CN104103910A - 一种单口径多波束天线的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单口径多波束天线的优化设计方法，该天线包括反射器和馈源阵列，该方法通过对反射面进行赋形优化，在旁瓣抬升较小的前提下展宽天线波束，提高了波束的交叠增益，解决了传统单口径单馈源多波束天线交叠增益与旁瓣电平之间的矛盾，并且在优化过程中兼顾了收、发波束的指标要求，采用单口径单馈源子波束形成方式实现了高增益、低旁瓣的收发共用波束。

Description

一种单口径多波束天线的优化设计方法

技术领域

本发明属于星载天线技术领域，具体地，涉及一种单口径多波束天线的优化设计方法。

背景技术

随着卫星宽带多媒体业务需求的快速增长，使相对空闲的Ka频段代替C频段和Ku频段成为全球各地高清电视及宽带多媒体双向业务的首选频段。为了充分利用有限的频谱和功率资源，Ka宽带通信卫星主要采用多波束天线形式。

星载多波束天线主要有直射相控阵天线和反射面+馈源阵列天线两大类。直射相控阵天线波束的形成网络复杂，当形成多个波束时，通道组件成倍增加，最终导致整副相控阵天线的重量、功耗和热耗都比较大，并且其工作频率带宽有限。反射面+馈源阵列多波束天线由于使用了反射面，能够使用较小的阵列馈源实现高增益多波束的要求，降低了系统的复杂程度。

目前，反射面+馈源阵列多波束天线的成型方法主要有以下两种：一种是比较简单的基本成束法，另一种是较为复杂的增强成束法。基本成束法的特点是每一个喇叭照射反射器产生一个波束；增强成束方法则通过多个喇叭的组合得到若干个等效馈源照射反射器，从而形成多个波束。反射面+馈源阵列多波束天线按照口径又可分为：单口径单馈源多波束天线，单口径多馈源多波束天线和多口径单馈源多波束天线。

单口径单馈源子波束形成多波束，为了实现相邻波束的交叠和无缝覆盖，馈源的边缘照射电平一般选择-3dB到-5dB左右，其口径一般为0.8-1.0个波长。由于反射面边缘的散射和绕射的影响，导致次级波束的旁瓣较高(-15dB左右)，馈源偏焦后馈源的漏射较为严重，多波束天线口径效率较低，导致增益较低，天线存在旁瓣高、波束交叠增益低、扫描波束变形、波束C/I低等诸多问题，该类型的天线适用于一些稀疏排列以及频率复用次数较少的多波束系统。

单口径多馈源优化合成多波束，其通过优化多馈源幅度和相位激励系数实现各点波束的高增益和低旁瓣，但是难题在于，当系统所需波束数目较多且频段较高时，其馈电网络较复杂，需要大量的移相衰减组件和控制组件，体积、重量、功耗较大。

多口径单馈源子波束形成多波束，每副口径天线可以选择较大口径的馈源喇叭，不同口径的天线对应的馈源阵形成的波束间隔排列，无需复杂的馈电网络就能实现高增益和低旁瓣无缝覆盖。但多口径多波束天线数量依然较多，重量和体积相对单口径多波束天线而言较大，在卫星平台有限的布局空间内对多反射面的重叠收拢技术、多反射面异步展开技术、高精度二维指向机构技术和在轨天线波束指向校准都提出了很高的要求，技术难度较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有单口径多波束天线存在的旁瓣高、波束交叠增益低、扫描波束变形、波束C/I低等诸多问题，提出一种单口径多波束天线的优化设计方法，该方法能够以较低的技术难度实现高增益、低旁瓣的收发共用多波束。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案包括：

一种单口径多波束天线的优化设计方法，所述天线包括反射器和馈源阵列，其中，反射器为赋形反射面，馈源阵列包括多个结构和尺寸完全相同的光壁赋形馈源喇叭，并且所述方法包括：

