CN108281752B - 一种多波束天线及其反射面设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多波束天线及其反射面设计方法，属于天线技术领域。本发明天线包括天线座架、天线面和辐射喇叭；天线面的反射面为赋形曲面，若以过某一馈源焦点且与该馈源焦点所对应的平行光束相垂直的平面作为参考面，则赋形曲面使得从该馈源焦点出发经赋形曲面反射而至参考面的各光线的光程差最小。本发明针对现有多波束卫星接收天线效率较低、尺寸过大的问题，通过对天线面的赋形，可以使多个馈源同时高效地工作，能够满足在全国任何地方高效的同时接收多颗卫星的下行信号。本发明结构简单，易于加工，电性能优良，是对现有技术的一种重要改进。

Description

一种多波束天线及其反射面设计方法

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别是指一种多波束天线及其反射面设计方法。

背景技术

在卫星广播电视接收系统中，接收天线是卫星广播电视接收站的前端设备，在节目传输系统中是一个必不可少的部分，其性能的优劣直接影响着整个系统的性能。因此需要天线具有高效率，低噪声的特性。

目前，多抛物环面卫星接收天线的效率较低，双焦点天线则焦距较长，无法通过单一天线实现在广阔地域内对多颗直播卫星下行信号的同时接收。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种多波束天线及其反射面设计方法，其能够在广阔地域内实现对多颗直播卫星下行信号的同时接收，具有良好的可移动性、使用便捷性和性能可靠性。

基于上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种多波束天线，包括天线座架、天线面和辐射喇叭；所述天线面的反射面为左右对称的赋形曲面，所述辐射喇叭与所述天线面之间位置固定，所述天线面与所述天线座架之间具有俯仰调节机构和方位调节机构；所述赋形曲面具有位于其对称面左右两侧的对称的两个馈源焦点，从馈源焦点向赋形曲面引出的射线经赋形曲面反射后形成平行光束；若以过某一馈源焦点且与该馈源焦点所对应的平行光束相垂直的平面作为参考面，则赋形曲面使得从该馈源焦点出发经赋形曲面反射而至参考面的各光线的光程差最小；所述辐射喇叭分布在赋形曲面的两个馈源焦点之间。

可选的，所述天线面的口面为椭圆形。

可选的，所述天线座架上还设有用于调整座架垂直度的调平机构。

可选的，所述辐射喇叭共有奇数个且排成一行，两侧的辐射喇叭相对于正中的辐射喇叭对称分布。

可选的，所述辐射喇叭为波纹或光壁喇叭。

此外，本发明还提供一种上述多波束天线的反射面的设计方法，其包括以下步骤：

(1)建立o-xyz坐标系，预设反射面方程z＝f(x,y)及最大扫描角度数；其中，f(x,y)为n阶多项式，且反射面相对于yoz平面对称；

(2)在xoz平面以内取定一点作为边缘馈源焦点，以从边缘馈源焦点指向反射面的矢量为入射线，入射线经反射面反射后的矢量为反射线；将反射线与z轴的夹角作为最大扫描角，并将过边缘馈源焦点且与反射线相垂直的平面设定为参考面；

(3)求取从边缘馈源焦点射出的入射线经反射面反射后到参考面的光程；

(4)以光程差为优化目标，通过优化算法求解使得综合光程差最小的反射面方程，完成反射面设计。

可选的，所述步骤(4)中，综合光程差由光程差在函数空间中的范数表达，优化算法为基于泛函分析原理的非线性最优化方法。

可选的，所述步骤(2)中，边缘馈源焦点选取为x轴上的点。

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、本发明天线可以在不同地理位置处同时接收多颗卫星的下行信号，结构简单，使用方便，具有极强的机动性和适应性。

2、本发明天线的反射面构思独特，信号接收能力强，性能非常可靠。

3、本发明易于实现，成本低廉。

总之，本发明针对现有多波束卫星接收天线效率较低、尺寸过大的问题，通过对天线面的赋形，可以使多个馈源同时高效地工作，能够满足在全国任何地方高效的同时接收多颗卫星的下行信号。本发明结构简单，易于加工，电性能优良，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，以下附图均为示例性质的图片，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是本发明实施例中多波束天线的一种结构示意图；

