[发明专利]太阳能电池与缝隙天线集成一体化装置

说明书

本发明公开了太阳能电池与缝隙天线集成一体化装置，包括缝隙天线、太阳能电池、金属地板、介质基板与微带线；所述金属地板位于介质基板之上，金属地板上设置缝隙天线，介质基板下方覆微带线用于为缝隙天线馈送能量，微带线与缝隙天线形成电磁耦合从而产生电磁辐射；太阳能电池位于金属地板的上方且太阳能电池不覆盖缝隙天线，缝隙天线贯穿太阳能电池和金属地板；所述金属地板作为缝隙天线和太阳能电池的共用地平面。解决在微纳卫星有限的表面积上太阳能电池与天线系统相互争夺空间资源的问题，并减少卫星体积，降低卫星重量，增大太阳能电池受光面积。

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，涉及一种用于立体微纳卫星上的太阳能电池与缝隙天线集成一体化装置。

背景技术

微纳卫星是目前航天科学与空间技术领域研究的热点，由于具有体积小、功耗低、开发周期短和可编队组网的特点，微纳卫星能够以较低的成本完成很多复杂的空间任务。但由于受到体积和质量限制，微纳卫星的载荷能力有限，功能和在轨任务均较为单一。目前，太阳能电池和天线系统总共占据微纳卫星重量的1/4到1/3，并且太阳能电池和天线系统各自独立设计，二者互相争夺着卫星上极其有限的空间资源。

微纳卫星上常用天线有偶极子天线、四臂螺旋天线、微带贴片天线、缝隙天线；其中四臂螺旋天线在微纳卫星上最常用，但由于其体积和重量都较大，不利于卫星的小型化和轻量化；微带贴片天线具有占用空间小、便于与面状承载物集成、容易形成阵列等优势，在微纳卫星上也时有应用；缝隙天线可以无突出地做在金属平面上，易于圆极化，易组成阵列天线，可实现较高增益和良好的方向性，在高速飞行器上有广泛应用。

随着科技水平的提高，太阳能电池新材料、新技术不断涌现，目前硅系太阳能电池在市场上仍然占据主导地位，多元化合物太阳能电池材料光电转换效率高，已在空间领域崭露头角，发展潜力巨大。

中国专利公开了一种“太阳能电池集成天线的装置”(专利号：201010537602.2)。该装置采用贴片天线与太阳能电池集成的方式，贴片天线和太阳能电池共用地平面，太阳能电池半导体基底包括底部N型区、P型区和高阻区，贴片天线单元位于高阻区上方，太阳能电池顶电极位于N型区上方。

发明人对现有技术研究发现，太阳能电池集成贴片天线的装置对太阳能电池结构的要求较苛刻，使其在实际应用中会受到诸多限制，该装置仅适用于太阳能电池是单个PN结的情况，并不适用于效率较高的多个PN结太阳能电池、多元化合物太阳能电池材料及发展较快的各种新型太阳能电池材料。因为多元化合物太阳能电池除了基底的三个层区外，还有许多必须的其他材料层。贴片天线本身面积就比较大，将金属贴片嵌入到太阳能电池中，太阳能电池的导电层包围金属贴片，当金属贴片辐射电磁波时，金属贴片会与周围的导电层产生电磁耦合，必然影响贴片天线的辐射性能。为了消除耦合效应，需要金属贴片与导电层相隔很大的距离。金属贴片本身具有的较大面积，再加上与导电层之间所必须的很大间隔，二者会使太阳能电池损失很大的受光面积。而太阳能电池工作时，会产生很大的热量，必然造成金属贴片工作于较高的温度下，这会大幅度降低天线性能尤其是天线辐射效率。此外，该装置结构较复杂，对太阳能板先开孔再安装馈线的方法，使制作过程繁琐，增加制造成本。

另外，发明人在对缝隙天线和太阳能电池中的研究中还发现，微带缝隙天线和太阳能电池具有相似的层状结构。微带缝隙天线由一定介电常数的介质基板、位于介质基板上方的带有缝隙的金属地板和位于介质基板下方的微带馈电线构成，而太阳能电池可以使用金属基板作为衬底，并用作太阳能电池的一个输出电极。如果将微带缝隙天线的金属地板用作太阳能电池的衬底，缝隙天线与太阳能电池共用接地板，实现天线与太阳能电池的融合，能够在满足卫星通信的情况下，增大太阳能电池的受光面积，而卫星供电系统和电磁辐射系统的融合有利于卫星的小型化、轻量化发展。

发明内容

为了达到上述目的，本发明提供一种太阳能电池与缝隙天线集成一体化装置，解决在微纳卫星有限的表面积上太阳能电池与天线系统相互争夺空间资源的问题，并减少卫星体积，降低卫星重量，增大太阳能电池受光面积。