一种相控阵发射多波束天线系统的制作方法

1.本发明涉及一种相控阵发射多波束天线系统，提升了相控阵多波束天线使用灵活性，可用于各类无线通信特别是卫星通信系统，属于电磁辐射技术领域。


背景技术：

2.相控阵波束能够实现卫星对地全视场扫描，波束跳变范围大；并且具备指向捷变能力，不同时间控制波束形成网络的不同权值，可以实现波束的动态跳变功。因此针对具有广域、稀疏和多样分布特点的终端，具有“多波束、波束跟踪、波束捷变、波束驻留、波束重构、波束调零”等灵活特性的相控阵多波束天线是天线的研究热点。
3.不同于雷达系统，通信系统有其自身特点，因此对于相控阵天线的要求是不同的：
4.1)通信系统为全双工体制，因此对于收发隔离有很高的要求；
5.2)通信系统一般为多载波工作，且为了提高通信速率，需采用高阶调制方式，因此需严格控制功率放大器的非线性产物。
6.传统的相控阵发射多波束天线主要采用功率回退的方式来满足通信系统对于天线系统线性度、隔离度的要求，这种相控阵多波束天线系统架构的波束灵活性十分有限，极大限制了相控阵多波束天线在通信卫星系统中的应用。


技术实现要素：

7.本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供了一种“频分 空分 极化分”的相控阵多波束天线系统架构，解决了通信系统对于天线系统线性度、隔离度的要求，极大地提升了相控阵发射多波束相控阵天线在卫星通信系统中使用的灵活性。
8.本发明的技术方案为：一种相控阵发射多波束天线系统，其特征在于包括：双极化天线阵列、多工放大器阵列、多波束合路器阵列和多波束功分网络；
9.双极化天线阵列用于辐射两个正交极化的电磁波；
10.多工放大器阵列用于不同频率电磁波信号功率的放大，并输出到双极化天线阵列，不同频率的波束使用不同的功率放大器，双极化天线阵列中的所有天线单元均参与自由空间电磁波的增益合成；
11.多波束合路器阵列用于各波束电磁波信号幅度和相位的调整，通过调整多波束合路器阵列中不同波束的电磁波幅度和相位分布，实现所有波束在自由空间的扫描及形状调整及同频同极化波束在自由空间中的合理分布；
12.多波束功分网络用于输入电磁波信号的功率分配，将输入的电磁波信号等副同相分配后通过多波束合路器阵列、多工放大器阵列以特定的频率、幅度和相位分布输出到双极化天线阵列中的不同天线单元。
13.双极化天线阵列由天线辐射单元和极化器构成，可辐射双线极化或双圆极化电磁波。
14.多工放大器阵列由多工器组件和放大器组件组成，多工器组件不同频率输入口连
接对应频率的功率放大器，不同频率输出的功率通过多工器输出口输出至与双极化阵列。
15.多波束合路器阵列由合路器组件和移相衰减器组件组成，不同波束、不同频率的电磁波信号通过各自波束的移相衰减器组件进行幅度和相位控制，同时不同波束、同一频率的电磁波信号再通过相应的合路器组件输出至对应频率的多工放大器阵列输入口。
16.多波束功分网络由多个功分网络组成，将每个波束的电磁波信号按照等副同相的方式输出至多波束合路器阵列。
17.双极化天线阵列、多工放大器阵列、多波束合路器阵列与多波束功分网络构成的系统用于多个异频、同频、异极化、同极化发射波束的组合。
18.双极化天线阵列、多波束合路器阵列与多波束功分网络构成的系统用于多个同频、异极化发射波束。
19.所述天线系统工作流程如下：
20.1)不同波束的电磁波信号馈入到多波束功分网络，所有波束均输出n路等副同相的信号；
21.2)将工作步骤1)中同一波束的n路等副同相信号与多波束合路器阵列中对应波束的移相衰减器组件连接，并将同一频率、同一阵列单元的电磁波信号通过合路器合成后送至多工放大器阵列同一频率的放大器；
22.3)将工作步骤2)中不同频率的电磁波信号通过多工器放大阵列中的多工器组件输出到双极化天线阵列并最终辐射至自由空间。
23.本发明与现有技术相比的优点在于：
24.(1)对于异频波束，通过多工频分的架构可以保证天线阵列所有天线单元均参与每个发射波束的空间增益合成，从而降低了每个波束的功耗，同时又可以避免有源互调产物的产生影响载荷系统内的其他低增益天线，异频波束间的交调抑制大于80dbc；
25.(2)对于同频通同极化波束，通过空分的架构避免主瓣混叠和副瓣干扰，同频波束之间的c/i大于12db；
26.(3)对于同频异极化波束，通过极化分的架构避免同频干扰，极化隔离度大于20db。
附图说明
27.图1是16波束发射相控阵系统架构图。
28.图2是频分四工器的仿真结果。
29.图3是同频同极化波束的空间隔离仿真结果。
具体实施方式
30.本发明具有广域、稀疏和多样分布特点的终端，具有“多波束、波束跟踪、波束捷变、波束驻留、波束重构、波束调零”等灵活特性的相控阵多波束天线是天线的研究热点。传统的相控阵发射多波束天线主要采用功率回退的方式来满足通信系统对于天线系统线性度、隔离度的要求，这种相控阵多波束天线系统架构的波束灵活性十分有限，极大限制了相控阵多波束天线在通信卫星系统中的应用。因此亟需开展新型的相控阵发射多波束天线系统设计。