图2是图1中天线座架的一种结构示意图；

图3是本发明实施例中天线反射面设计方法的一个原理示意图；

图4是本发明实施例中多波束天线接收信号的一个原理示意图。

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。

如图1和2所示，一种多波束天线，包括天线座架3、天线面1和辐射喇叭2；所述天线面1的反射面为左右对称的赋形曲面，所述辐射喇叭2与所述天线面1之间位置固定，所述天线面1与所述天线座架3之间具有俯仰调节机构6和方位调节机构5；所述赋形曲面具有位于其对称面左右两侧的对称的两个馈源焦点，从馈源焦点向赋形曲面引出的射线经赋形曲面反射后形成平行光束；若以过某一馈源焦点且与该馈源焦点所对应的平行光束相垂直的平面作为参考面，则赋形曲面使得从该馈源焦点出发经赋形曲面反射而至参考面的各光线的光程差最小；所述辐射喇叭分布在赋形曲面的两个馈源焦点之间。

此外，仍见图2，天线座架3上还可具有用于支撑天线面1的支撑板4，以及用于调整座架垂直度的调平机构7。

可选的，所述天线面的口面为椭圆形。

可选的，所述辐射喇叭共有奇数个且排成一行，两侧的辐射喇叭相对于正中的辐射喇叭对称分布。

可选的，所述辐射喇叭为波纹或光壁喇叭。

上述多波束天线的反射面的设计方法，可以采用如下步骤实现：

首先建立坐标系o-xyz，其中，x轴位于水平方向，y轴位于竖直方向，z轴位于纵深方向，图3为反射面的俯视图。设反射面方程为6阶多项式(阶次可根据实际情况选取，阶次越高精度越大)，为使反射面相对于yoz平面对称，多项式中x仅以偶数次幂出现。则反射面方程为：

该方程共有16个待定系数。

令^表示该矢量方向上的单位矢量。/>表示f(x,y)面上的一个单位矢量，f_x表示f(x,y)在x方向上的分量，f_y表示f(x,y)在y方向上的分量。

设馈源焦点P_f的坐标为则对反射面上任一点/>入射线为

反射线的单位矢量为

设反射线矢量为最大扫描角为θ，则反射线还可表示为

以过馈源焦点且与反射线相垂直的平面为参考面，则参考面方程为 表示参考面上的点，反射线方程又可表示为：/>求得反射线与参考面的交点，λ即可确定：

由馈源焦点出发经反射面反射而至参考面的光程C为：

进一步地，

建立含有多项式系数的目标函数，目标函数是反射面上各点之间的光程差，该目标函数可用函数空间定义的范数表达，它有各种定义，可根据需要选择，本例采用如下定义：

其中：

w(x,y)是加权函数，反映对某个区域的重视程度；

σ为反射面区域，可定义为整个反射面所在的范围；

C₀是所期望的光程；

p是非零正数；

ds表示反射面区域σ的微分。

这样构成非线性最优化问题：

min E(a₀,....,a₆,b₁,....b₄,c₁,c₂,d)。

p可以自由选择，p值较小时，是平均意义上达到最小，p为无穷时，即最大最小方法。利用非线性函数的最优化方法，使目标函数达到最小，即在某种定义下光程差最小，从而得到一组系数。知道系数就知道了反射面的曲面方程。

