。光柵傳感器5 能實(shí)時(shí)測(cè)出大尺度機(jī)翼在扭曲、搖擺變形情況下的分布式前端9的位置角度信息，可為每 個(gè)分布式前端9的波束形成和與衛(wèi)星信號(hào)的對(duì)準(zhǔn)提供角度修正信息，可使分布式動(dòng)中通輕 質(zhì)賦形天線(xiàn)動(dòng)態(tài)對(duì)星穩(wěn)定，使天線(xiàn)波束在載體姿態(tài)變化過(guò)程中不受影響并始終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星信 號(hào)。若干個(gè)分布式前端9通過(guò)嵌入在機(jī)翼蒙皮里面的分布式光纖信號(hào)網(wǎng)絡(luò)6、分布式低頻信 號(hào)網(wǎng)絡(luò)7和分布式光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)8與集中式處理終端10互連；每個(gè)分布式前端9具備傳 統(tǒng)有源相控陣天線(xiàn)的功能，在集中式處理終端10的指令控制下，首先通過(guò)子陣波束控制系 統(tǒng)4實(shí)現(xiàn)每個(gè)分布式前端9的波束掃描和與衛(wèi)星信號(hào)的對(duì)準(zhǔn)，然后若干個(gè)分布式前端9在 集中式處理終端10的子令控制下，實(shí)現(xiàn)分布式動(dòng)中通輕質(zhì)賦形天線(xiàn)的波束合成，完成與衛(wèi) 星的通信功能。
[0019] 當(dāng)動(dòng)中通天線(xiàn)工作時(shí)，初始狀態(tài)處于接收狀態(tài)。首先，光柵傳感器5實(shí)時(shí)測(cè)出每個(gè) 分布式前端9的位置角度信息，通過(guò)分布式光柵傳感網(wǎng)絡(luò)8把每個(gè)分布式前端9的位置角 度信息傳給集中式處理終端10。同時(shí)，集中式處理終端10結(jié)合自身接收到的信標(biāo)信號(hào)，在 集中式處理終端10的指令控制下，實(shí)時(shí)計(jì)算出每個(gè)分布式前端9的接收波束偏離衛(wèi)星方向 的角度信息，并通過(guò)分布式低頻信號(hào)網(wǎng)絡(luò)7發(fā)送給每個(gè)子陣波束控制系統(tǒng)4,計(jì)算出幅度和 相位補(bǔ)償碼，完成對(duì)每個(gè)分布式前端9的每個(gè)陣元的幅度和相位補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)每個(gè)分布式前 端9的接收波束與衛(wèi)星信號(hào)（電信號(hào)）的對(duì)準(zhǔn)。每個(gè)分布式天線(xiàn)子陣1將接收到的衛(wèi)星信 號(hào)，通過(guò)硅基集成收發(fā)芯片2完成衛(wèi)星信號(hào)的放大，經(jīng)電光/光電轉(zhuǎn)換芯片3轉(zhuǎn)換成光信 號(hào)，通過(guò)分布式光纖信號(hào)網(wǎng)絡(luò)6傳輸?shù)郊惺教幚斫K端10,最終實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)的接收。
[0020] 與此同時(shí)，當(dāng)動(dòng)中通天線(xiàn)處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，由于收發(fā)采用同一陣面（即均采用分 布式天線(xiàn)子陣1實(shí)現(xiàn)），所以每個(gè)分布式前端9的發(fā)射波束偏離衛(wèi)星方向的角度與每個(gè)分布 式前端9的接收波束偏離衛(wèi)星方向的角度是一致的，對(duì)每個(gè)分布式前端9的每個(gè)陣元的幅 度和相位補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償碼也與接收狀態(tài)一樣。具體實(shí)現(xiàn)方式是：集中式處理終端10發(fā)出指令 控制，通過(guò)分布式低頻信號(hào)網(wǎng)絡(luò)7傳送給子陣波束控制系統(tǒng)4,實(shí)現(xiàn)發(fā)射狀態(tài)下對(duì)每個(gè)分布 式前端9的每個(gè)陣元的幅度和相位補(bǔ)償，使每個(gè)分布式前端9的發(fā)射波束與衛(wèi)星信號(hào)對(duì)準(zhǔn)。 同時(shí)，集中式處理終端10發(fā)出的光信號(hào)通過(guò)分布式光纖信號(hào)網(wǎng)絡(luò)6傳送給電光/光電轉(zhuǎn)換 芯片3,轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并傳送給硅基集成收發(fā)芯片2進(jìn)行放大，再通過(guò)每個(gè)分布式天線(xiàn)子 陣1發(fā)射出去。
