專利名稱：偏饋拋物面多波束天線饋源陣列的設計方法
技術領域：
本發明涉及一種偏饋拋物面多波束天線饋源陣列的設計方法，適用于衛星通信系統中。
背景技術：
衛星無線電系統是從空間獲取信息的重要技術手段，具有不可替代的作用。衛星通信系統能夠做到及時、準確、全面可靠，同時又能克服在地理位置覆蓋上的種種限制從衛星運行的軌道上對地面、空中和海上進行各種觀測和聯系。衛星通信系統中，無論是地面車載、船載通信設備，或是地面大型控制中轉 站，還是空間軌道中的各種通信衛星，都裝有各種頻段的轉發器和天線，它們轉發來自地面、海上、空中和星上的無線電信號，傳輸各類數據。然而，同步軌道上能放置的衛星數量有限，多功能擴展就成了這些衛星的主要發展方向，期望衛星能與地面多個終端同時通信，或是能同時覆蓋地面上一定的熱點地區；對地面衛星通信工作站、車載船載通信系統而言，也希望能同時與多個空中目標通信，或同時均勻覆蓋空中一定的搜索范圍。這樣，就對天線提出了多波束的要求。天線是衛星通信系統中重要的分系統，隨著衛星系統的性能提高和功能擴展，天線從覆蓋固定區域的賦形波束發展到多點覆蓋的波束。多點波束天線有以下明顯優點1.多點波束天線可以使用空間隔離和極化隔離，實現多次頻率復用，從而增加了使用的帶寬，使通信容量大為增加。2.多波束天線可以進行波束掃描、波束重構，使系統有很大的靈活性。這在多用途、抗干擾、增強系統分辨率等方面都有重要意義。3.多波束可以使原來單個波束大面積的覆蓋變成由多個窄波束的多個小區域覆蓋。波束變窄提高了天線的方向性，能捕獲更多信息；4.多波束天線的方向圖形狀和輻射方向可控，在發射時將信號按要求方式分配到各波束端口，在接收時，將每一路接收信號進行加權后再相加到接收機輸入端口。多波束天線子系統增強了衛星系統潛在的靈活性和多樣性。使天線實現多波束性能現已有不少方法。目前大體可分為相控陣多波束體制和固定多波束體制。相控陣多波束體制相位控制十分復雜、成本高。固定多波束體制又可分為反射面式和透鏡式，其中透鏡多波束天線結構較為復雜、造價高、笨重，不適用于大型口徑衛星通信系統中；而目前的反射面多波束天線，一般一個饋源對應一個波束，所產生的點波束少且規模小，不能對指定空間角度實現均勻覆蓋。反射面多波束天線包括反射面，饋源陣列區域，饋源后面的波束合成網絡、開關矩陣、控制電路等，其中饋源陣列布局分布與組合的設計往往是反射面多波束天線中的核心技術與主要難點。合理地設計饋源陣列，對于減少星上或者地面站上設備有效載荷部分的重量、尺寸和體積，提高系統的可靠性來說是十分有意義的。
發明內容
本發明的目的是為了克服以下缺點(I)相控陣多波束體制相位控制復雜；
(2)透鏡多波束天線結構復雜、笨重，而不適用于衛星通信系統；(3) 一般的反射面多波束天線所產生的點波束少且規模小，不能覆蓋指定空間角度。本發明針對以上缺點提出了一種偏饋拋物面多波束天線饋源陣列的設計方法。本發明的目的是通過下述技術方案實現的。偏饋拋物面多波束天線饋源陣列的設計方法，包括如下步驟步驟1.確定偏饋拋物反射面天線的主面直徑。本發明所述偏饋拋物面多波束天線主反射面為旋轉拋物面與一個圓柱體相截后的一部分，饋源不在正對母拋物面的幾何中心，而是偏置一定角度照射所截取的拋物面的中心。反射面的偏置結構消除了饋源及其支架對反射面的遮擋，從而改善了反射面天線由于遮擋造成副瓣電平升高的問題，同時改善了天線的駐波比。根據目標探測或者通信鏈路中對增益的要求，及從整個裝備體制、運行環境、結構配合等多方面綜合考慮來確定拋物反射面的口面直徑。由于用途和作用距離的不同，通信系統對天線增益的要求存在區別，而增益是與天線口徑息息相關的；整個設備的規模大小，系統的重量載荷等也是選擇主面直徑的重要因素。步驟2.確定偏饋拋物反射面天線的焦徑比。焦徑比的選擇是反射面天線設計中一個較重要的參數。