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構，并通過設有的同軸線(1)進行饋電；其特征在于，所述同軸線(1)的底端穿設一圓錐形反射杯(3)，該圓錐形反射杯(3)的底部設有凹孔(4)。本發(fā)明的衛(wèi)星數(shù)傳天線通過設有圓錐形反射杯，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，通過設計螺旋天線參數(shù)，能夠使天線在要求的波束范圍內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

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及航天工程【技術領域】，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】
[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構，并通過設有的同軸線進行饋電；所述同軸線的底端穿設一圓錐形反射杯，該圓錐形反射杯的底部設有凹孔，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]作為上述技術方案的進一步改進，所述同軸線內導體的頂端焊接于其外導體的內壁上，該外導體的頂端開設有兩個對稱的凹槽作為衛(wèi)星數(shù)傳天線的巴倫結構，所述衛(wèi)星數(shù)傳天線中設有的兩條螺旋線對稱的焊接于外導體的頂端，以形成對兩條螺旋線兩臂的等幅、反相饋電。
[0006]作為上述技術方案的進一步改進，所述同軸線頂端開設的凹槽深度為中心波長的一半。
[0007]作為上述技術方案的進一步改進，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，通過設計螺旋天線參數(shù)，能夠使天線在要求的波束范圍(±70° )內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)傳天線結構示意圖。
[0011]圖2為本發(fā)明實施例中的圓錐形反射杯的結構示意圖。
[0012]圖3為未設有圓錐形反射杯的寬波束數(shù)傳天線方向圖。
[0013]圖4為設有圓錐形反射杯的寬波束數(shù)傳天線方向圖。
[0014]附圖標記
[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)傳天線本體結構如圖1所示，該衛(wèi)星數(shù)傳天線采用雙螺旋天線結構，并通過設有的同軸線I進行饋電，饋電在天線頂端。
[0019]在本實施例中，所述同軸線內導體的頂端焊接于其外導體的內壁上，該外導體的頂端可開設有兩個對稱的凹槽作為衛(wèi)星數(shù)傳天線的巴倫結構，所述衛(wèi)星數(shù)傳天線中設有的兩條螺旋線對稱的焊接于外導體的頂端，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)傳天線的結構，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?；蜉S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傳播常數(shù)相關的漏波輻射特性工作的，當工作頻率改變時，其輻射主瓣可從背射向側射方向變化。
[0021]螺旋的復傳播常數(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為復傳播常數(shù)實部、β i復傳播常數(shù)虛部、Z為坐標Z軸；當波束被很強激勵時，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，如果適當控制復傳播常數(shù)實部βρ即可逼近預定的波束最大指向，同時控制其虛部可達到預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的底端穿設一圓錐形反射杯3，如圖2所示，該圓錐形反射杯的底部設有凹孔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，利用上述設有圓錐形反射杯的天線進行測量結果與圖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)傳天線的結構，進行天線設計的操作步驟為: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)來調整設計凹孔的深度，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))，初始設置時，假定相位中心在天線頂端，凹孔的直徑可設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計參數(shù)。
[0028]最后，考慮力學特性，設計天線的機械加工模型，模型導入力學分析軟件進行力學性能分析，如果不滿足要求，修改機械結構，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]最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
【權利要求】
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構，并通過設有的同軸線(I)進行饋電；其特征在于，所述同軸線(I)的底端穿設一圓錐形反射杯(3)，該圓錐形反射杯(3)的底部設有凹孔(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)內導體的頂端焊接于其外導體的內壁上，該外導體的頂端開設有兩個對稱的凹槽作為衛(wèi)星數(shù)傳天線的巴倫結構，所述衛(wèi)星數(shù)傳天線中設有的兩條螺旋線(2)對稱的焊接于外導體的頂端，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)頂端開設的凹槽深度為中心波長的一半。
4.根據(jù)權利要求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:中國科學院空間科學與應用研究中心