文档介绍：哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
随着空间技术的发展,在位于不同轨道的卫星间建立通信链路显得越来
越重要。这就要涉及到一项非常关键的技术,即卫星天线的波束控制技术。
采用扇形波束天线是一种常用的方法,但由于扇形波束天线覆盖很宽的空间
范围,因此造成天线的增益低,抗干扰能力差等一系列缺点。而采用电控天
线阵即可以克服这一系列的缺点,又能实现扇形波束天线所实现的功能。而
且电控天线阵既能实现天线波束的快速跟踪、扫描,天线又易于和卫星共
形。
本文先对卫星星座星间链路扇形波束控制技术发展现状进行了综述,然
后根据课题实际要求,对电控天线阵从天线阵、阵元及馈电网络等几个方面
进行了理论分析和仿真验证。本文共分为四章。第一章前言中简要介绍了研
究背景、各种解决方法的优缺点,并提出了电控天线阵的解决方法。第二章
首先从理论上讨论了圆环阵的设计方法,然后根据具体的设计要求,分析、
设计了具体取代扇形波束天线的电控天线阵的阵列分布。第三章对阵元的设
计进行了具体的分析。阵元选取为矩形微带贴片天线。针对具体的设计指标
完成了双片微带贴片天线阵元的设计方案,并完成了微带贴片天线阵元的计
算机仿真。第四章具体讨论了馈电网络的设计。馈电网络主要完成功率的分
配合成的功能。在这一章首先简要概括了微波功率分配合成器的要求、现
状及发展趋势,然后具体讨论了应用于电控天线阵的一路到多路直接变换的
功率分配合成器,并给出了计算机仿真结果。
关键词波束控制扇形波束电控阵圆环阵功率分配合成器
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
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第章绪论
课题背景和意义
卫星通信在国际交流及国内通信、军事、气象、航海等领域的应用日益普
及。随着空间事业的蓬勃发展,在轨的卫星数目越来越多,卫星间的通信显得
越来越重要。因此星间链路的研究成为空间技术的关键课题之一
星间链路是指在卫星与卫星之间直接进行无线
电传输的链路。按照卫星所处的轨道区分,星间链路一般可以分为静止轨道
静止轨道之间、静止轨道一非静止轨道之间、非静止轨道一非静止轨道之间种
类型
在目前阶段,星间链路的用途主要有个方面
用于静止或非静止轨道通信卫星的通信传输业务。
用于低轨航天器的数据中继业务。
用于特定信息传输的其他业务,如星载、空间操作跟踪与测控
以及空间研究等。
星间链路对于卫星通信而言,显得尤为重要。由于低轨道卫星星座中单颗
卫星的覆盖面积有限,如果利用地面站来保持彼此之间的通信的话,则所需要
信管站的数量极为巨大,因此星间链路就成为低轨道卫星移动通信系统中的一
个重要的构成部分。卫星移动通信系统的卫星可以通过彼此间的星链路进行
相互联系、交换和传递信息,因此大大降低对地面系统的依赖程度。此外对
于中继星系统,建立星间链路是必不可少的环节。
要实现卫星与卫星之间的通信,建立星间通信链路,其中涉及一项关键的
技术,就是卫星天线的波束控制技术。由于卫星之间的相对运动,对卫星通
信天线有特殊的要求。卫星通信天线要能够覆盖一定的空间范围,使卫星收、
发天线的波束能相互跟踪到,以保证卫星在一定的范围内运动时,能进行正常
的通信。如图所示。
目前,天线的波束控制主要有以下两种方法。
一种方法是采用扇形波束天线。如图所示。卫星天线覆盖很宽的空间
范围,这样就可以保证在一定范围内可以在这两个卫星间建立通信链路。但这
种方案有其无法克服的一些缺点,如天线的增益很低,抗干扰能力差等。
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图星间链路示意图

另一种方法是采用波束可以扫描的天线或天线阵。图为其示意图。
天线波束
图扇形波束

当处于不同轨道上的卫星的相对位置改变时卫星天线的波束能自动调整、
跟踪,以保证收、发天线的指向保持一致,实现卫星间的正常通信。由于波束
窄,所以增益高,抗干扰能力强。这样就克服了上面提到的第一种方法扇形
波束天线本身所固有的缺点。但这就对天线或天线阵的跟踪、扫描提出了很
高的要求。根据控制波束扫描的方式的不同,又可以分为机械控制扫描系统和
电控扫描系统。对于机械控制扫描系统,天线的跟踪、扫描速度相对较慢而且
控制部分的几何尺寸也比较大,这就限制了其在卫星上的应用。电控扫描系统
又可分为相控阵天线和其他的电控天线阵。相控阵波束扫描控制灵活,扫描速
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度快捷,而且相对于机械扫描天线系统来说,天线的尺寸也较小。但相控阵设
计非常复杂、成本高,扫描范围受到一定的限制,在某些情况下还存在扫描的
盲区而且随扫描角度的不同天线的波束也会发生一定的变化。因此电控天线阵