CN103022728B - 偏馈抛物面多波束天线馈源阵列的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种偏馈抛物面多波束天线馈源阵列的设计方法，本发明涉及一种偏馈抛物面多波束天线馈源阵列的设计方法，适用于卫星通信系统中。反射面多波束天线采用馈源阵列作为抛物面的初级馈源；形成多波束的机理是，利用馈源的横向偏焦，使抛物面天线波束发生偏转。本发明根据整个天线系统结构尺寸、馈源阵列排布的设计流程，提出了一种新颖的馈源阵列布局。可产生的点波束数目大于2倍的实际馈源数；所有波束紧密排列，能均匀覆盖指定的空间角度；各点波束具有增益均匀性好、副瓣电平低、波束宽度小和指向精度高等电气特性。该方案可直接用于星载设备，或是用于地面控制通信站，具有广泛的潜在用途，特别在卫星通信系统中有典型应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种偏馈抛物面多波束天线馈源阵列的设计方法，适用于卫星通信系统中。
背景技术
卫星无线电系统是从空间获取信息的重要技术手段，具有不可替代的作用。卫星通信系统能够做到及时、准确、全面可靠，同时又能克服在地理位置覆盖上的种种限制从卫星运行的轨道上对地面、空中和海上进行各种观测和联系。卫星通信系统中，无论是地面车载、船载通信设备，或是地面大型控制中转站，还是空间轨道中的各种通信卫星，都装有各种频段的转发器和天线，它们转发来自地面、海上、空中和星上的无线电信号，传输各类数据。然而，同步轨道上能放置的卫星数量有限，多功能扩展就成了这些卫星的主要发展方向，期望卫星能与地面多个终端同时通信，或是能同时覆盖地面上一定的热点地区；对地面卫星通信工作站、车载船载通信系统而言，也希望能同时与多个空中目标通信，或同时均匀覆盖空中一定的搜索范围。这样，就对天线提出了多波束的要求。
天线是卫星通信系统中重要的分系统，随着卫星系统的性能提高和功能扩展，天线从覆盖固定区域的赋形波束发展到多点覆盖的波束。多点波束天线有以下明显优点：1.多点波束天线可以使用空间隔离和极化隔离，实现多次频率复用，从而增加了使用的带宽，使通信容量大为增加。2.多波束天线可以进行波束扫描、波束重构，使系统有很大的灵活性。这在多用途、抗干扰、增强系统分辨率等方面都有重要意义。3.多波束可以使原来单个波束大面积的覆盖变成由多个窄波束的多个小区域覆盖。波束变窄提高了天线的方向性，能捕获更多信息；4.多波束天线的方向图形状和辐射方向可控，在发射时将信号按要求方式分配到各波束端口，在接收时，将每一路接收信号进行加权后再相加到接收机输入端口。多波束天线子系统增强了卫星系统潜在的灵活性和多样性。
使天线实现多波束性能现已有不少方法。目前大体可分为相控阵多波束体制和固定多波束体制。相控阵多波束体制相位控制十分复杂、成本高。固定多波束体制又可分为反射面式和透镜式，其中透镜多波束天线结构较为复杂、造价高、笨重，不适用于大型口径卫星通信系统中；而目前的反射面多波束天线，一般一个馈源对应一个波束，所产生的点波束少且规模小，不能对指定空间角度实现均匀覆盖。反射面多波束天线包括反射面，馈源阵列区域，馈源后面的波束合成网络、开关矩阵、控制电路等，其中馈源阵列布局分布与组合的设计往往是反射面多波束天线中的核心技术与主要难点。合理地设计馈源阵列，对于减少星上或者地面站上设备有效载荷部分的重量、尺寸和体积，提高系统的可靠性来说是十分有意义的。
发明内容
本发明的目的是为了克服以下缺点：
(1)相控阵多波束体制相位控制复杂；
(2)透镜多波束天线结构复杂、笨重，而不适用于卫星通信系统；
(3)一般的反射面多波束天线所产生的点波束少且规模小，不能覆盖指定空间角度。