焦徑比過小，降低饋源偏焦工作的性能，交叉極化電平也會惡化；焦徑比過大，會導致饋源照射角變小，反射面截獲效率變低，也會增加天線占用空間。焦徑比的選擇要兼顧饋源照射電平及最終的多波束性倉泛。步驟3.饋源單元的設計在反射面天線的設計中，饋源是反射面天線的核心。饋源的設計要結合工作頻段、極化要求、工作環境、尺寸重量等，合理選擇角錐喇叭，圓喇叭，螺旋等。饋 源的設計要細心考慮饋源的照射角，反射面天線設計中要求反射面邊緣錐削電平值在-1OdB左右，可見步驟3的設計與步驟2要緊密聯系起來。步驟4.設計偏置拋物反射面的偏置距離偏置距離的選取原則是以饋源對偏置拋物面下邊緣的反射線不遮擋為出發點。偏置距離的選取不能過大，過大會導致反射面的口面場幅度分布不均勻加劇，會導致天線增益下降。步驟5.設計饋源區域尺寸和合理的饋源布局分布與組合(核心)本步驟即是對饋源陣列排布的設計，也是本發明的核心與主要創新點。本發明利用的是饋源的橫向偏焦(饋源沿垂直于拋物面軸線的方向移動)使拋物面天線的波束發生偏轉(波束偏離軸線)，從而使波瓣在小角度范圍內實現掃描，以達到天線在高增益的情況下的寬角覆蓋能力。首先根據步驟1-步驟4已得到的尺寸及指標要求的波束覆蓋范圍，計算出饋源陣列的區域，然后根據將要形成的多波束個數估算出需要使用的饋源單元數。為了實現點波束均勻覆蓋指定的覆蓋角度，本發明采用三角形柵格陣列排布形式。三角形柵格每個頂點代表一個饋源，每個饋源產生一個波束。另外，為了充分利用饋源數，即以較少的饋源產生較多的點波束，本發明還采用了增強饋源技術，即以每個三角形柵格的三個饋源組成一組，再產生一個波束。通過控制三角形邊長即饋源之間的距離，可以調節形成的點波束之間的距離，使點波束滿足相交電平要求，最終完成波束均勻覆蓋。當要形成若干定點波束時，可以根據波束指向角度設計三角形柵格邊長，為了不讓定點波束影響整個波束覆蓋的格局，還可以采用大小不一的三角形柵格組成陣列排布。總之，本發明操作靈活，可變通性強。本流程提供了一種設計偏置拋物面多波束天線饋源陣列的一般思路與設計方法，事實上，步驟1-步驟5之間是互相影響與互相制約的，各參數之間是緊密聯系的，必須綜合考慮、不斷優化、反復嘗試，折衷考慮各參數性能，才能得到最佳方案。有益效果本發明所述的偏饋拋物面多波束天線饋源陣列的設計方法具有以下優點(1)本發明采用偏饋拋物面多波束天線形式，利用饋源偏焦使波束偏轉，沒有復雜的相位控制，也避免了采用透鏡帶來的笨重不易使用等問題，同時偏饋形式也消除了多波束陣列饋源及其支架對反射面的遮擋；(2)本發明所提饋源陣列布局，充分利用了饋源個數，可產生的點波束數目大于2倍饋源數，波束數目可成百上千，規模較大；(3)本發明所設計的饋源陣列得到的所有波束緊密排列，能均勻覆蓋指定的空間角度，而且各點波束具有增益均勻性好、副瓣電平較低、波束寬度較小和指向精度高等電氣特性；(4)本發明操作靈活，可變通性強，可根據需要設計定點波束，當有新的性能要求時，按本發明思路重新設計，即可適應新的性能需求。
圖1是本發明所述偏饋拋物面多波束天線結構示意圖；圖2是本發明所述偏饋拋物面多波束天線饋源陣列設計流程圖；圖3是本發明優選實施例中饋源陣列的布局圖；圖4(1)是本發明優選實施例中饋源陣列中部分三角柵格示意圖；圖4(2)是本發明優選實施例中饋源陣列中相應三角柵格形成的波束示意圖；圖5是本發明優選實施例中波束不偏轉時的方向圖；圖6是本發明優選實施例中波束偏轉到最大范圍4°時的方向圖；圖7是本發明優選實施例中形成的八個定點波束的方向圖；圖中1_偏饋拋物反射面主面、2-饋源陣列區域、3-偏饋拋物反射面主面在焦平面的投影、4-單個饋源單元、5-饋源陣列區域邊界、6-單個饋源產生的波束示意、7-三個饋源形成的饋源組所產生的波束示意、D-偏饋拋物反射面天線的投影口徑、d-反射面偏置距離、f-反射面的焦距、科-饋源的偏置角。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步的詳細說明。本發明的優化實施例以產生300多個高增益、窄波束均勻覆蓋4°空間半張角圓錐范圍并附帶8個定點波束為例，說明偏饋拋物反射面多波束天線饋源陣列的設計方法，其具體步驟為
