一种航天器太阳能帆板集成超表面阵列天线

本发明属于天线，更具体地，涉及一种航天器太阳能帆板集成超表面阵列天线。

背景技术：

1、伴随着信息通信技术的飞速发展，卫星通信技术也取得了长足进步。天线作为无线通信系统的前端，负责通信系统中信号的收发，很大程度上决定了系统整体的性能，但同时也占据了航天器中较大的空间资源，为了达到节约空间和减少负重的目的，太阳能帆板与天线的一体化集成可以做到轻量化和一体化，加载在航天器上时能够高效的利用宝贵的空间资源以及减少发射成本，因此对高性能、易集成的太阳能帆板集成天线提出了新的需求。

2、基片集成腔体天线作为基片集成波导天线的一种，相比其它天线结构，具有高增益、低剖面、有效抑制表面波和易于集成等优点。过去对于基片集成腔体天线的研究主要集中在提高口径效率上，通过在口径面上引入不同形状和排布规律的寄生贴片，实现高增益线极化和圆极化辐射。然而，口径面上的电场分布限制了天线带宽，一定程度上制约了该天线在通信领域中的应用。近年来超表面结构得到了研究者们广泛关注，采用超表面作为辐射体可以实现宽带天线设计，但难以做到高增益。

3、综上，现有技术天线设计中存在宽带和高增益难以同时实现的问题；同时，还存在难以与太阳能帆板共平面集成的困难。

技术实现思路

1、针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种航天器太阳能帆板集成超表面阵列天线，旨在解决现有技术天线设计中存在宽带和高增益难以同时实现的问题；同时，还存在难以与太阳能帆板共平面集成的困难。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种航天器太阳能帆板集成超表面阵列天线，包括：层叠放置的单元阵列介质基板、工字型馈电网络介质基板、底层馈电网络介质基板和太阳能帆板；

3、所述单元阵列介质基板作为阵列天线的正面，其包括阵列排布的多个基片集成腔体单元，所述基片集成腔体单元包括由金属通孔围成的基片集成腔体和位于所述基片集成腔体的口径面中心位置的超表面结构，所述超表面结构包括若干周期性间隔排列的矩形金属贴片；

4、在低频下，所述超表面结构作为主辐射体，工作在基模模式下；在高频下，所述基片集成腔体作为主辐射体，工作在高次模模式下，所述超表面结构用于改变所述基片集成腔体的高次模分布，使其最大辐射方向沿基片集成腔体的法线方向；其中，两种工作模式对应的谐振频率不重合；

5、所述工字型馈电网络介质基板包括多个工字型馈电网络单元，所述工字型馈电网络单元由金属通孔围成的第一基片集成波导，所述第一基片集成波导用于对所述基片集成腔体单元进行馈电；

6、所述底层馈电网络介质基板包括由金属通孔围成的第二基片集成波导，所述第二基片集成波导用于将能量馈入至多个所述工字型馈电网络单元；

7、所述太阳能帆板与阵列天线通过底层馈电网络介质基板的金属地板以实现隔离，所述太阳能帆板用于负责收集阵列天线背面的照射能量，并为与阵列天线连接的航天器供电。

8、可选的，所述太阳能帆板上周期排列太阳能电池片；

9、所述太阳能帆板的能量收集方向与阵列天线的辐射方向相反。

10、可选的，所述超表面结构中矩形金属贴片的对角线与所述基片集成腔体的口径面对角线呈45°。

11、可选的，所述单元阵列介质基板上相邻的基片集成腔体间共用一排金属通孔。

12、可选的，所述单元阵列介质基板、工字型馈电网络介质基板和底层馈电网络介质基板均包括位于上表面的上层金属层，位于下表面的下层金属层；

13、所述基片集成腔体单元的下层金属层和所述工字型馈电网络单元的上层金属对应设置相贴合的第一馈电缝隙，所述第一馈电缝隙用于将所述工字型馈电网络单元的能量馈入到所述基片集成腔体单元；

