一种KaKu全频段双收双发相控阵天线的系统及其运行方法

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种KaKu全频段双收双发相控阵天线的系统及其运行方法。

背景技术

相控阵雷达的天线阵面也由许多个辐射单元和接收单元(称为阵元)组成，单元数目和雷达的功能有关，可以从几百个到几万个。这些单元有规则地排列在平面上，构成阵列天线。不同的振子通过移相器可以被馈入不同的相位的电流，从而在空间辐射出不同方向性的波束，天线的单元数目越多，则波束在空间可能的方位就越多。这种雷达的工作基础是相位可控的阵列天线，"相控阵”由此得名。但相控阵雷达设备复杂、造价昂贵，且波束扫描范围有限，最大扫描角为90°～120°，当需要进行全方位监视时，需配置3～4个天线阵面。

目前的卫星通信相控阵天线，单频段或者单波束在针对高轨道通信卫星时可满足实际使用要求，但是在针对倾斜轨道和低轨道卫星时，则由于这些轨道的卫星对地面覆盖区域实时在变，且有可通信时段，如果当前通信卫星的覆盖区域划过通信终端所在区域，则需要通信终端重新搜索新的通信卫星并建立通信，这种时候传统的单波束地面通信终端则会出现通信中断，甚至造成业务中断等问题。

同时，如果使用单频段进行卫星通信，则在当前通信频段被干扰的情况下，则地面通信终端会无法实现卫星通信。

发明内容

因此，本发明提供一种一种KaKu全频段双收双发相控阵天线的系统及其运行方法。

本发明的技术方案是：一种KaKu全频段双收双发相控阵天线系统，所述系统包括用于接收/发射Ka频段电磁波的Ka频段双波束相控阵天线、用于接收/发射Ku频段电磁波的Ku频段双波束相控阵天线、用于调度外设资源与控制双频双波束的工作模式的双频双波束相控阵综合管理模块、用于为系统供电的电源模块、用户终端以及用于通信连接所述双频双波束相控阵综合管理模块与所属用户终端的调制解调器；

所述Ka频段双波束相控阵天线、Ku频段双波束相控阵天线均与双频双波束相控阵综合管理模块通信连接；

所述Ka频段双波束相控阵天线包括：Ka频段双波束相控阵接收单元以及Ka频段双波束相控阵发射单元；所述Ku频段双波束相控阵天线包括Ku频段双波束相控阵接收单元以及Ku频段双波束相控阵发射单元。

说明：由于KaKu频段双波束相控阵天线可以支持更高的频段，提供更大的带宽和数据传输速率以及多波束覆盖能力可以同时与多个用户或地面站进行通信，提高网络容量和连接性，同时具有目标跟踪和动态波束转向；实现快速的目标跟踪和动态波束转向，提高系统的传输效率和通信质量；能够对不同的用户或地面站分配不同的波束，实现空间复用；这有效地提高了频谱的利用率，并增强了系统的抗干扰能力；通过上述KaKu全频段的设计，能够解决在倾斜轨道和低轨道卫星时，轨道的卫星对地面覆盖区域实时变化，需要通信终端重新搜索新的通信卫星并建立通信的问题，避免传统的单波束地面通信终端则会出现通信中断，甚至造成业务中断等问题的发生。