步驟1.確定偏饋拋物反射面天線的主面直徑。由圖1可以看出，本發明所述的偏饋拋物面多波束天線包括主反射面1，饋源陣列區域2。圓圈3代表主反射面在焦平面的投影是個圓。本優化實施例中，要求增益在46dB以上，可選定反射面口徑為18mX18m。步驟2.確定偏饋拋物反射面天線的焦徑比焦徑比不能過大，也不能過小。選取的原則要結合饋源的設計，焦徑比選取范圍在O. 5-1之間。步驟3.饋源單元的設計
根據前兩步，可以估算出饋源的照射角，以此按-1OdB邊緣錐削電平去設計饋源尺寸。本優化實施例，選取普通圓錐喇叭作為饋源單元。步驟4.設計偏置拋物反射面的偏置距離由圖1看出，d為反射面偏置距離，設置偏置距離的目的是保證饋源區域不遮擋反射面下邊緣的反射線。本優化實施例中，d選為1. 4m。步驟5.設計饋源區域尺寸和合理的饋源布局分布與組合(核心)本優化實施例要求波束覆蓋4°半張角圓錐范圍，設計的饋源陣列布局如圖3所示，饋源陣列區域為一個圓形區域，其尺寸是按波束覆蓋4°半張角圓錐算出。饋源采用普通圓錐喇叭，饋源的設計考慮了主面-1OdB的邊緣照射電平。圖中黑點4代表單個喇叭，共127個饋源。黑色圓圈5代表饋源區域邊界，所有的饋源都布置在饋源區域內，各個饋源產生的波束都在半張角4°內，黑色圓圈以外的饋源產生的波束將超越4°范圍，故圓圈外沒有饋源分布。圓圈上的饋源正好產生最大增益指向4°的波束。本優化實施例要求得到300多個點波束，各點波束寬度都在O. 8°以內，點波束相交電平大于_2dB，并且要產生波束指向分別為水平維O ° ,0.6°，1.2° ,1.8° ,2.4°，3°，4°的八個定點波束。整個陣列布局由三角形柵格組成，并由大小三角形組成。小正三角形邊長映射O. 6°的空間角，即邊長兩端的兩個饋源產生的波束指向差O. 6°，大正三角形邊長映射0.9°的空間角，即邊長兩端的兩個饋源產生的波束指向差O. 9°。其中小三角形的設置，正是為了得到8個定點波束。整個陣列布局的邊緣由不等三角形組成，這是為了保證波束指向不超過4 °空間角。每個饋源單獨產生一個波束，每個三角形的三個頂點組成一個饋源組，合成一個波束，總共能產生317個波束。從圖4可以看出饋源陣列中三角形柵格與最終產生的波束圖的映射關系。實線圓圈6代表單個饋源產生的波束，虛線圓圈7代表的是三個饋源形成的饋源組所產生的波束，由圖可見，設計的點波束緊密排列，均勻覆蓋。圖5、圖6分別是天線波束不偏轉和波束偏轉到最大范圍4°的方向圖，由圖可以看出，方向圖性能良好，在波束偏轉過程中，電性能惡化較小。圖7是8個定點波束的方向圖，由圖可見，8個定點波束的增益均大于46dB，副瓣電平均小于_25dB，波束寬度均在O. 8。以內，電性能較好。最終，優化實施例實現了如下性能總共使用127個饋源，產生了 317個點波束；并產生一維方向的8個特征點波束；所有點波束增益都在46dB以上，所有點波束寬度都在0.8°以內，點波束相交電平大于_2dB，點波束副瓣電平為-25dB以下，覆蓋范圍為半張角4°圓錐。
由于所述天線各參數之間的相互制約及本發明所述各步驟之間的緊密聯系，本優選實施例中的尺寸設計、排列布局，是經過不斷的優化設計，權衡考慮各方面電性能，最終才確定的。以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡是在本發明權利要求范圍內所作的均等變 化與修飾，均應屬于本發明權利要求的涵蓋范圍。