(S1)根据设计指标的要求确定反射器的口径D、焦距F、以及偏置距离H；

(S2)确定馈源喇叭的内径；

(S3)根据步骤(S2)中确定的馈源喇叭的内径，利用Champ软件对馈源喇叭进行赋形，并根据服务区的范围和天线的波束宽度计算出所需的馈源数量；

(S4)反射器的赋形

以根据步骤(S3)赋形后的馈源喇叭的照射方向图为输入条件，进行反射器的赋形优化，具体地：

(S41)以反射器相对于标准抛物面的形变量作为优化变量X；

(S42)根据设计指标所要求的波束宽度要求，在各波束的相应位置布置观测站点，形成观测变量Y；

(S43)设置各个观测站点的增益要求和权值系数；

(S44)利用物理光学法计算不同频点下各个观测站点的天线性能，并与设置要求进行对比构建目标函数F(X,Y)；

(S45)采用Minimax算法对根据步骤(S44)构建的目标函数F(X,Y)进行优化，如果优化结果满足设计要求，则结束优化；否则，返回到步骤(S43)中调整各个观测站点的增益要求和权值系数，重新进行优化，直至优化结果满足设计要求为止。

优选地，在步骤(S1)中：反射器的口径D的大小取决于设计的波束宽度θ_3dB、工作波长λ和旁瓣电平SL的设计要求，具体地，根据下面的公式确定反射器的口径D：

D＝2*(33.2-1.55SL)λ/θ_3dB；

焦距F的选择应当使得F/D的取值在1.5～2的范围内；

偏置距离H的选择应使得馈源阵列不对反射器造成几何遮挡。

优选地，在步骤(S2)中，根据下面的公式确定馈源喇叭的内径：

r＝(d-dr-2*h)/2，

d＝arctan(θ_s/BDF)*2F/(1+cosθ₀)，

BDF＝(1+0.36(D/4F)²)/(1+(D/4F)²)，

上式中，θ_s为相邻波束间的间距，θ₀为天线的偏置角，F为反射器的焦距，D为反射器的口径，d为馈源阵列中相邻馈源喇叭的中心距，dr为相邻馈源喇叭的外壁间的间隔，h为馈源喇叭的壁厚,BDF为中间过程参数。

优选地，步骤(S3)的具体操作为：根据步骤(2)中确定的馈源喇叭的内径，在Champ软件中建立馈源喇叭的初始模型，然后将馈源喇叭在其半张角处的锥削电平、交叉极化隔离度、回波损耗作为优化目标，利用Champ软件自带的优化程序进行馈源喇叭的赋形优化。

优选地，在步骤(S41)中，反射器相对于标准抛物面的优化变量X通过以下方式确定：反射器在其口径截面内的投影为一个圆形区域，把这个圆形区域等间隔地划分为一个中心圆和n个小圆环，设定中心圆内部和各个圆环内部的天线的形变量是一致的，依次为z0、z1、z2…zn，这n+1个相位组合起来即构成优化变量X，其中，n为正整数。

优选地，在步骤(S42)中，当波束个数较多时，选择中心波束和位于服务区边缘的波束作为设置观测站点的重点区域；并且为了保证天线上、下行频带范围内的性能均能满足设计要求，在步骤(S43)中，在天线上、下行的不同频点分别设置观测站点的增益要求和权值系数，各个观测站点的增益要求根据设计指标要求确定，权值系数根据各个站点的重要程度进行设置，对重要程度较高的观测站点设置较大的权值系数。

优选地，在步骤(S44)中，目标函数F(X,Y)根据以下公式确定：

F(X,Y)＝(F1(X,Y₁),F1(X,Y₂)…F1(X,Y_M))^T

F1(X,Y_m)＝w_m[D1(Y_m)-f_co(X,Y_m)]

上式中，w_m是第m个观测站点的权重系数；D1(Y_m)是第m个观测站点设计要求的主极化电场值；f_co(X,Y_m)是反射器的优化变量为X的情况下，利用物理光学法计算得到的第m个观测站点的主极化电场值；F1(X,Y₁)是优化变量为X的情况下，第1个观测站点的冗余值；F1(X,Y₂)是优化变量为X的情况下，第2个观测站点的冗余值；依次类推，F1(X,Y_M)是优化变量为X的情况下，第M个观测站点的冗余值；M是所取的观测站点的总数目，并且1≤m≤M。

