一种具有高辐射效率的小型S波段无源相控阵天线

摘要

一种具有高辐射效率的小型S波段无源相控阵天线，包括电源模块、4W功放模块、滤波器模块、波束控制模块、移相器模块、天线阵列；电源模块为4W功放模块、波束控制模块、移相器模块提供电源，4W功放模块将射频信号放大，滤波器模块用于抑制带外干扰及杂波，波束控制模块负责根据用户星的GPS位置信息和姿态信息计算相控阵天线波束指向，移相器模块控制输出信号的相位，天线阵列将信号传送输出。本发明可实现一种具有大扫描范围、波束可控、高增益、低功耗、小型化的相控阵天线，通过波束控制模块控制天线波束的指向。

主权项

一种具有高辐射效率的小型S波段无源相控阵天线，其特征在于包括：电源模块、功放模块、滤波器模块、波束控制模块、移相器模块和天线阵列；电源模块为功放模块、波束控制模块和移相器模块提供电源，功放模块将输入的S波段射频信号放大，之后送入滤波器模块进行滤波，抑制放大后的射频信号的带外干扰及杂波，滤波之后的射频信号送入移相器模块；波束控制模块根据CAN总线发送过来的GPS定位信息和卫星姿态信息计算相控阵天线的波束指向，得到方位角和俯仰角，并根据方位角和俯仰角选择出满足当前指向角度的天线波束，输出该天线波束的射频开关片选信号至移相器模块，所述天线波束共有29种；移相器模块将所述S波段射频信号进行功率等分，再根据输入的所述射频开关片选信号，输出具有不同相位信息的4路射频信号给天线阵列，天线阵列将信号传送输出；所述移相器模块包括1个一分四的功分器与4个时延网络；功分器将所述S波段射频信号等分成四路送至四个时延网络，时延网络根据波束控制模块传输过来的所述射频开关片选信号，选择某一时延通路输出射频信号至天线阵列；时延网络包括1个单刀四掷开关和4个微带时延线，每个微带时延线的端口输出具有不同的时延，单刀四掷开关根据所述射频开关片选信号，通过选择不同的端口输出实现不同的相移，所述4个微带时延线的时延依次为0°、100°、140°和200°；所述波束控制模块根据CAN总线发送过来的GPS定位信息和用户星姿态信息计算相控阵天线的波束指向，得到方位角和俯仰角具体为：(1)将CAN总线发送过来的GPS定位信息转换为J2000.0惯性坐标系下的定位信息，J2000.0惯性坐标系下的定位信息包括用户星位置信息矢量和用户星速度信息矢量为(2)根据用户星位置信息矢量和中继星位置信息矢量根据公式求出J2000.0惯性系下用户星到中继星的矢量(3)根据公式计算用户星轨道坐标系下的指向矢量其中，为转换矩阵，且有$R_{YH}=\left[\begin{array}{c}\hat{x}\\ \hat{y}\\ \hat{z}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\hat{y}\times \hat{z}\\ \frac{\overrightarrow{v_s}\times \overrightarrow{r_s}}{|\overrightarrow{v_s}\times \overrightarrow{r_s}|}\\ -\frac{\overrightarrow{r_s}}{\left|\overrightarrow{r_s}\right|}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{z_s^2{\stackrel{·}{x}}_s-x_s{z}_s\stackrel{·}{z_s}-x_s{y}_s\stackrel{·}{y_s}+y_s^2\stackrel{·}{x_s}}{\left|\overrightarrow{r_s}\right||\overrightarrow{v_s}\times \overrightarrow{r_s}|}& \frac{x_s^2{\stackrel{·}{y}}_s-x_s{y}_s\stackrel{·}{x_s}-y_s{z}_s\stackrel{·}{z_s}+z_s^2\stackrel{·}{y_s}}{\left|\overrightarrow{r_s}\right||\overrightarrow{v_s}\times \overrightarrow{r_s}|}& \frac{y_s^2{\stackrel{·}{z}}_s-z_s{y}_s\stackrel{·}{y_s}-z_s{y}_s\stackrel{·}{y_s}+x_s^2\stackrel{·}{z_s}}{\left|\overrightarrow{r_s}\right||\overrightarrow{v_s}\times \overrightarrow{r_s}|}\\ \frac{z_s\stackrel{·}{y_s}-y_s\stackrel{·}{z_s}}{|\overrightarrow{v_s}\times \overrightarrow{r_s}|}& \frac{x_s\stackrel{·}{z_s}-z_s\stackrel{·}{x_s}}{|\overrightarrow{v_s}\times \overrightarrow{r_s}|}& \frac{y_s\stackrel{·}{x_s}-x_s\stackrel{·}{y_s}}{|\overrightarrow{v_s}\times \overrightarrow{r_s}|}\\ -\frac{x_s}{\left|\overrightarrow{r_s}\right|}& -\frac{y_s}{\left|\overrightarrow{r_s}\right|}& -\frac{z_s}{\left|\overrightarrow{r_s}\right|}\end{array}\right],$为用户星在J2000.0惯性系下速度矢量，x_s,y_s,z_s为用户星在J2000.0惯性系下位置矢量；分别为用户星在J2000.0惯性系下三个方向上的速度单位向量，分别由x_s,y_s,z_s对时间求导得到；(4)根据用户星姿态信息和公式计算在用户星本体坐标系下用户星到中继卫星的指向矢量其中，R_Zs(ψ)表示绕Z_s轴旋转ψ、R_Xs(φ)表示绕X_s轴旋转φ、R_Ys(θ)表示绕Y_s轴旋转θ；ψ、φ、θ分别表示用户星偏航角、滚动角、俯仰角；(5)根据公式计算在天线阵列本体坐标系下用户星到中继卫星的指向矢量即绕X轴旋转180°，绕Z轴旋转180°度；(6)根据公式计算在天线阵列本体坐标系下用户星到中继卫星指向矢量的指向角度，即俯仰角和方位角λ，其中x_a、y_a、z_a分别为在天线阵列本体坐标系下用户星到中继卫星的指向矢量在三个方向上的单位向量。