[0021] 通過(guò)上述操作，可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)動(dòng)中通天線(xiàn)的自動(dòng)捕獲并實(shí)時(shí)跟蹤衛(wèi)星，提 供高速、寬帶大容量的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)及高清晰的動(dòng)態(tài)視頻圖像等多媒體信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。
[0022] 參閱圖3,在動(dòng)中通天線(xiàn)的分布式前端9的構(gòu)造透視分解示意圖中，為了補(bǔ)償太陽(yáng) 能無(wú)人機(jī)大尺度機(jī)翼扭曲、搖擺等變形的影響，每個(gè)分布式前端9采用能與機(jī)翼蒙皮共形、 輕質(zhì)的有源相控陣天線(xiàn)，并由分布式天線(xiàn)子陣1，硅基集成收發(fā)芯片2、電光/光電轉(zhuǎn)換芯片 3、子陣波束控制系統(tǒng)4、以及光柵傳感器5組成。
[0023] 在具體設(shè)計(jì)中，分布式天線(xiàn)子陣1采用易于與機(jī)翼蒙皮共形的微帶天線(xiàn)12作為 輻射陣元，按8X8的矩形柵格進(jìn)行布陣，工作在Ka頻段，相鄰輻射陣元的單元間距取在 4mm?5mm之間，陣列口徑尺寸一般可以小于50mmX 50mmX 1. 2mm。因此，分布式天線(xiàn)子陣 1具有尺寸小、剖面低、輕質(zhì)的特點(diǎn)，能很好地適應(yīng)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)大尺度機(jī)翼扭曲、搖擺等變 形的影響，能與柔性大尺度機(jī)翼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)剛度匹配。同時(shí)在分布式天線(xiàn)子陣1的中心位置 集成了一個(gè)能實(shí)時(shí)測(cè)出分布式前端9位置角度信息的光柵傳感器5,位置角度信息包括章 動(dòng)角、自轉(zhuǎn)角和進(jìn)動(dòng)角，并由光柵傳感器5通過(guò)分布式光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)8傳給集中式處理終 端10,集中式處理終端10結(jié)合自身接收到的信標(biāo)信號(hào)，計(jì)算出分布式前端9的接收/發(fā)射 波束相對(duì)于衛(wèi)星信號(hào)偏離的角度。
[0024] 在分布式天線(xiàn)子陣1和硅基集成收發(fā)芯片2之間是射頻轉(zhuǎn)換電路，它由射頻轉(zhuǎn)換 電路上層基板14和射頻轉(zhuǎn)換電路下層基板15組成。射頻轉(zhuǎn)換電路上層基板14通過(guò)同軸 饋電探針13往上連接微帶天線(xiàn)12 ;射頻轉(zhuǎn)換電路下層基板15通過(guò)毛紐扣插針33往下連 接硅基集成收發(fā)芯片2的毛紐扣座子32。在射頻轉(zhuǎn)換電路上層基板14和射頻轉(zhuǎn)換電路下 層基板15之間是微帶傳輸線(xiàn)16,為了確保電信號(hào)等幅同相輸出，微帶傳輸線(xiàn)16采用"L"型 和"U"型兩種結(jié)構(gòu)，使六十四個(gè)同軸饋電探針13和六十四個(gè)毛紐扣插針33各自之間的微 帶傳輸線(xiàn)16等電尺寸，并--對(duì)應(yīng)互連，從而實(shí)現(xiàn)分布式天線(xiàn)子陣1的六十四個(gè)微帶天線(xiàn) 12與四塊硅基集成收發(fā)芯片2的電信號(hào)的傳輸。