与现有技术相比，根据本发明的单口径多波束天线设计方法具有有益的技术效果：

1、本发明采用单口径单馈源多波束天线的设计思路，通过对反射面赋形，解决了传统的单口径单馈源多波束天线交叠增益偏低、扫描波束变形、波束C/I低等诸多问题；

2、与多口径单馈源多波束天线相比，通过该方法设计的收发共用多波束天线，其天线系统仅需要一副天线，技术难度低，更有利于工程实现。通过对反射面进行赋形优化设计，最终实现了性能良好的收发共用多波束。

附图说明

图1为根据本发明的方法对反射面天线进行优化设计的流程示意图；

图2为根据本发明的方法设计得到的反射面天线的结构示意图；

图3为根据本发明的方法设计得到的天线的下行中心波束切面方向图；

图4为根据本发明的方法设计得到的天线的上行中心波束切面方向图；

图5为根据本发明的方法设计得到的天线的下行远场等值线图；

图6为根据本发明的方法设计得到的天线的上行远场等值线图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的单口径多波束天线的优化设计方法做进一步详细的描述。

如图2所示，根据本发明的单口径多波束天线包括反射器1和馈源阵列2。其中，馈源阵列2包括多个结构和尺寸完全相同的光壁赋形喇叭，并且馈源阵列2位于反射器1的前下方。

参考图1和图2，根据本发明的方法包括以下步骤：

(S1)根据设计指标的要求确定反射器的口径D、焦距F、以及偏置距离H。

反射器的口径D的大小取决于设计的波束宽度θ_3dB、工作波长λ和旁瓣电平SL的设计要求，具体关系如下式所示：

D＝2*(33.2-1.55SL)λ/θ_3dB      (1)

在选择焦距F时，在空间布局允许的前提下，应尽可能选择更大的值。因为较小的F/D会使多波束天线的扫描特性恶化，同时由于馈源尺寸较小导致馈源单元之间的互耦增加，使多波束天线的扫描特性和方向图变坏。而大的焦径比F/D可以减小偏焦后波束的变形。因此，F/D的取值越大越好。但是，考虑到空间限制，优选地，F/D的取值范围在1.5～2之间。

偏置距离H选择的原则是使馈源阵列不对反射器造成几何遮挡。

(S2)确定馈源喇叭的内径

根据步骤(S1)中确定的反射器口径D、焦距F、以及偏置距离H，并结合设计指标中对波束宽度的要求，计算馈源阵列中相邻馈源喇叭的中心距d，其计算公式如下：

d＝arctan(θ_s/BDF)*2F/(1+cosθ₀)       (2)

BDF＝(1+0.36(D/4F)²)/(1+(D/4F)²)     (3)

上式中，θ_s为相邻波束间的间距，θ₀为天线的偏置角，BDF为一中间过程参数。

相邻馈源喇叭的中心距确定后，根据相邻馈源喇叭的中心距扣除馈源喇叭的壁厚h(通常为1～2mm)以及相邻馈源喇叭的外壁之间的间隔dr(通常为2～3mm)便可确定馈源喇叭的内径r。具体如下式所示：

r＝(d-dr-2*h)/2           (4)

(S3)根据步骤(S2)中确定的馈源喇叭的内径，利用Champ软件对馈源喇叭进行赋形，并根据服务区的范围和天线的波束宽度计算出所需的馈源数量

馈源喇叭的内径确定之后，便可以在Champ软件中建立馈源喇叭的初始模型，然后将馈源喇叭在其半张角处的锥削电平、交叉极化隔离度、回波损耗作为优化目标，利用Champ软件自带的优化程序进行馈源喇叭的赋形优化。

