CN107086376A - 一种混合赋型大轴比椭圆波束天线及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合赋型大轴比椭圆波束天线及其设计方法，属于卫星通信技术领域。本发明天线包括主反射面和副反射面，主反射面包含第一外环部分和第一内环部分，副反射面包含第二外环部分和第二内环部分，第一外环部分和第一内环部分的分界线以及第二外环部分和第二内环部分的分界线均为椭圆，第一外环部分和第二外环部分构成椭圆赋型卡赛格伦天线结构，第一内环部分和第二内环部分构成椭圆赋型环焦天线结构，第二外环部分和第二内环部分在分界线处一阶连续。本发明克服了现有技术中各种赋型椭圆波束天线的缺点，具有高效率、低旁瓣、低驻波、低剖面、大轴比等等优点，是对现有技术的一种重要改进。

Description

一种混合赋型大轴比椭圆波束天线及其设计方法

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，特别是指一种混合赋型大轴比椭圆波束天线及其设计方法。

背景技术

在卫星通信领域中，赋型双反射面天线技术是目前研究的主流方向，这种天线可以形成椭圆波束，具有低剖面、高效率的特点。

现有技术中的赋型双反射面天线主要有四种具体类型：椭圆波束双偏置格利高里天线、高效率赋型双偏置椭圆波束天线、椭圆波束变焦环焦天线，以及椭圆波束卡氏天线。这四种天线的共同点是采用圆对称馈源，便于加工、成本低廉，并采用特殊赋型的副反射面使圆波束转化成椭圆波束，无能量漏失，便于实现较高效率。但是，由于天线形式等固有的特点，这些天线均存在以下应用缺陷：

1、前两种双偏置结构的椭圆波束天线由于避开了副反射面的遮挡，导致天线纵向尺寸和横向尺寸的增大，不利于实现低剖面和小型化且交叉极化性能较差。

2、变焦距椭圆波束环焦天线虽然有着优良的驻波特性和馈源遮挡小的优点，但由于其特殊的几何结构，目前只能做到1.5:1轴比的椭圆波束。

3、赋型椭圆波束卡塞格伦天线可以实现大轴比椭圆波束，但馈源遮挡较大，这约束了馈源的设计并减小了主反射面的反射效率，制约着天线性能的提升，且由于其几何结构导致驻波性能欠佳。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种混合赋型大轴比椭圆波束天线及其设计方法，其能够简单高效地控制面和面两平面的口面能量分布，消除馈源遮挡，实现高效率、低旁瓣、低驻波的低剖面大轴比椭圆波束天线。

基于上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种混合赋型大轴比椭圆波束天线，其包括主反射面和副反射面，主反射面包含第一外环部分和第一内环部分，副反射面包含第二外环部分和第二内环部分，第一外环部分和第一内环部分的分界线以及第二外环部分和第二内环部分的分界线均为椭圆，第一外环部分和第二外环部分构成椭圆赋型卡赛格伦天线结构，第一内环部分和第二内环部分构成椭圆赋型环焦天线结构，第二外环部分和第二内环部分在分界线处一阶连续。

此外，本发明还提供一种上述混合赋型大轴比椭圆波束天线的设计方法，其包括以下步骤：

(1)在短轴平面内设计主反射面和副反射面的第一组母线，第一组母线包含外环部分的卡赛格伦结构曲线以及内环部分的环焦结构曲线；

(2)在长轴平面内设计主反射面和副反射面的第二组母线，第二组母线包含外环部分的卡赛格伦结构曲线以及内环部分的环焦结构曲线，第二组母线中的环焦结构曲线的顶点与第一组母线中的环焦结构曲线的顶点重合；