[0025] 娃基集成收發(fā)芯片2以電光/光電轉(zhuǎn)換芯片3為中心，集成在娃基襯底18上，光 纖轉(zhuǎn)換口 19固聯(lián)在電光/光電轉(zhuǎn)換芯片3的中部。在硅基襯底18上集成了四塊一分十六 的硅基集成收發(fā)芯片2, 一個(gè)電光/光電轉(zhuǎn)換芯片3, 一個(gè)一分四的射頻功分網(wǎng)絡(luò)17, 一個(gè)低 頻信號(hào)網(wǎng)絡(luò)30和一個(gè)低頻座子31，以及十六個(gè)往上連接毛紐扣插針33的毛紐扣座子32。 在硅基襯底18上，低頻信號(hào)網(wǎng)絡(luò)30將四塊硅基集成收發(fā)芯片2的低頻信號(hào)線(xiàn)同時(shí)連接于 低頻座子31上，低頻座子31往下與子陣波束控制系統(tǒng)4的低頻座子29相連，通過(guò)子陣波 束控制系統(tǒng)4實(shí)現(xiàn)對(duì)四塊硅基集成收發(fā)芯片2的低頻信號(hào)的控制。硅基集成收發(fā)芯片2可 以采用0. 13um SiGe BiCOMS工藝設(shè)計(jì)，集成了功率放大器芯片、低噪聲放大器芯片、六位數(shù) 字移相器芯片、六位數(shù)字衰減器芯片、薄膜濾波器、以及射頻開(kāi)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)有源相控陣 天線(xiàn)的TR組件功能，即可完成十六通道的電信號(hào)的放大、收發(fā)、以及電信號(hào)的幅度和相位 控制。硅基集成收發(fā)芯片2的特點(diǎn)是集成度高、體積尺寸小，能很好地實(shí)現(xiàn)分布式前端9的 輕質(zhì)設(shè)計(jì)。
[0026] -分四的射頻功分網(wǎng)絡(luò)17將四塊娃基集成收發(fā)芯片2和一塊電光/光電轉(zhuǎn)換芯 片3互連在一起，并通過(guò)電光/光電轉(zhuǎn)換芯片3的光纖轉(zhuǎn)換口 19往下穿過(guò)子陣波束控制系 統(tǒng)4的通孔24,實(shí)現(xiàn)了與集中式處理終端10的分布式光纖信號(hào)網(wǎng)絡(luò)6的互連，從而可以完 成分布式前端9的電信號(hào)的發(fā)射與接收。例如在發(fā)射狀態(tài)，集中式處理終端10發(fā)出光信號(hào)， 經(jīng)分布式光纖信號(hào)網(wǎng)絡(luò)6,并由子陣波束控制系統(tǒng)4的通孔24傳送到電光/光電轉(zhuǎn)換芯片 3的光纖轉(zhuǎn)換口 19,傳給電光/光電轉(zhuǎn)換芯片3轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，再經(jīng)一分四的射頻功分網(wǎng)絡(luò) 17分發(fā)給四塊一分十六的硅基集成收發(fā)芯片2,由硅基集成收發(fā)芯片2的毛紐扣座子32輸 出，變成六十四路電信號(hào)，依次通過(guò)毛紐扣插針33、微帶傳輸線(xiàn)16、以及同軸饋電探針13， 最終傳送到分布式天線(xiàn)子陣1的六十四個(gè)微帶天線(xiàn)12,實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的發(fā)射。對(duì)于接收狀態(tài)， 過(guò)程則逆之。
[0027] 在子陣波束控制系統(tǒng)4的基板上，設(shè)有通過(guò)低頻信號(hào)線(xiàn)21相連于DSP芯片20的 FPGA芯片22和通過(guò)低頻信號(hào)線(xiàn)26相連的低頻座子29,驅(qū)動(dòng)電源27的能量供給來(lái)源于太 陽(yáng)能板11，并通過(guò)電源線(xiàn)25給FPGA芯片22供電和通過(guò)電源線(xiàn)28給DSP芯片20供電。上 述低頻座子29往上相連于硅基襯底18上的低頻座子31，完成對(duì)硅基集成收發(fā)芯片2的六 位數(shù)字移相器和六位數(shù)字衰減器的控制，從而實(shí)現(xiàn)每個(gè)分布式前端9的波束形成和與衛(wèi)星 信號(hào)的對(duì)準(zhǔn)。子陣波束控制系統(tǒng)4的低頻座子23通過(guò)分布式低頻信號(hào)網(wǎng)絡(luò)7往下相連于 集中式處理終端10,實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式前端9的波束控制。
