[发明专利]一种用于低轨航天器的低成本透明相控阵天线

说明书

本发明公开了一种用于低轨航天器的低成本透明相控阵天线，属于天线技术领域。该天线包括太阳帆板、接收相控阵天线阵面、发射相控阵天线阵面、接收天线电路、发射天线电路，其中，接收相控阵天线阵面为透明结构设置于太阳帆板的向光面上方用于接收信号，与太阳帆板之间具有间隙；发射相控阵天线阵面为透明结构设置于太阳帆板的向光面上方用于发射信号，与太阳帆板之间具有间隙；接收天线电路设置于太阳帆板的背光面上并与接收相控阵天线阵面连接；发射天线电路设置于太阳帆板的背光面上并与发射相控阵天线阵面连接。本发明的天线通过与太阳帆板集成设计，提高了天线的辐射能力，从而增强了低轨航天器的通信载荷能力。

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种用于低轨航天器的低成本透明相控阵天线。

背景技术

航天器在低轨道运转时，其对地通信具有传输时延短、路径损耗小的优点，例如，目前的移动卫星通信(铱星和全球星系统等)、天基物联网均是采用LEO(低轨)卫星。如果将低轨航天器与GEO(高轨)卫星之间建立星间传输链路，可以提高低轨航天器对地球的通信覆盖范围。随着地面业务需求的增加，对低轨航天器通信载荷的需求将由过去的单一工作模式过渡到多任务模式。这种业务需求的变化对低轨航天器通信载荷的要求是，航天器上的天线数量需要增加，并提升天线波束增益。而低轨航天器上的空间有限，采用传统天线设计方法，在狭小的空间范围内安装多付天线、提高天线增益存在技术难度。

因此为了提高低轨航天器天线的通信能力，科研人员提出利用航天器的太阳帆板与天线进行集成设计。在太阳能电池帆板上设计天线，主要有以下几种方式:(1)利用太阳能电池帆板上电池模块之间的安装缝隙，设计缝隙天线单元，必要时形成缝隙天线阵列。这种缝隙天线单元或者阵列是与太阳能电池模块共面放置的，参见Stefano Vaccaro等发表的论文：“Two Advanced Solar Antenna‘SOLANT’Designs for Satellite andTerrestrial Communications”，IEEE Transactions on Antennas and Propagation,Vol.15,No.8,2003,pp.2028-2034.这种方法的问题是，缝隙天线单元在组阵应用时，受限于太阳能电池模块的尺寸大小，可能造成单元间距大于半波长而出现方向图旁瓣；(2)在太阳能电池帆板的电池单元表面，采用导电薄膜印刷或者喷墨印刷技术形成网格化的微带天线，太阳光能够透过天线表面网格进入电池单元，参见Taha Yekan等发表的论文：“Conformal Integrated Solar Panel Antennas”,IEEE Antennas and PropagationMagazine,Vol.4,2017,pp.69-78.这种方法的问题是，太阳能电池模块对其表面上的网格状天线造成不可忽略的影响，难以对天线进行独立设计；(3)将太阳能电池模块放置在传统微带天线表面上，通过孔径耦合的方法对微带天线馈电，参见Thomas R.Jones等发表的论文：“Solar Panel Integrated Circular Polarized Aperture-Coupled Patch Antennafor CubeSat Applications”,IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,Vol.17,No.10,2018,pp.1895-1899.这种方法的问题是，微带天线大小受限于太阳能电池模块的尺寸，难以组阵应用和圆极化设计。

此外，申请号为201710080201.0的中国专利公开了一种航天器太阳能帆板共形天线，该专利中，将太阳能帆板的大面积基板作为天线底板，在太阳能帆板背面设计天线阵；以及，申请号为202010182993.4的中国专利公开了一种与太阳帆板共型设计的星载平面反射阵天线，同样是将天线阵面设置在太阳帆板的背面。然而，将天线阵面设置在太阳帆板背面时，虽然提高了天线的辐射面积，但在天线工作时，太阳帆板的金属基板对信号会有一定的干扰作用，从而影响卫星通信质量。