(3)根据第一组母线和第二组母线构造不同的过渡函数，并使过渡函数在短轴平面和长轴平面处的导数为零；

(4)根据过渡函数计算出所有面的副反射面坐标，进而得到整个副反射面的曲面；

(5)根据反射定律和等光程原理获得整个主反射面的曲面。

可选的，上述步骤(1)和步骤(2)中设计母线的具体方式为：

(X01)确定外环部分主反射面直径、外环部分副反射面直径、馈源照射角度、内环最大照射角以及外环部分焦径比；

(X02)根据馈源的辐射方向图和指标需求选取口面场；

(X03)应用卡塞格伦天线的赋型方法计算得到外环部分的卡赛格伦结构曲线；

(X04)根据卡赛格伦结构曲线和环焦结构曲线的相切关系确定内环部分主反射面直径、内环部分副反射面直径以及内环部分焦径比；

(X05)结合步骤(X01)中的内环最大照射角，并选用与外环部分相同的光程、馈源辐射方向图以及主反射面口面场分布函数，应用环焦天线的赋型方法计算得到内环部分的环焦结构曲线。

可选的，上述步骤(5)的具体方式为：

(501)获得副反射面的单位法向量；

(502)根据反射定律，得到经副反射面反射后，指向主反射面的向量的单位矢量；

(503)由等光程条件得到主反射面的矢量，并由该矢量求得主反射面坐标。

可选的，上述步骤(3)中的过渡函数由多项式、特殊函数或组合函数计算得到。

从上面的叙述可以看出，本发明技术方案的有益效果在于：

1、本发明混合赋型大轴比椭圆波束天线克服了现有赋型椭圆波束天线的缺点，能够扬长避短消除馈源遮挡，可以简单有效地约束第一旁瓣，实现高效率、低驻波特性的大轴比椭圆波束天线，可以做到2:1轴比的椭圆波束。

2、本发明可以简单有效地控制两对称平面中的口面场，易于控制整个椭圆口径的能量分布。

3、本发明所选取的内环和外环过渡函数不同，可以追求内环区域内合理的能量分布和外环主反射面的最大轮廓，从而进一步优化控制两对称平面之间的能量分布，提升天线的整体性能。

总之，本发明克服了现有技术中各种赋型椭圆波束天线的缺点，具有高效率、低旁瓣、低驻波、低剖面、大轴比等等优点，是对现有技术的一种重要改进。

附图说明

为了更加清楚地描述本专利，下面提供一幅或多幅附图，这些附图旨在对本专利的背景技术、技术原理和/或某些具体实施方案做出辅助说明。需要注意的是，这些附图可以给出也可以不给出一些在本专利文字部分已有描述且属于本领域普通技术人员公知常识的具体细节；并且，因为本领域的普通技术人员完全可以结合本专利已公开的文字内容和/或附图内容，在不付出任何创造性劳动的情况下设计出更多的附图，因此下面这些附图可以涵盖也可以不涵盖本专利文字部分所叙述的所有技术方案。此外，这些附图的具体内涵需要结合本专利的文字内容予以确定，当本专利的文字内容与这些附图中的某个明显结构不相符时，需要结合本领域的公知常识以及本专利其他部分的叙述来综合判断到底是本专利的文字部分存在笔误，还是附图中存在绘制错误。特别地，以下附图均为实例性质的图片，并非旨在暗示本专利的保护范围，本领域的普通技术人员通过参考本专利所公开的文字内容和/或附图内容，可以在不付出任何创造性劳动的情况下设计出更多的附图，这些新附图所代表的技术方案依然在本专利的保护范围之内。

图1是本发明实施例中一种混合赋型大轴比椭圆波束天线的主视图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1中副反射面的放大图；

图4是图2中副反射面的放大图。

图中包含：主反射面1，副反射面2，XOZ平面(即的短轴平面)上主反射面母线的外环部分3，XOZ平面上副反射面母线的外环部分4，XOZ平面上主反射面母线的内环部分5，XOZ平面上副反射面母线的内环部分6，YOZ平面(即的长轴平面)上主反射面母线的外环部分7，YOZ平面上副反射面母线的外环部分8，YOZ平面上主反射面母线的内环部分9，YOZ平面上副反射面母线的内环部分10。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员对本专利技术方案的理解，同时，为了使本专利的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，并使权利要求书的保护范围得到充分支持，下面以具体案例的形式对本专利的技术方案做出进一步的、更详细的说明。