14、所述工字型馈电网络单元的下层金属和所述第二集成波导的上层金属对应设置相贴合的第二馈电缝隙，所述第二馈电缝隙用于将所述第二基片集成波导的能量馈入到所述工字型馈电网络单元；

15、所述底层馈电网络介质基板的下层金属层包含共面波导转接结构，用于将外部能量馈入到第二基片集成波导中；

16、所述底层馈电网络介质基板的下层金属层作为金属地板，其与所述太阳能帆板贴合。

17、可选的，一个所述基片集成腔体单元的下层金属层的中心位置设置一个第一馈电缝隙；所述工字型馈电网络单元的工字型波导末端开有四个波导纵缝，作为第一馈电缝隙，一个所述工字型馈电网络单元的上层金属设置四个第一馈电缝隙。

18、可选的，一个所述工字型馈电网络单元的下层金属设置一个第二馈电缝隙；所述底层馈电网络介质基板的功分结构的末端分别开有一个波导纵缝，作为第二馈电缝隙，一个所述第二集成波导的上层金属设置四个第二馈电缝隙。

19、可选的，所述工字型馈电网络单元中的第二馈电缝隙，其长边与相邻的波导传播方向平行；所述工字型馈电网络单元中的第一馈电缝隙，其长边与相邻的波导传播方向平行；通过调节所述第一馈电缝隙和所述第二馈电缝隙与波导壁之间的距离，使得天线达到阻抗匹配。

20、可选的，所述第一基片集成波导和所述第二基片集成波导还包括多个阻抗调节通孔和多处偏移波导；

21、所述阻抗调节通孔和偏移波导用于调整阻抗匹配。

22、可选的，所述基片集成腔体为矩形腔。

23、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

24、1、本发明提供了一种航天器太阳能帆板集成超表面阵列天线，包括单元阵列介质基板、工字型馈电网络介质基板和底层馈电网络介质基板，单元阵列介质基板包括多个基片集成腔体单元呈阵列排布；通过在基片集成腔体的口径面上添加超表面结构，不仅在低频下引入了额外辐射模式，提高了工作带宽，同时在高频下也通过超表面结构调控了基片集成腔体的高次模辐射模式的场分布，矩形金属贴片切断基片集成腔体的口径面上的反向磁流，改变所述基片集成腔体的高次模分布，使其最大辐射方向沿基片集成腔体的法线方向；通过将两种辐射模式相结合，有效拓展了天线的带宽。在低频下，基片集成腔体单元的超表面与馈电缝隙、基片集成腔体形成一种背腔缝隙耦合馈电的超表面辐射模式，相比传统超表面天线，有效提高了增益，降低了布阵时的阵元间互耦；同时基片集成腔工作在高次模式，辐射口径面更大，因此本发明中的航天器太阳能帆板集成超表面阵列天线相较传统基片集成腔体阵列天线能够获得更高的增益。由于两种高增益辐射模式使得天线在宽频带下都能获得较好的辐射效果，通过合理设计超表面单元与腔体尺寸，使得两种模式的谐振频率有效分离，实现天线的宽带高增益辐射。

25、2、本发明提供了一种航天器太阳能帆板集成超表面阵列天线，表面结构中矩形金属贴片的对角线与基片集成腔体的口径面对角线呈45°，在同样尺寸下增大了超表面结构上感应电流的电长度，缩减了超表面结构的尺寸，并且降低了高频下对口径面上电场的遮挡。

26、3、本发明提供了一种航天器太阳能帆板集成超表面阵列天线，单元阵列介质基板上相邻的基片集成腔体间共用一排金属通孔，实现了阵间距最小化，有效缩减了阵面尺寸和降低了加工难度。

27、4、本发明提供了一种航天器太阳能帆板集成超表面阵列天线，现有技术中的太阳能帆板通常设置在阵列天线的外部，存在体积较大、干扰互耦的问题，本发明通过将太阳能帆板置于阵列天线背面并通过金属地板隔离，降低了两者间的干扰互耦，最大程度利用了口径与空间。