在进行馈源喇叭的赋形设计中，馈源喇叭的内径固定不变，通过对馈源喇叭的形状进行优化实现所期望的优化目标。

(S4)反射器的赋形

在馈源喇叭的赋形设计完成后，以赋形后的光壁馈源喇叭的照射方向图为输入条件，进行反射器的赋形优化。具体地：

(S41)对反射器进行优化设计时，将反射器相对于标准抛物面的形变量作为优化对象(即优化变量X)。

反射器在其口径截面内的投影为一个圆形区域，把这个圆形区域等间隔地划分为一个中心圆和n个小圆环，设定中心圆内部和各个圆环内部的天线的形变量是一致的，依次为z0、z1、z2…zn，这n+1个相位组合起来构成优化变量X。通过这样设定的天线形变量相对于投影中心呈圆对称分布。通过采取这样的措施，可以保证偏焦后波束的形变尽可能小，从而有利于后面观测站点的设置。并且将形变量限制在半个工作波长的范围内，避免天线局部区域出现突变，保证优化出的反射面利用目前的工艺能够加工出来。

(S42)优化变量X确定后，根据设计指标所要求的波束宽度要求，在各波束的相应位置布置观测站点，形成观测变量Y。

当波束个数较多时，可以选择中心波束和位于服务区边缘的波束作为设置观测站点的重点区域，从而尽可能减少观测站点的数目，减小优化程序的计算量，加快优化速度。

(S43)设置各个观测站点的增益要求和权值系数；

为了保证天线上、下行频带范围内的性能均能满足设计要求，在天线上、下行的不同频点分别设置观测站点的增益要求和权值系数。各个观测站点的增益要求根据设计指标要求确定，权值系数根据各个站点的重要程度进行设置，对重要程度较高的观测站点设置较大的权值系数。

(S44)观测站点确定后，利用物理光学法计算不同频点下各个观测站点的天线性能，并与设置要求进行对比构建目标函数F(X,Y)，具体形式如下：

F(X,Y)＝(F1(X,Y₁),F1(X,Y₂)…F1(X,Y_M))^T       (5)

F1(X,Y_m)＝w_m[D1(Y_m)-f_co(X,Y_m)]       (6)

上式中，w_m是第m个观测站点的权重系数；D1(Y_m)是第m个观测站点设计要求的主极化电场值；f_co(X,Y_m)是优化变量为X的情况下，利用物理光学法计算得到的第m个观测站点的主极化电场值；F1(X,Y₁)是优化变量为X的情况下，第1个观测站点的冗余值；F1(X,Y₂)是优化变量为X的情况下，第2个观测站点的冗余值；F1(X,Y_M)是优化变量为X的情况下，第M个观测站点的冗余值，M是所取的观测站点的总数目，1≤m≤M。

在采用物理光学法计算观测站点的性能时，需要根据馈源喇叭的照射方向图来计算反射器表面的感应电流，这个过程中需要利用反射面内表面的法向量。由于反射面不是采用解析函数来表示，所以无法采用解析的方法求解反射面的法向量，需要采用差分的方法进行求解。

(S45)最后，采用Minimax算法对所构建的目标函数进行优化。如果优化结果满足设计要求，则结束优化；否则，返回到步骤(S43)中调整各个观测站点的增益要求和权值系数，重新进行优化，直至优化结果满足设计要求为止。

为了说明根据本发明的单口径多波束天线的优化设计方法的有效性，下面以对一个服务区为中国国土和近海、工作在Ka频段的单口径多波束天线进行了优化设计为例进行说明。

(S1)根据设计指标的要求确定反射器的口径D、焦距F、以及偏置距离H

设计指标要求：天线的波束宽度为1°，天线的下行增益要求为39dBi，上行增益要求为37.8dBi，旁瓣电平为-23dB，工作波长下行为15mm，上行为10mm，上、下行波束要无缝地覆盖中国国土和近海。

因此，按照天线下行的性能要求，可以确定天线的基本参数如下：

D＝2*(33.2+1.55*23)*15/1＝2065.5mm     (7)