进一步地，所述工作模式包括单频段工作模式与双频段工作模式，所述单频段工作模式与双频段工作模式均设有单波束模式与双波束模式。

说明：通过工作模式的选择、通信链路的建立，能够有效修正姿态测量系统，提高信号数据的准确度。

进一步地，所述单频段双波束卫星通信相控阵接收系统包括接收分路子单元、接收合路子单元以及N个天线接收子单元，

所述接收分路子单元包括N个与所述天线接收子单元一一对应且依次连接的低噪声放大器、带通滤波器、功率分路器，

每个所述功率分路器均输出有波束1信号和波束2信号，且每个所述功率分路器均连接有用于调整波束1信号的波束1移相器模块以及用于调整波束2信号的波束2移相器模块；

所述接收合路子单元包括：用于与N个波束1移相器模块连接的波束1功率合路器以及用于与N个波束2移相器模块连接的波束2功率合路器，

波束1功率合路器、波束2功率合路器分别依次连接有小信号放大器、下变频器，然后分别输出波束1对应的中频信号和波束2对应的中频信号；

所述低噪声放大器用于将天线接收到的小信号进行放大；

所述带通滤波器用于降低带外信号的功率。

说明：通过上述基础架构的设计，能够对接收到的信号进行处理，便于系统调控。

进一步地，单频段双波束卫星通信相控阵发射系统；包括N个天线辐射子单元，1个辐射合路子单元以及N个辐射分路子单元，

所述辐射合路子单元包括输入的波束1对应的中频信号和波束2对应的中频信号；波束1对应的中频信号和波束2对应的中频信号分别依次连接有上变频器、带通滤波器、小信号放大器以及功率分路器，

所述波束1对应的功率分路器输出有N个波束1信号，所述波束2对应的功率分路器输出有与波束1信号对应的N个波束2信号，

每个所述辐射分路子单元包括一个用于接收调整波束1信号的波束1移相器模块以及一个用于接收调整波束2信号的波束2移相器模块；

每个所述辐射分路子单元中的所述波束1移相器模块与波束2移相器模块均依次连接有通道合路器、功率放大器以及天线辐射子单元。

说明：通过上述基础架构的设计，能够对发射的信号进行处理，便于系统调控。

进一步地，所述双频双波束相控阵综合管理模块包括：用于控制双频双波束的工作模式的波束控制模块、用于调度外设资源的双频双波束综合数据处理模块、用于发射信号的四路发射单元以及用于接收信号的四路接收单元；

所述外设资源包括分别与双频双波束综合数据处理模块通信连接的载体姿态测量设备、导航定位系统、四路信标接收机、系统热管理系统、系统健康管理系统、电源管理系统、调试接口；

所述波束控制模块分别与四路发射单元、四路接收单元连接；

所述四路发射单元、四路接收单元分别于与Ka频段/Ku频段双波束相控阵接收单元、Ka频段/Ku频段双波束相控阵发射单元通信连接，所述四路接收单元与四路信标接收机连接；

所述波束控制模块、双频双波束综合数据处理模块、调制解调器、用户终端依次连接；所述调制解调器分别与四路发射单元、四路接收单元连接；

还包括姿态测量系统，所述姿态测量系统包括用于测量天线姿态信息的惯性测量单元、用于调整天线姿态的传动系统以及用于控制所述传动系统天线控制单元。

说明：通过上述双频双波束相控阵综合管理模块能够实现其运行方法，完成双频段双卫星的实时跟踪和通信。

本发明还提供一种KaKu全频段双收双发相控阵天线系统的运行方法，包括以下步骤：

S1、选择工作模式：

首先根据卫星的工作频段，所述工作频段包括单频段、双频段，对应地选择单频段工作模式/双频段工作模式，然后根据用户终端所在网络通信选择单波束模式/双波束模式；

S2、开启通信：

当选择单频段工作模式时，通过单波束模式/双波束模式，建立通信链路，然后开启通信；

当选择双频段工作模式时，通过单波束模式/双波束模式，分别建立Ku频段波束与Ka频段波束的通信链路，获得Ku频段指向数据和Ka频段指向数据；同时使用Ku频段指向数据和Ka频段指向数据修正姿态测量系统；然后利用Ku频段波束与Ka频段波束开启通信；

修正方法为：在初始状态时，先使用Ku频段指向数据修正姿态测量系统，然后用修正过的姿态测量数据控制Ka频段波束指向；在运行状态时，当Ka频段波束未稳定指向其对应的卫星时，使用Ku频段指向数据对姿态测量系统进行修正；当在Ka频段波束能稳定指向卫星时，采用Ka频段指向数据来修正姿态测量系统。

说明：通过上述方法的建立，通过工作模式的选择、通信链路的建立，能够有效修正姿态测量系统，提高信号数据的准确度；由于双波束设置难度大，卫星全部设置难以实现，且在低轨卫星下可以通过双频段有效修正姿态测量系统，使用单波束与双波束的差异较小，因此上述设置能够对不同的用户或地面站分配不同的波束，实现空间复用；有效地提高了频谱的利用率，并增强了系统的抗干扰能力。

进一步地，所述单波束模式的工作方法为：在确定频段下，选择其中一个波束工作，另一个波束处于静默状态，然后将所选择的波束指向对应的卫星，修正姿态测量系统修正所选择的波束指向，然后建立通信链路，开启通信；