需要说明的是，本专利中所采用的“第一”“第二”等用语仅仅是为了区分多个/组/类具有相同名称的不同对象而使用的文字标记，从而便于对技术方案作出准确描述。显然，这些标记性质的用语不具有任何排序或计数的含义，也不具有相当于冠词或指示代词的语义内涵。

一种混合赋型大轴比椭圆波束天线，其包括主反射面和副反射面，主反射面包含第一外环部分和第一内环部分，副反射面包含第二外环部分和第二内环部分，第一外环部分和第一内环部分的分界线以及第二外环部分和第二内环部分的分界线均为椭圆，第一外环部分和第二外环部分构成椭圆赋型卡赛格伦天线结构，第一内环部分和第二内环部分构成椭圆赋型环焦天线结构，第二外环部分和第二内环部分在分界线处一阶连续。

该实施例天线具有高效率、低旁瓣、低驻波、低剖面、大轴比等等优点，是对现有技术的一种重要改进。

上述混合赋型大轴比椭圆波束天线的一种设计方法，其包括以下步骤：

(1)在短轴平面内设计主反射面和副反射面的第一组母线，第一组母线包含外环部分的卡赛格伦结构曲线以及内环部分的环焦结构曲线；

(2)在长轴平面内设计主反射面和副反射面的第二组母线，第二组母线包含外环部分的卡赛格伦结构曲线以及内环部分的环焦结构曲线，第二组母线中的环焦结构曲线的顶点与第一组母线中的环焦结构曲线的顶点重合；

(3)根据第一组母线和第二组母线构造不同过渡函数，并使过渡函数在短轴平面和长轴平面处的导数为零；

(4)根据过渡函数计算出所有面的副反射面坐标，进而得到整个副反射面的曲面；

(5)根据反射定律和等光程原理获得整个主反射面的曲面。

该设计方法简单易行，能够对天线的性能做出良好优化，具有极强的可操作性。此外，本实施例方法所选取的内环和外环过渡函数不同，可以追求内环区域内合理的能量分布和外环主反射面的最大轮廓，从而进一步优化控制两对称平面之间的能量分布，提升天线的整体性能。

可选的，上述步骤(1)和步骤(2)中设计母线的具体方式为：

(X01)确定外环部分主反射面直径、外环部分副反射面直径、馈源照射角度、内环最大照射角以及外环部分焦径比；

(X02)根据馈源的辐射方向图和指标需求选取口面场；

(X03)应用卡塞格伦天线的赋型方法计算得到外环部分的卡赛格伦结构曲线；

(X04)根据卡赛格伦结构曲线和环焦结构曲线的相切关系确定内环部分主反射面直径、内环部分副反射面直径以及内环部分焦径比；

(X05)结合步骤(X01)中的内环最大照射角，并选用与外环部分相同的光程、馈源辐射方向图以及主反射面口面场分布函数，应用环焦天线的赋型方法计算得到内环部分的环焦结构曲线。

可选的，上述步骤(5)的具体方式为：

(501)获得副反射面的单位法向量；

(502)根据反射定律，得到经副反射面反射后，指向主反射面的向量的单位矢量；

(503)由等光程条件得到主反射面的矢量，并由该矢量求得主反射面坐标。

可选的，上述步骤(3)中的过渡函数由多项式、特殊函数或组合函数计算得到。

一种更加具体的设计方法，其包含如下步骤：

(1)在直角坐标系XOZ平面(即的短轴平面)中设计天线的第一组主副反射面母线。

该母线由两部分组成：外环部分的卡塞格伦结构曲线和内环部分的环焦结构曲线。

首先，计算外环部分卡塞格伦结构的主副反射面曲线。由实际工程需要和天线几何结构确定出面的外环部分(卡塞格伦结构)的初始参数：主反射面直径D_m＝600mm、副反射面直径D_s＝150mm、馈源照射角度θ_m＝36°、内环最大照射角θ_c＝18°和焦径比τ＝0.65，曲线和参数示意图如图2所示。根据实际馈源的辐射方向图和指标需求选取合适的口面场，应用卡塞格伦天线的赋型方法计算得到外环部分的主副反射面曲线r_0°,out(θ)，此时得到的曲线只有θ∈(θ_c,θ_m)是外环部分，副反射面母线的内外端点(x_sc,y_sc,z_sc)、(x_sm,y_sm,z_sm)分别为(31.74,0,97.69)和(75,0,103.2)，主反射面母线的内外端点(x_c,y_c,z_c)、(x_m,y_m,z_m)分别为(229,0,-155)和(300,0,-130)。