本发明针对以上缺点提出了一种偏馈抛物面多波束天线馈源阵列的设计方法。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
偏馈抛物面多波束天线馈源阵列的设计方法，包括如下步骤：
步骤1.确定偏馈抛物反射面天线的主面直径。
本发明所述偏馈抛物面多波束天线主反射面为旋转抛物面与一个圆柱体相截后的一部分，馈源不在正对母抛物面的几何中心，而是偏置一定角度照射所截取的抛物面的中心。反射面的偏置结构消除了馈源及其支架对反射面的遮挡，从而改善了反射面天线由于遮挡造成副瓣电平升高的问题，同时改善了天线的驻波比。根据目标探测或者通信链路中对增益的要求，及从整个装备体制、运行环境、结构配合等多方面综合考虑来确定抛物反射面的口面直径。由于用途和作用距离的不同，通信系统对天线增益的要求存在区别，而增益是与天线口径息息相关的；整个设备的规模大小，系统的重量载荷等也是选择主面直径的重要因素。
步骤2.确定偏馈抛物反射面天线的焦径比。
焦径比的选择是反射面天线设计中一个较重要的参数。焦径比过小，降低馈源偏焦工作的性能，交叉极化电平也会恶化；焦径比过大，会导致馈源照射角变小，反射面截获效率变低，也会增加天线占用空间。焦径比的选择要兼顾馈源照射电平及最终的多波束性能。
步骤3.馈源单元的设计
在反射面天线的设计中，馈源是反射面天线的核心。馈源的设计要结合工作频段、极化要求、工作环境、尺寸重量等，合理选择角锥喇叭，圆喇叭，螺旋等。馈源的设计要细心考虑馈源的照射角，反射面天线设计中要求反射面边缘锥削电平值在-10dB左右，可见步骤3的设计与步骤2要紧密联系起来。
步骤4.设计偏置抛物反射面的偏置距离
偏置距离的选取原则是以馈源对偏置抛物面下边缘的反射线不遮挡为出发点。偏置距离的选取不能过大，过大会导致反射面的口面场幅度分布不均匀加剧，会导致天线增益下降。
步骤5.设计馈源区域尺寸和合理的馈源布局分布与组合(核心)
本步骤即是对馈源阵列排布的设计，也是本发明的核心与主要创新点。本发明利用的是馈源的横向偏焦(馈源沿垂直于抛物面轴线的方向移动)使抛物面天线的波束发生偏转(波束偏离轴线)，从而使波瓣在小角度范围内实现扫描，以达到天线在高增益的情况下的宽角覆盖能力。首先根据步骤1-步骤4已得到的尺寸及指标要求的波束覆盖范围，计算出馈源阵列的区域，然后根据将要形成的多波束个数估算出需要使用的馈源单元数。为了实现点波束均匀覆盖指定的覆盖角度，本发明采用三角形栅格阵列排布形式。三角形栅格每个顶点代表一个馈源，每个馈源产生一个波束。另外，为了充分利用馈源数，即以较少的馈源产生较多的点波束，本发明还采用了增强馈源技术，即以每个三角形栅格的三个馈源组成一组，再产生一个波束。通过控制三角形边长即馈源之间的距离，可以调节形成的点波束之间的距离，使点波束满足相交电平要求，最终完成波束均匀覆盖。当要形成若干定点波束时，可以根据波束指向角度设计三角形栅格边长，为了不让定点波束影响整个波束覆盖的格局，还可以采用大小不一的三角形栅格组成阵列排布。总之，本发明操作灵活，可变通性强。
本流程提供了一种设计偏置抛物面多波束天线馈源阵列的一般思路与设计方法，事实上，步骤1-步骤5之间是互相影响与互相制约的，各参数之间是紧密联系的，必须综合考虑、不断优化、反复尝试，折衷考虑各参数性能，才能得到最佳方案。
有益效果
本发明所述的偏馈抛物面多波束天线馈源阵列的设计方法具有以下优点：
(1)本发明采用偏馈抛物面多波束天线形式，利用馈源偏焦使波束偏转，没有复杂的相位控制，也避免了采用透镜带来的笨重不易使用等问题，同时偏馈形式也消除了多波束阵列馈源及其支架对反射面的遮挡；
(2)本发明所提馈源阵列布局，充分利用了馈源个数，可产生的点波束数目大于2倍馈源数，波束数目可成百上千，规模较大；
(3)本发明所设计的馈源阵列得到的所有波束紧密排列，能均匀覆盖指定的空间角度，而且各点波束具有增益均匀性好、副瓣电平较低、波束宽度较小和指向精度高等电气特性；