考虑到偏焦的波束会有一定的变形和增益损失，确定反射面的口径D为2.2m。

为了减小扫描波束性能的恶化，选择F/D值为2，则

F＝2*D＝2*2.2＝4.4m        (8)

为了避免馈源阵列对反射器的遮挡，偏置距离H选为1.9m。

(2)确定馈源喇叭的内径

馈源阵列由尺寸相同的光壁赋形喇叭构成，馈源喇叭的内径通过下面的公式求得，其中，相邻波束间的间距θ_s为1°，天线的偏置角θ₀为24°：

BDF＝(1+0.36(D/4F)²)/(1+(D/4F)²)

＝(1+0.36(2.2/(4*4.4))²)/(1+(2.2/(4*4.4))²)        (9)

＝0.9902

d＝arctan(θ_s/BDF)*2F/(1+cosθ₀)

＝arctan(1*(π/180)/0.9902)*2*4.4/(1+cos(24*π/180))       (10)

＝81.1mm

为了实现需要的波束偏移角，将相邻馈源喇叭的中心距d的值选择为82mm。

取相邻馈源喇叭的外壁间的间隔dr为2mm，馈源喇叭的壁厚h为1mm，则馈源喇叭的内径r为：

r＝(d-dr-2*h)/2

＝(82-2-2*1)/2         (11)

＝39mm

然后，根据前面的步骤(S3)和(S4)分别对馈源喇叭和反射器进行赋形优化设计。

经过仿真验证，采用根据本发明的方法所设计的单口径多波束天线在上下行两个频段的波束都得到了有效的展宽，而旁瓣电平依然保持在一个较低的水平(如图3和图4所示)。赋形优化后，天线上、下行波束均能够以较高的增益无缝地覆盖服务区。扣除1.5dB的损耗后，天线下行波束对服务区的覆盖增益为39dBi(如图5所示)；扣除1.5dB的损耗后，天线上行波束对服务区的覆盖增益为38dBi(如图6所示)。其中，图3和图4分别表示优化后天线下、上行中心波束的切面方向图，横坐标为角度(θ)，单位为度；纵坐标为方向性系数(D)，单位为dBi。其中，图5和图6分别表示天线下、上行波束对服务区的覆盖情况，横坐标为俯仰角(az)，单位为度；纵坐标为方位角(el)，单位为度。

该天线解决了传统单口径多波束天线旁瓣电平与波束交接的矛盾，具有增益高、旁瓣低等优点，并且该天线基于自身方案特点，具有原理简单、重量轻等优点，在高性能宽带通信卫星、宽带多媒体卫星和宽角扫描侦察卫星中，有着很强的实用性和市场竞争力。

在此，需要说明的是，本说明书中未详细描述的内容，是本领域技术人员通过本说明书中的描述以及现有技术能够实现的，因此，不做赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种单口径多波束天线的优化设计方法，其特征在于：所述天线包括反射器(1)和馈源阵列(2)，其中，反射器(1)为赋形反射面，馈源阵列(2)包括多个结构和尺寸完全相同的光壁赋形馈源喇叭，并且所述方法包括：

(S1)根据设计指标的要求确定反射器的口径D、焦距F、以及偏置距离H；

(S2)确定馈源喇叭的内径；

(S3)根据步骤(S2)中确定的馈源喇叭的内径，利用Champ软件对馈源喇叭进行赋形，并根据服务区的范围和天线的波束宽度计算出所需的馈源数量；

(S4)反射器的赋形

以步骤(S3)赋形后的馈源喇叭的照射方向图为输入条件，进行反射器的赋形优化，具体地：

(S41)以反射器相对于标准抛物面的形变量作为优化变量X；

(S42)根据设计指标所要求的波束宽度，在各波束的相应位置布置观测站点，形成观测变量Y；

(S43)设置各个观测站点的增益要求和权值系数；

(S44)利用物理光学法计算不同频点下各个观测站点的天线性能，并与设置要求进行对比构建目标函数F(X,Y)；

(S45)采用Minimax算法对根据步骤(S44)构建的目标函数F(X,Y)进行优化，如果优化结果满足设计要求，则结束优化；否则，返回到步骤(S43)中调整各个观测站点的增益要求和权值系数，重新进行优化，直至优化结果满足设计要求为止。