目标函数优化时可采用非线性无约束方案，但这些算法一般需要给出目标函数的导数，下面来推导各变量的导数：

接着，通过优化算法和最小二乘法进行求解，即可得到多项式的各个系数：

a_i：

-3.6019887830e+002

2.1875001190e-004

6.9568840805e-004

2.2990033631e-014

-8.8367359802e-015

1.0443268789e-015

-1.5619423875e-017

b_i：

6.9715711520e-004

1.9836315381e-014

-1.9054562260e-014

-2.4601184907e-015

1.0284565173e-015

c_i：

1.5377731755e-014

4.6960514159e-014

3.6417494374e-016

d：

1e-100

至此，反射面方程已经得到。进一步地，还可以通过优化算法，以光程差最小有为优化目标，得到各喇叭的最佳位置。

如图4所示，本发明可以同时接收多颗不同经度位置处的卫星信号。使用时，根据地理位置和卫星经度，调整天线的方位和俯仰角度使天线对准卫星，卫星信号经天线反射面反射后进入馈源中，由馈源的端口输出。

总之，本发明针对现有多波束卫星接收天线效率较低、尺寸过大的问题，通过对天线面的赋形，可以使多个馈源同时高效地工作，能够满足在全国任何地方高效的同时接收多颗卫星的下行信号。本发明结构简单，易于加工，电性能优良，是对现有技术的一种重要改进。

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示例性描述，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 (6)

1.一种多波束天线，包括天线座架、天线面和辐射喇叭；其特征在于，所述天线面的反射面为左右对称的赋形曲面，所述辐射喇叭与所述天线面之间位置固定，所述天线面与所述天线座架之间具有俯仰调节机构和方位调节机构；所述赋形曲面具有位于其对称面左右两侧的对称的两个馈源焦点，从馈源焦点向赋形曲面引出的射线经赋形曲面反射后形成平行光束；若以过某一馈源焦点且与该馈源焦点所对应的平行光束相垂直的平面作为参考面，则赋形曲面使得从该馈源焦点出发经赋形曲面反射而至参考面的各光线的光程差最小；所述辐射喇叭分布在赋形曲面的两个馈源焦点之间；

其中，天线面的反射面的设计方式如下：

(1)建立o-xyz坐标系，预设反射面方程z＝f(x,y)及最大扫描角度数；其中，f(x,y)为n阶多项式，且反射面相对于yoz平面对称；

(2)在xoz平面以内取定一点作为边缘馈源焦点，以从边缘馈源焦点指向反射面的矢量为入射线，入射线经反射面反射后的矢量为反射线；将反射线与z轴的夹角作为最大扫描角，并将过边缘馈源焦点且与反射线相垂直的平面设定为参考面；

(3)求取从边缘馈源焦点射出的入射线经反射面反射后到参考面的光程；

(4)以光程差为优化目标，通过优化算法求解使得综合光程差最小的反射面方程，完成反射面设计。

2.根据权利要求1所述的多波束天线，其特征在于，所述天线面的口面为椭圆形。

3.根据权利要求1所述的多波束天线，其特征在于，所述天线座架上还设有用于调整座架垂直度的调平机构。

4.根据权利要求1所述的多波束天线，其特征在于，所述辐射喇叭共有奇数个且排成一行，两侧的辐射喇叭相对于正中的辐射喇叭对称分布。

5.根据权利要求1所述的多波束天线，其特征在于，所述辐射喇叭为波纹或光壁喇叭。

6.如权利要求1～5中任一项所述多波束天线的反射面的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立o-xyz坐标系，预设反射面方程z＝f(x,y)及最大扫描角度数；其中，f(x,y)为n阶多项式，且反射面相对于yoz平面对称；

(2)在xoz平面以内取定一点作为边缘馈源焦点，以从边缘馈源焦点指向反射面的矢量为入射线，入射线经反射面反射后的矢量为反射线；将反射线与z轴的夹角作为最大扫描角，并将过边缘馈源焦点且与反射线相垂直的平面设定为参考面；其中，边缘馈源焦点选取为x轴上的点；

(3)求取从边缘馈源焦点射出的入射线经反射面反射后到参考面的光程；

(4)以光程差为优化目标，通过优化算法求解使得综合光程差最小的反射面方程，完成反射面设计，其中，综合光程差由光程差在函数空间中的范数表达，优化算法为基于泛函分析原理的非线性最优化方法。