所述双波束模式的工作方法为：在确定频段下，将两个波束分别指向其对应的卫星并建立通信链路，系统获得两个波束建链的指向数据，然后对姿态测量系统进行校正，随后利用两个波束开启通信；

所述指向数据包括波束的方位角度和俯仰角度。

说明：上述设置能够通过波束建立通信链路，以实现通信。

进一步地，所述姿态测量系统修正所选择的波束指向的方法为：首先通过惯性测量单元测量天线姿态信息，天线控制单元根据天线姿态测量信息，驱动传动系统，改变天线的姿态，修正所选择的波束指向。

说明：上述设置可以利用姿态测量系统修正波束的指向。

进一步地，步骤S2中，选择其中一个波束的方法为：比较二者接收到信号的信噪比，选择较大的信噪比的波束。

说明：信噪比越大，证明其接收性能越好；信噪比是信号功率与噪声功率的比值，用来衡量信号的质量；信噪比越大，说明信号越强，噪声越小，接收的性能就越好。

本发明的有益效果是：

本发明针对倾斜轨道和低轨道卫星时，轨道的卫星对地面覆盖区域实时变化，若当前通信卫星的覆盖区域划过通信终端所在区域，则需要通信终端重新搜索新的通信卫星并建立通信，通过KaKu全频段双收双发的设置可以避免传统的单波束地面通信终端则会出现通信中断，甚至造成业务中断等问题的发生；通过地面相控阵天线架构，可以实现双频段双卫星的实时跟踪和通信，避免因为频率切换和卫星轨道变动引起的卫星通信中断的情况。

附图说明

图1是本发明双频双波束卫星通信相控阵系统架构的示意图；

图2是本发明单频段双波束卫星通信相控阵接收系统架构图；

图3是本发明单频段双波束卫星通信相控阵发射系统架构的示意图；

图4是本发明双频双波束综合管理模块的示意图；

图5是本发明单频段双波束通信链路建立示意图；

图6是本发明双频段双波束通信链路建立的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式来对本发明进行更进一步详细的说明，以更好地体现本发明的优势。

实施例1：如图1所示，一种KaKu全频段双收双发相控阵天线系统，所述系统包括用于接收/发射Ka频段电磁波的Ka频段双波束相控阵天线、用于接收/发射Ku频段电磁波的Ku频段双波束相控阵天线、用于调度外设资源与控制双频双波束的工作模式的双频双波束相控阵综合管理模块、用于为系统供电的电源模块、用户终端以及用于通信连接所述双频双波束相控阵综合管理模块与所属用户终端的调制解调器；

所述Ka频段双波束相控阵天线、Ku频段双波束相控阵天线均与双频双波束相控阵综合管理模块通信连接；

所述Ka频段双波束相控阵天线包括：Ka频段双波束相控阵接收单元以及Ka频段双波束相控阵发射单元；所述Ku频段双波束相控阵天线包括Ku频段双波束相控阵接收单元以及Ku频段双波束相控阵发射单元；