其次，计算内环部分的环焦结构的主副反射面曲线。由外环曲线和中切角θ_c确定出内环部分环焦天线曲线的初始参数：内环主副反射面直径D_m′＝2z_c＝458mm、D_s′＝2z_sm＝63.4mm、内环最大照射角θ_c＝18°和焦径比τ′＝0.54。为满足天线的宽频特性，内环环焦结构的光程与外环部分的相同Ck＝582mm；考虑整体的优化设计，选与外环相同的馈源辐射方向图为f(θ)和相同的主反射面口面场分布函数为F₁(θ)，但θ∈(0,θ_c)。曲线和参数示意图如图3。接着，应用环焦天线的赋型方法计算得到内环部分的主副反射面曲线r_0°,in(θ)。得到的曲线θ∈(θ₀,θ_c)是内环部分，副反射面母线的内外端点P、(x_sc,y_sc,z_sc)分别为(0,0,91.1)和(31.74,0,97.69)，主反射面母线内外端点(x₀,y₀,z₀)、(x_c,y_c,z_c)分别为(75,0,-189),(229,0,-155)。

至此设计完成了第一组主副反射面母线r_0°(θ)。

(2)选取长轴的初始参数D_m＝1200mm、θ_m＝36°、θ_c＝18°和口面场分布函数F₂(θ)，使用短轴平面中相同的光程Ck＝582mm，同理步骤(1)，在直角坐标系YOZ平面(即长轴平面)中设计出天线的第二组主副反射面母线r_90°(θ)。在此步骤中应用优化算法或牛顿逼近法选取一合理值D_s＝177mm以保证该平面的环焦顶点和XOZ平面中的顶点重合，这样有利于之后对整个反射面曲面的构造。

(3)为确定步骤(1)和步骤(2)中两个面之间的主副面引入过渡函数。因为面和面是天线主副反射面的对称平面，所以要保证在对称面中的入射线和反射线在各自的同一平面内，故选取的过渡函数需要满足在这两平面处关于的导数为零。

具体来说，在时，在时，

过渡函数可以用多项式计算得到，也可以选择满足以上条件的特殊函数如或其组合函数如(其中c1,c2为系数)。为了获得较大的口径和优良的椭圆口径能量分布，本设计方法选取的内环和外环过渡函数分别为：系数v＝1.1和v＝0.9的超椭圆过渡函数：

其中，

用过渡函数可计算出所有面的副反射面坐标，进而得到整个副反射面的曲面为：

(4)在三维空间中应用反射定律和等光程原理即可求出主反射面。对于步骤(3)中确定的副反射面曲面，可以用曲面拟合也可以用数值计算得到该副反射面的单位法向量e_n。

由反射定律，可得到经副反射面反射指向主反射面的向量s的单位矢量：

e_s＝e_r-2(e_n·e_r)e_n，

其中，e_r为副面向量r的单位向量。

由等光程条件可得到主反射面矢量为：

其中z为主反射面的z坐标值。

由此便可求得主反射面坐标。

至此，完成了混合赋型大轴比椭圆波束天线的计算。

需要注意的是，本专利权利要求书中所谓的“步骤”是指用于实现本专利方法的任一具体流程中的一个必要环节，并不包含对步骤执行顺序的限定，本领域普通技术人员完全能够在理解了本专利某一权项中各步骤间的内在逻辑的基础上，对这些步骤的具体执行顺序做出各种符合这种内在逻辑的实际安排。因此，任何一种应用了本专利某一权项中所有步骤的、符合这些步骤间的内在逻辑的、用于实现本专利方法的，且具有特定执行顺序的具体步骤序列，均在本专利的保护范围之内。