31.本发明一种相控阵发射多波束天线系统，包括：双极化天线阵列1、多工放大器阵列2、多波束合路器阵列3和多波束功分网络4；
32.双极化天线阵列1用于辐射两个正交极化的电磁波；
33.多工放大器阵列2用于不同频率电磁波信号功率的放大，并输出到双极化天线阵列1，不同频率的波束使用不同的功率放大器，双极化天线阵列1中的所有天线单元均参与自由空间电磁波的增益合成。
34.多波束合路器阵列3用于各波束电磁波信号幅度和相位的调整，通过调整多波束合路器阵列3中不同波束的电磁波幅度和相位分布，实现所有波束在自由空间的扫描及形状调整及同频同极化波束在自由空间中的合理分布；
35.多波束功分网络4用于输入电磁波信号的功率分配，将输入的电磁波信号等副同相分配后通过多波束合路器阵列3、多工放大器阵列2以特定的频率、幅度和相位分布输出到双极化天线阵列1中的不同天线单元；
36.系统工作流程如下：
37.(一)不同波束的电磁波信号馈入到多波束功分网络4，所有波束均输出n路等副同相的信号；
38.(二)将工作流程(一)中同一波束的n路等副同相信号与多波束合路器阵列3中对应波束的移相衰减器组件连接，并将同一频率、同一阵列单元的电磁波信号通过合路器合成后送至多工放大器阵列2同一频率的放大器；
39.(三)将工作流程(二)中不同频率的电磁波信号通过多工器放大阵列2中的多工器组件输出到双极化天线阵列并最终辐射至自由空间。
40.双极化天线阵列1由天线辐射单元和极化器构成，可辐射双线极化或双圆极化电磁波。
41.多工放大器阵列2由多工器组件和放大器组件组成，多工器组件不同频率输入口连接对应频率的功率放大器，不同频率输出的功率通过多工器输出口输出至与双极化阵列。
42.多波束合路器阵列3由合路器组件和移相衰减器组件组成，不同波束、不同频率的电磁波信号通过各自波束的移相衰减器组件进行幅度和相位控制，同时不同波束、同一频率的电磁波信号再通过相应的合路器组件输出至对应频率的多工放大器阵列2输入口。
43.多波束功分网络4由多个功分网络组成，将每个波束的电磁波信号按照等副同相的方式输出至多波束合路器阵列3。
44.双极化天线阵列1、多工放大器阵列2、多波束合路器阵列3与多波束功分网络4构成的系统用于多个异频、同频、异极化、同极化发射波束的组合。
45.其特征在于双极化天线阵列1、多波束合路器阵列3与多波束功分网络4构成的系统用于多个同频、异极化发射波束。
46.下面根据说明书附图1
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3对本发明做详细描述。
47.一种相控阵发射多波束天线系统，包括：双极化天线阵列1、多工放大器阵列2、多波束合路器阵列3和多波束功分网络4；
48.双极化天线阵列1用于辐射两个正交极化的电磁波；
49.多工放大器阵列2用于不同频率电磁波信号功率的放大，并输送到双极化天线阵
列1；
50.多波束合路器阵列3用于各波束电磁波信号幅度和相位的调整，实现波束在自由空间的扫描及形状调整；
51.多波束功分网络4用于输入电磁波信号的功率分配，将输入的电磁波信号分配到双极化天线阵列1中的不同天线单元。
52.根据设计示意，给出一个具体设计实例。结合附图，具体说明如下：
53.如图1所示，一种相控阵发射多波束天线系统，包括双极化天线阵列1、多工放大器阵列2、多波束合路器阵列3和多波束功分网络4，可同时实现16个发射波束(4个频率
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2个极化
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2波束空分)：2个19.975ghz的左旋圆极化波束、2个20.425ghz的左旋圆极化波束、2个20.675ghz的左旋圆极化波束和2个21.125ghz的左旋圆极化波束；2个19.975ghz的右旋圆极化波束、2个20.425ghz的右旋圆极化波束、2个20.675ghz的右旋圆极化波束和2个21.125ghz的右旋圆极化波束。每个波束带宽均为150mhz。
54.双极化天线阵列1包含64个相同的天线单元，工作频率为19～21ghz，覆盖所有四个频率，极化为同时左、右旋圆极化。
55.多工放大器阵列2包含128个相同的四工器和512个功率放大器，四工器的中心工作频率分别为19.975ghz、20.425ghz、20.675ghz和21.125ghz，工作带宽为150mhz，带内插损小于1db，仿真结果如图2所示。
56.多波束合路器阵列3包含512个二合一网络和1024个幅度相位控制芯片，通过控制同频同极化波束中两个幅度、相位控制芯片的值，使两个同频同波束的波束中心大于1.2
°
，从而保证通信系统干扰抑制大于12db的使用要求，仿真结果如图3所示。
57.多波束功分网络4由16个1分64功率分配网络组成，工作频率为19～21ghz，覆盖所有四个频率。