(4)本发明操作灵活，可变通性强，可根据需要设计定点波束，当有新的性能要求时，按本发明思路重新设计，即可适应新的性能需求。
附图说明
图1是本发明所述偏馈抛物面多波束天线结构示意图；
图2是本发明所述偏馈抛物面多波束天线馈源阵列设计流程图；
图3是本发明优选实施例中馈源阵列的布局图；
图4(1)是本发明优选实施例中馈源阵列中部分三角栅格示意图；
图4(2)是本发明优选实施例中馈源阵列中相应三角栅格形成的波束示意图；
图5是本发明优选实施例中波束不偏转时的方向图；
图6是本发明优选实施例中波束偏转到最大范围4°时的方向图；
图7是本发明优选实施例中形成的八个定点波束的方向图；
图中：1-偏馈抛物反射面主面、2-馈源阵列区域、3-偏馈抛物反射面主面在焦平面的投影、4-单个馈源单元、5-馈源阵列区域边界、6-单个馈源产生的波束示意、7-三个馈源形成的馈源组所产生的波束示意、D-偏馈抛物反射面天线的投影口径、d-反射面偏置距离、f-反射面的焦距、-馈源的偏置角。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
本发明的优化实施例以产生300多个高增益、窄波束均匀覆盖4°空间半张角圆锥范围并附带8个定点波束为例，说明偏馈抛物反射面多波束天线馈源阵列的设计方法，其具体步骤为：
步骤1.确定偏馈抛物反射面天线的主面直径。
由图1可以看出，本发明所述的偏馈抛物面多波束天线包括主反射面1，馈源阵列区域2。圆圈3代表主反射面在焦平面的投影是个圆。本优化实施例中，要求增益在46dB以上，可选定反射面口径为18m×18m。
步骤2.确定偏馈抛物反射面天线的焦径比
焦径比不能过大，也不能过小。选取的原则要结合馈源的设计，焦径比选取范围在0.5-1之间。
步骤3.馈源单元的设计
根据前两步，可以估算出馈源的照射角，以此按-10dB边缘锥削电平去设计馈源尺寸。本优化实施例，选取普通圆锥喇叭作为馈源单元。
步骤4.设计偏置抛物反射面的偏置距离
由图1看出，d为反射面偏置距离，设置偏置距离的目的是保证馈源区域不遮挡反射面下边缘的反射线。本优化实施例中，d选为1.4m。
步骤5.设计馈源区域尺寸和合理的馈源布局分布与组合(核心)
本优化实施例要求波束覆盖4°半张角圆锥范围，设计的馈源阵列布局如图3所示，馈源阵列区域为一个圆形区域，其尺寸是按波束覆盖4°半张角圆锥算出。馈源采用普通圆锥喇叭，馈源的设计考虑了主面-10dB的边缘照射电平。图中黑点4代表单个喇叭，共127个馈源。黑色圆圈5代表馈源区域边界，所有的馈源都布置在馈源区域内，各个馈源产生的波束都在半张角4°内，黑色圆圈以外的馈源产生的波束将超越4°范围，故圆圈外没有馈源分布。圆圈上的馈源正好产生最大增益指向4°的波束。
本优化实施例要求得到300多个点波束，各点波束宽度都在0.8°以内，点波束相交电平大于-2dB，并且要产生波束指向分别为水平维0°，0.6°，1.2°，1.8°，2.4°，3°，4°的八个定点波束。整个阵列布局由三角形栅格组成，并由大小三角形组成。小正三角形边长映射0.6°的空间角，即边长两端的两个馈源产生的波束指向差0.6°，大正三角形边长映射0.9°的空间角，即边长两端的两个馈源产生的波束指向差0.9°。其中小三角形的设置，正是为了得到8个定点波束。整个阵列布局的边缘由不等三角形组成，这是为了保证波束指向不超过4°空间角。每个馈源单独产生一个波束，每个三角形的三个顶点组成一个馈源组，合成一个波束，总共能产生317个波束。
从图4可以看出馈源阵列中三角形栅格与最终产生的波束图的映射关系。实线圆圈6代表单个馈源产生的波束，虚线圆圈7代表的是三个馈源形成的馈源组所产生的波束，由图可见，设计的点波束紧密排列，均匀覆盖。