[0028] 為實(shí)現(xiàn)小尺寸，重量小于270g，能自然散熱，無(wú)需輔助散熱實(shí)施，分布式前端9的 總口徑尺寸可以采用小于50mmX50mmX25mm的尺寸，并用能滿(mǎn)足太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)大尺度機(jī) 翼載荷量輕的輕質(zhì)材料制備。為確保分布式前端9能長(zhǎng)時(shí)、可靠地工作，分布式前端9的每 個(gè)通道輸出功率為20mw?25mw，該分布式前端9在±60度掃描范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)EIRP值大 于19dB麗，G/T值大于-7dB/K的技術(shù)指標(biāo)。
【權(quán)利要求】
1. 一種分布式動(dòng)中通輕質(zhì)賦形天線(xiàn)，包括采用分布式布局在機(jī)翼上，線(xiàn)陣排列的太陽(yáng) 能板（11)和位于太陽(yáng)能板（11)兩側(cè)排列的分布式前端（9)，以及位于機(jī)身航向上的集中式 處理終端（10)，其特征在于：每個(gè)分布式前端（9)包括圍繞硅基集成收發(fā)芯片（2)電連接 的分布式天線(xiàn)子陣（1)、電光/光電轉(zhuǎn)換芯片（3)、子陣波束控制系統(tǒng)（4)和實(shí)時(shí)探測(cè)每個(gè) 分布式前端（9)位置角度信息的光柵傳感器（5);若干個(gè)分布式前端（9)通過(guò)嵌入在機(jī)翼 蒙皮里面的分布式光纖信號(hào)網(wǎng)絡(luò)￠)、分布式低頻信號(hào)網(wǎng)絡(luò)（7)和分布式光柵傳感器網(wǎng)絡(luò) (8)與集中式處理終端（10)互連；每個(gè)分布式前端（9)具備傳統(tǒng)有源相控陣天線(xiàn)的功能， 在集中式處理終端（10)的指令控制下，首先通過(guò)子陣波束控制系統(tǒng)（4)實(shí)現(xiàn)每個(gè)分布式前 端（9)的波束掃描和與衛(wèi)星信號(hào)的對(duì)準(zhǔn)，若干個(gè)分布式前端（9)在集中式處理終端（10)的 子令控制下，實(shí)現(xiàn)分布式動(dòng)中通輕質(zhì)賦形天線(xiàn)的波束合成，完成與衛(wèi)星的通信功能。
2. 如權(quán)利要求1所述的分布式動(dòng)中通輕質(zhì)賦形天線(xiàn)，其特征在于：在接收狀態(tài)，光柵 傳感器（5)實(shí)時(shí)測(cè)出每個(gè)分布式前端（9)的位置角度信息，通過(guò)分布式光柵傳感網(wǎng)絡(luò)（8) 把每個(gè)分布式前端（9)的位置角度信息傳給集中式處理終端（10)。
3. 如權(quán)利要求2所述的分布式動(dòng)中通輕質(zhì)賦形天線(xiàn)，其特征在于：集中式處理終端 (10)結(jié)合自身接收到的信標(biāo)信號(hào)，實(shí)時(shí)計(jì)算出每個(gè)分布式前端（9)的接收波束偏離衛(wèi)星方 向的角度信息，通過(guò)分布式低頻信號(hào)網(wǎng)絡(luò)（7)發(fā)送給每個(gè)子陣波束控制系統(tǒng)（4)，計(jì)算出每 個(gè)分布式前端（9)的每個(gè)陣元的幅度和相位補(bǔ)償碼，完成對(duì)每個(gè)分布式前端（9)的每個(gè)陣 元的幅度和相位補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)每個(gè)分布式前端（9)的接收波束與衛(wèi)星信號(hào)的對(duì)準(zhǔn)。
4. 如權(quán)利要求1所述的分布式動(dòng)中通輕質(zhì)賦形天線(xiàn)，其特征在于：每個(gè)分布式天線(xiàn)子 陣（1)接收到的衛(wèi)星信號(hào)，通過(guò)硅基集成收發(fā)芯片（2)完成衛(wèi)星信號(hào)的放大，經(jīng)電光/光電 轉(zhuǎn)換芯片（3)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過(guò)分布式光纖信號(hào)網(wǎng)絡(luò)（6)傳輸?shù)郊惺教幚斫K端（10)，最 終實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)的接收。