所述工作模式包括单频段工作模式与双频段工作模式，所述单频段工作模式与双频段工作模式均设有单波束模式与双波束模式；

如图2所示，所述Ka频段双波束相控阵接收单元、Ku频段双波束相控阵接收单元均包括接收分路子单元、接收合路子单元以及N个天线接收子单元，

所述接收分路子单元包括N个与所述天线接收子单元一一对应且依次连接的低噪声放大器、带通滤波器、功率分路器，

每个所述功率分路器均输出有波束1信号和波束2信号，且每个所述功率分路器均连接有用于调整波束1信号的波束1移相器模块以及用于调整波束2信号的波束2移相器模块；

所述接收合路子单元包括：用于将N个波束1移相器模块连接的波束1功率合路器以及用于将N个波束2移相器模块连接的波束2功率合路器，

波束1功率合路器、波束2功率合路器分别依次连接有小信号放大器、下变频器，然后分别输出波束1对应的中频信号和波束2对应的中频信号；

所述低噪声放大器用于将天线接收到的小信号进行放大；所述带通滤波器用于降低带外信号的功率；上述低噪声放大器、带通滤波器、功率分路器等技术均采用现有技术；

如图3所示，所述Ka频段双波束相控阵发射单元、Ku频段双波束相控阵发射单元均包括N个天线辐射子单元，1个辐射合路子单元以及N个辐射分路子单元，

所述辐射合路子单元输入波束1对应的中频信号和波束2对应的中频信号；

所述辐射合路子单元包括波束1对应的中频信号和波束2对应的中频信号分别依次连接的上变频器、带通滤波器、小信号放大器以及功率分路器，

所述波束1对应的功率分路器输出有N个波束1信号，所述波束2对应的功率分路器输出有与波束2信号对应的N个波束2信号，

每个所述辐射分路子单元均包括一个用于接收调整波束1信号的波束1移相器模块以及一个用于接收调整波束2信号的波束2移相器模块；

每个所述辐射分路子单元中的所述波束1移相器模块与波束2移相器模块均依次通过通道合路器、功率放大器与天线辐射子单元连接；上述变频器、带通滤波器、小信号放大器以及功率分路器等技术均采用现有技术；

如图4所示，所述双频双波束相控阵综合管理模块包括：用于控制双频双波束的工作模式的波束控制模块、用于调度外设资源的双频双波束综合数据处理模块、用于发射信号的四路发射单元以及用于接收信号的四路接收单元；

所述外设资源包括分别与双频双波束综合数据处理模块通信连接的载体姿态测量设备、导航定位系统、四路信标接收机、系统热管理系统、系统健康管理系统、电源管理系统、调试接口；

所述波束控制模块分别与四路发射单元、四路接收单元连接；

所述四路发射单元、四路接收单元分别于与Ka频段/Ku频段双波束相控阵接收单元、Ka频段/Ku频段双波束相控阵发射单元通信连接，所述四路接收单元与四路信标接收机连接；

所述波束控制模块、双频双波束综合数据处理模块、调制解调器、用户终端依次连接；所述调制解调器分别与四路发射单元、四路接收单元连接；

还包括姿态测量系统，所述姿态测量系统包括用于测量天线姿态信息的惯性测量单元、用于调整天线姿态的传动系统以及用于控制所述传动系统天线控制单元；上述波束控制模块、双频双波束综合数据处理模块、调制解调器等技术均采用现有；

实施例2：利用实施例1的一种KaKu全频段双收双发相控阵天线系统进行通信的运行方法，如图5、6所示，包括以下步骤：

S1、选择工作模式：

首先根据卫星的工作频段，所述工作频段包括单频段、双频段，对应地选择单频段工作模式/双频段工作模式，然后根据用户终端所在网络通信选择单波束模式/双波束模式；

S2、开启通信：

当选择单频段工作模式时，通过单波束模式/双波束模式，建立通信链路，然后开启通信；

当选择双频段工作模式时，通过单波束模式/双波束模式，分别建立Ku频段波束与Ka频段波束的通信链路，获得Ku频段指向数据和Ka频段指向数据；同时使用Ku频段指向数据和Ka频段指向数据修正姿态测量系统；然后利用Ku频段波束与Ka频段波束开启通信；

修正方法为：在初始状态时，先使用Ku频段指向数据修正姿态测量系统，然后用修正过的姿态测量数据控制Ka频段波束指向；在运行状态时，当Ka频段波束未稳定指向其对应的卫星时，使用Ku频段指向数据对姿态测量系统进行修正；当在Ka频段波束能稳定指向卫星时，采用Ka频段指向数据来修正姿态测量系统；

所述单波束模式的工作方法为：在确定频段下，选择其中一个波束工作，另一个波束处于静默状态，然后将所选择的波束指向对应的卫星，修正姿态测量系统修正所选择的波束指向，然后建立通信链路，开启通信；选择其中一个波束的方法为：比较二者接收到信号的信噪比，选择较大的信噪比的波束；

所述双波束模式的工作方法为：在确定频段下，将两个波束分别指向其对应的卫星并建立通信链路，系统获得两个波束建链的指向数据，然后对姿态测量系统进行校正，随后利用两个波束开启通信；

所述指向数据包括波束的方位角度和俯仰角度；

所述姿态测量系统修正所选择的波束指向的方法为：首先通过惯性测量单元测量天线姿态信息，天线控制单元根据天线姿态测量信息，驱动传动系统，改变天线的姿态，修正所选择的波束指向。