需要理解的是，上述对于本专利具体实施方式的叙述仅仅是为了便于本领域普通技术人员理解本专利方案而列举的个例性描述，并非暗示本专利的保护范围仅仅被限制在这些个例中，本领域普通技术人员完全可以在对本专利技术方案做出充分理解的前提下，以不付出任何创造性劳动的形式，通过对本专利所列举的各个例采取组合技术特征、替换部分技术特征、加入更多技术特征等等方式，得到更多的具体实施方式，所有这些具体实施方式均在本专利权利要求书的涵盖范围之内，因此，这些新的具体实施方式也应在本专利的保护范围之内。

此外，出于简化叙述的目的，本专利也可能没有列举一些寻常的具体实施方案，这些方案是本领域普通技术人员在理解了本专利技术方案后能够自然而然想到的，显然，这些方案也应包含在本专利的保护范围之内。

出于简化叙述的目的，上述各具体实施方式对于技术细节的公开程度可能仅仅达到本领域技术人员可以自行决断的程度，即，对于上述具体实施方式没有公开的技术细节，本领域普通技术人员完全可以在不付出任何创造性劳动的情况下，在本专利技术方案的充分提示下，借助于教科书、工具书、论文、专利、音像制品等等已公开文献予以完成，或者，这些细节是在本领域普通技术人员的通常理解下，可以根据实际情况自行作出决定的内容。可见，即使不公开这些技术细节，也不会对本专利技术方案的公开充分性造成影响。

总之，在结合了本专利说明书对权利要求书保护范围的解释作用的基础上，任何落入本专利权利要求书涵盖范围的具体实施方案，均在本专利的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种混合赋型大轴比椭圆波束天线，其特征在于，包括主反射面和副反射面，所述主反射面包含第一外环部分和第一内环部分，所述副反射面包含第二外环部分和第二内环部分，所述第一外环部分和第一内环部分的分界线以及所述第二外环部分和第二内环部分的分界线均为椭圆，所述第一外环部分和第二外环部分构成椭圆赋型卡赛格伦天线结构，所述第一内环部分和第二内环部分构成椭圆赋型环焦天线结构，所述第二外环部分和第二内环部分在分界线处一阶连续。

2.如权利要求1所述的混合赋型大轴比椭圆波束天线的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在短轴平面内设计主反射面和副反射面的第一组母线，所述第一组母线包含外环部分的卡赛格伦结构曲线以及内环部分的环焦结构曲线；

(2)在长轴平面内设计主反射面和副反射面的第二组母线，所述第二组母线包含外环部分的卡赛格伦结构曲线以及内环部分的环焦结构曲线，所述第二组母线中的环焦结构曲线的顶点与第一组母线中的环焦结构曲线的顶点重合；

(3)根据第一组母线和第二组母线构造不同的过渡函数，并使过渡函数在短轴平面和长轴平面处的导数为零；

(4)根据过渡函数计算出所有面的副反射面坐标，进而得到整个副反射面的曲面；

(5)根据反射定律和等光程原理获得整个主反射面的曲面。

3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)中设计母线的具体方式为：

(X01)确定外环部分主反射面直径、外环部分副反射面直径、馈源照射角度、内环最大照射角以及外环部分焦径比；

(X02)根据馈源的辐射方向图和指标需求选取口面场；

(X03)应用卡塞格伦天线的赋型方法计算得到外环部分的卡赛格伦结构曲线；

(X04)根据卡赛格伦结构曲线和环焦结构曲线的相切关系确定内环部分主反射面直径、内环部分副反射面直径以及内环部分焦径比；

(X05)结合步骤(X01)中的内环最大照射角，并选用与外环部分相同的光程、馈源辐射方向图以及主反射面口面场分布函数，应用环焦天线的赋型方法计算得到内环部分的环焦结构曲线。

4.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，步骤(5)的具体方式为：

(501)获得副反射面的单位法向量；

(502)根据反射定律，得到经副反射面反射后，指向主反射面的向量的单位矢量；

(503)由等光程条件得到主反射面的矢量，并由该矢量求得主反射面坐标。

5.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，步骤(3)中的过渡函数由多项式、特殊函数或组合函数计算得到。