图5、图6分别是天线波束不偏转和波束偏转到最大范围4°的方向图，由图可以看出，方向图性能良好，在波束偏转过程中，电性能恶化较小。
图7是8个定点波束的方向图，由图可见，8个定点波束的增益均大于46dB，副瓣电平均小于-25dB，波束宽度均在0.8°以内，电性能较好。
最终，优化实施例实现了如下性能：总共使用127个馈源，产生了317个点波束；并产生一维方向的8个特征点波束；所有点波束增益都在46dB以上，所有点波束宽度都在0.8°以内，点波束相交电平大于-2dB，点波束副瓣电平为-25dB以下，覆盖范围为半张角4°圆锥。
由于所述天线各参数之间的相互制约及本发明所述各步骤之间的紧密联系，本优选实施例中的尺寸设计、排列布局，是经过不断的优化设计，权衡考虑各方面电性能，最终才确定的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。
Claims (6)
1.一种偏馈抛物面多波束天线馈源阵列的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1.确定偏馈抛物反射面天线的主面直径；
步骤2.确定偏馈抛物反射面天线的焦径比；
步骤3.馈源单元的设计；
步骤4.设计偏置抛物反射面的偏置距离
偏置距离的选取原则是以馈源对偏置抛物面下边缘的反射线不遮挡为出发点；
步骤5.设计馈源区域尺寸和合理的馈源布局分布与组合
本步骤即是对馈源阵列排布的设计，利用馈源的横向偏焦，即馈源沿垂直于抛物面轴线的方向移动，使抛物面天线的波束发生偏转，波束偏离轴线，从而使波瓣在小角度范围内实现扫描，以达到天线在高增益的情况下的宽角覆盖能力；为了实现点波束均匀覆盖指定的覆盖角度，采用三角形栅格阵列排布形式，三角形栅格每个顶点代表一个馈源，每个馈源产生一个波束；为了充分利用馈源数，以较少的馈源产生较多的点波束，本步骤采用增强馈源技术，即以每个三角形栅格的三个馈源组成一组，再产生一个波束；通过控制三角形边长即馈源之间的距离，调节形成的点波束之间的距离，使点波束满足相交电平要求，完成波束均匀覆盖；为了形成若干定点波束，根据波束指向角度设计三角形栅格边长，为了不让定点波束影响整个波束覆盖的格局，采用大小不一的三角形栅格组成阵列排布。
2.根据权利要求1所述的偏馈抛物面多波束天线馈源阵列的设计方法，其特征在于：所述步骤2中焦径比选取范围在0.5-1之间。
3.根据权利要求1所述的偏馈抛物面多波束天线馈源阵列的设计方法，其特征在于：所述馈源布局，充分利用了馈源个数，产生的点波束数目大于2倍馈源数，均匀覆盖指定空间角度。
4.根据权利要求1所述的偏馈抛物面多波束天线馈源阵列的设计方法，其特征在于：所述步骤5中首先要根据步骤1-步骤4已得到的尺寸及指标要求的波束覆盖范围，计算出馈源阵列的区域；馈源阵列采用三角形栅格形式，为了得到定点波束，采用大小不同的正三角形；为了不使波束指向超过指标给定的波束覆盖范围，馈源阵列边缘部分用不等三角形补齐。
5.根据权利要求1所述的偏馈抛物面多波束天线馈源阵列的设计方法，其特征在于：所述步骤5的馈源阵列中，小三角形边长对应0.6°的空间角，大三角形边长对应0.9°的空间角，所有的馈源都分布在一定的馈源区域内，小三角形栅格的设置是为了得到8个定点波束。
6.根据权利要求1所述的偏馈抛物面多波束天线馈源阵列的设计方法，其特征在于：利用127个馈源产生了317个点波束，各个点波束增益46dB以上，副瓣电平-25dB以下，波束宽度小于0.8°，点波束间相交电平大于-2dB，形成的点波束能均匀覆盖4°半张角；在水平维方向，形成了0°，0.6°，1.2°，1.8°，2.4°，3°，3.6°，4°八个指向准确的定点波束。
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