5. 如權(quán)利要求4所述的分布式動(dòng)中通輕質(zhì)賦形天線(xiàn)，其特征在于：集中式處理終端 (10)發(fā)出的光信號(hào)通過(guò)分布式光纖信號(hào)網(wǎng)絡(luò)（6)傳送給電光/光電轉(zhuǎn)換芯片（3)，轉(zhuǎn)換成 電信號(hào)，并傳送給硅基集成收發(fā)芯片（2)進(jìn)行放大，再通過(guò)每個(gè)分布式天線(xiàn)子陣（1)發(fā)射出 去。
6. 如權(quán)利要求1所述的分布式動(dòng)中通輕質(zhì)賦形天線(xiàn)，其特征在于：在分布式天線(xiàn)子陣 ⑴和硅基集成收發(fā)芯片⑵之間電連接有射頻轉(zhuǎn)換電路，射頻轉(zhuǎn)換電路由射頻轉(zhuǎn)換電路 上層基板（14)和射頻轉(zhuǎn)換電路下層基板（15)組成；射頻轉(zhuǎn)換電路上層基板（14)通過(guò)同軸 饋電探針（13)往上連接微帶天線(xiàn)（12);射頻轉(zhuǎn)換電路下層基板（15)通過(guò)毛紐扣插針（33) 往下連接硅基集成收發(fā)芯片（2)的毛紐扣座子（32)。
7. 如權(quán)利要求5所述的分布式動(dòng)中通輕質(zhì)賦形天線(xiàn)，其特征在于：在射頻轉(zhuǎn)換電路上 層基板（14)和射頻轉(zhuǎn)換電路下層基板（15)之間是微帶傳輸線(xiàn)（16)，為了確保電信號(hào)等幅 同相輸出，微帶傳輸線(xiàn)（16)采用"L"型和"U"型兩種結(jié)構(gòu)，使六十四個(gè)同軸饋電探針（13) 和六十四個(gè)毛紐扣插針（33)各自之間的微帶傳輸線(xiàn)（16)等電尺寸，并一一對(duì)應(yīng)互連，從而 實(shí)現(xiàn)分布式天線(xiàn)子陣（1)的六十四個(gè)微帶天線(xiàn)（12)與四塊硅基集成收發(fā)芯片（2)的電信 號(hào)的傳輸。
8. 如權(quán)利要求1所述的分布式動(dòng)中通輕質(zhì)賦形天線(xiàn)，其特征在于：硅基集成收發(fā)芯片 ⑵以電光/光電轉(zhuǎn)換芯片（3)為中心，集成在娃基襯底（18)上，光纖轉(zhuǎn)換口（19)固聯(lián)在 電光/光電轉(zhuǎn)換芯片（3)的中部。
9. 如權(quán)利要求1所述的分布式動(dòng)中通輕質(zhì)賦形天線(xiàn)，其特征在于：在硅基襯底（18)上 集成了四塊一分十六的硅基集成收發(fā)芯片（2)，一個(gè)電光/光電轉(zhuǎn)換芯片（3)，一個(gè)一分四 的射頻功分網(wǎng)絡(luò)（17)，一個(gè)低頻信號(hào)網(wǎng)絡(luò)（30)和一個(gè)低頻座子（31)，以及十六個(gè)往上連接 毛紐扣插針（33)的毛紐扣座子（32);其中，低頻信號(hào)網(wǎng)絡(luò)（30)將四塊硅基集成收發(fā)芯片 (2)的低頻信號(hào)線(xiàn)同時(shí)連接于低頻座子（31)上，低頻座子（31)往下與子陣波束控制系統(tǒng) (4)的低頻座子（29)相連，通過(guò)子陣波束控制系統(tǒng)（4)實(shí)現(xiàn)對(duì)四塊硅基集成收發(fā)芯片（2) 的低頻信號(hào)的控制。
10. 如權(quán)利要求1所述的分布式動(dòng)中通輕質(zhì)賦形天線(xiàn)，其特征在于：在子陣波束控制 系統(tǒng)（4)的基板上，設(shè)有通過(guò)低頻信號(hào)線(xiàn)（21)相連于DSP芯片（20)的FPGA芯片（22)和 通過(guò)低頻信號(hào)線(xiàn)（26)相連的低頻座子（29)，驅(qū)動(dòng)電源（27)的能量供給來(lái)源于太陽(yáng)能板 (11)，并通過(guò)電源線(xiàn)（25)給FPGA芯片（22)和通過(guò)電源線(xiàn)（28)給DSP芯片（20)供電。
【文檔編號(hào)】H01Q21/00GK104092485SQ201410238539
【公開(kāi)日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】何慶強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所