2.根据权利要求1所述的单口径多波束天线的优化设计方法，其特征在于，在步骤(S1)中：

反射器的口径D的大小取决于设计的波束宽度θ_3dB、工作波长λ和旁瓣电平SL的设计要求，具体地，根据下面的公式确定反射器的口径D：

D＝2*(33.2-1.55SL)λ/θ_3dB；

焦距F的选择应当使得F/D的取值在1.5～2的范围内；

偏置距离H的选择应使得馈源阵列不对反射器造成几何遮挡。

3.根据权利要求1所述的单口径多波束天线的优化设计方法，其特征在于，在步骤(S2)中，根据下面的公式确定馈源喇叭的内径：

r＝(d-dr-2*h)/2，

d＝arctan(θ_s/BDF)*2F/(1+cosθ₀)，

BDF＝(1+0.36(D/4F)²)/(1+(D/4F)²)，

上式中，θ_s为相邻波束间的间距，θ₀为天线的偏置角，F为反射器的焦距，D为反射器的口径，d为馈源阵列中相邻馈源喇叭的中心距，dr为相邻馈源喇叭的外壁间的间隔，h为馈源喇叭的壁厚,BDF为中间过程参数。

4.根据权利要求1所述的单口径多波束天线的优化设计方法，其特征在于，步骤(S3)的具体操作为：

根据步骤(2)中确定的馈源喇叭的内径，在Champ软件中建立馈源喇叭的初始模型，然后将馈源喇叭在其半张角处的锥削电平、交叉极化隔离度、回波损耗作为优化目标，利用Champ软件自带的优化程序进行馈源喇叭的赋形优化。

5.根据权利要求1所述的单口径多波束天线的优化设计方法，其特征在于，在步骤(S41)中，反射器相对于标准抛物面的形变量X通过以下方式确定：反射器在其口径截面内的投影为一个圆形区域，把这个圆形区域等间隔地划分为一个中心圆和n个小圆环，设定中心圆内部和各个圆环内部的天线的形变量是一致的，依次为z0、z1、z2…zn，这n+1个相位组合起来即构成优化变量X，其中，n为正整数。

6.根据权利要求1所述的单口径多波束天线的优化设计方法，其特征在于，在步骤(S42)中，当波束个数较多时，选择中心波束和位于服务区边缘的波束作为设置观测站点的重点区域；并且为了保证天线上、下行频带范围内的性能均能满足设计要求，在步骤(S43)中，在天线上、下行的不同频点分别设置观测站点的增益要求和权值系数，各个观测站点的增益要求根据设计指标要求确定，权值系数根据各个站点的重要程度进行设置，对重要程度较高的观测站点设置较大的权值系数。

7.根据权利要求1所述的单口径多波束天线的优化设计方法，其特征在于，在步骤(S44)中，目标函数F(X,Y)根据以下公式确定：

F(X,Y)＝(F1(X,Y₁),F1(X,Y₂)…F1(X,Y_M))^T

F1(X,Y_m)＝w_m[D1(Y_m)-f_co(X,Y_m)]

上式中，w_m是第m个观测站点的权重系数；D1(Y_m)是第m个观测站点设计要求的主极化电场值；f_co(X,Y_m)是反射器的优化变量为X的情况下，利用物理光学法计算得到的第m个观测站点的主极化电场值；F1(X,Y₁)是优化变量为X的情况下，第1个观测站点的冗余值；F1(X,Y₂)是优化变量为X的情况下，第2个观测站点的冗余值；依次类推，F1(X,Y_M)是优化变量为X的情况下，第M个观测站点的冗余值；M是所取的观测站点的总数目，并且1≤m≤M。