權利要求
1.偏饋拋物面多波束天線饋源陣列的設計方法，其特征在于包括如下步驟 步驟1.確定偏饋拋物反射面天線的主面直徑； 步驟2.確定偏饋拋物反射面天線的焦徑比； 步驟3.饋源單元的設計； 步驟4.設計偏置拋物反射面的偏置距離 偏置距離的選取原則是以饋源對偏置拋物面下邊緣的反射線不遮擋為出發點； 步驟5.設計饋源區域尺寸和合理的饋源布局分布與組合 本步驟即是對饋源陣列排布的設計，利用饋源的橫向偏焦，即饋源沿垂直于拋物面軸線的方向移動，使拋物面天線的波束發生偏轉，波束偏離軸線，從而使波瓣在小角度范圍內實現掃描，以達到天線在高增益的情況下的寬角覆蓋能力；為了實現點波束均勻覆蓋指定的覆蓋角度，采用三角形柵格陣列排布形式，三角形柵格每個頂點代表一個饋源，每個饋源產生一個波束；為了充分利用饋源數，以較少的饋源產生較多的點波束，本步驟采用增強饋源技術，即以每個三角形柵格的三個饋源組成一組，再產生一個波束；通過控制三角形邊長即饋源之間的距離，可以調節形成的點波束之間的距離，使點波束滿足相交電平要求，完成波束均勻覆蓋；當要形成若干定點波束時，可以根據波束指向角度設計三角形柵格邊長，為了不讓定點波束影響整個波束覆蓋的格局，還可以采用大小不一的三角形柵格組成陣列排布。
2.根據權利要求1所述的偏饋拋物面多波束天線饋源陣列的設計方法，其特征在于所述步驟2中焦徑比選取范圍在O. 5-1之間。
3.根據權利要求1所述的偏饋拋物面多波束天線饋源陣列的設計方法，其特征在于所述饋源布局，充分利用了饋源個數，產生的點波束數目大于2倍饋源數，均勻覆蓋指定空間角度。
4.根據權利要求1所述的偏饋拋物面多波束天線饋源陣列的設計方法，其特征在于所述步驟5中首先要根據步驟1-步驟4已得到的尺寸及指標要求的波束覆蓋范圍，計算出饋源陣列的區域。饋源陣列采用三角形柵格形式，為了得到定點波束時，還可采用大小不同的正三角形；為了不使波束指向超過指標給定的波束覆蓋范圍，饋源陣列邊緣部分還可用不等三角形補齊。
5.根據權利要求1所述的偏饋拋物面多波束天線饋源陣列的設計方法，其特征在于所述步驟5的饋源陣列中，小三角形邊長對應O. 6°的空間角，大三角形邊長對應O. 9°的空間角，所有的饋源都分布在一定的饋源區域內，小三角形柵格的設置是為了得到8個定點波束。
6.根據權利要求1所述的偏饋拋物面多波束天線饋源陣列的設計方法，其特征在于利用127個饋源產生了 317個點波束，各個點波束增益46dB以上，副瓣電平_25dB以下，波束寬度小于0.8°，點波束間相交電平大于_2dB，形成的點波束能均勻覆蓋4°半張角；在水平維方向，形成了 0° ,0.6°，1.2° ,1.8° ,2.4°，3° ,3.6°，4°八個指向準確的定點波束。
全文摘要
本發明公布了一種偏饋拋物面多波束天線饋源陣列的設計方法，本發明涉及一種偏饋拋物面多波束天線饋源陣列的設計方法，適用于衛星通信系統中。反射面多波束天線采用饋源陣列作為拋物面的初級饋源；形成多波束的機理是，利用饋源的橫向偏焦，使拋物面天線波束發生偏轉。本發明根據整個天線系統結構尺寸、饋源陣列排布的設計流程，提出了一種新穎的饋源陣列布局。可產生的點波束數目大于2倍的實際饋源數；所有波束緊密排列，能均勻覆蓋指定的空間角度；各點波束具有增益均勻性好、副瓣電平低、波束寬度小和指向精度高等電氣特性。該方案可直接用于星載設備，或是用于地面控制通信站，具有廣泛的潛在用途，特別在衛星通信系統中有典型應用價值。
文檔編號H01Q21/00GK103022728SQ20121058180
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月27日 優先權日2012年12月27日
發明者劉埇, 司黎明, 唐海波, 水孝忠, 呂昕, 孫厚軍 申請人:北京理工大學