CN109103610B - 一种非均匀子波束覆盖的多波束天线及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非均匀子波束覆盖的多波束天线，该天线基于多口径多波束天线技术，包括3～4副标准长焦单偏置抛物面天线，每副天线包括反射器和馈源阵列。该天线通过针对覆盖区内不同区域通信容量的不同，采用不同波束宽度的子波束进行覆盖，进而实现星上资源的最大化利用。该天线有效的解决了反射面口径与波束宽间的矛盾，在实现了不同波束宽度的同时保证波束自身的收发边缘增益，同时提出了解决由于非均匀排布带来的馈源阵中各馈源间物理干涉的问题，以及给出了不同波束宽度馈源喇叭方向图应满足的约束条件。

Description

一种非均匀子波束覆盖的多波束天线及设计方法

技术领域

本发明属于星载天线技术领域，具体涉及一种多波束天线及其设计方法。

背景技术

随着宽带大容量通信卫星的需求不断增长，多波束天线技术被广泛的应用和发展。目前，宽带大容量通信卫星主要工作在Ku和Ka频段。未来的多波束天线将朝着广域覆盖和大容量通信方向发展。为了提高通信容量希望采用波束宽度较小的波束对服务区进行覆盖以获得更高的增益和频率复用次数，但是传统的多波束天线多采用相同的波束宽度对覆盖区进行覆盖，若采用较小波束覆盖由于星上资源的限制不能实现覆盖区的完全覆盖，另一方面若采用较大波束覆盖则不能满足覆盖区内热点区域的通信需求。为了最大限度的利用星上资源，平衡覆盖区与通信容量的需求，需要研究一种新型的多波束天线，能够以卫星能力为基础，针对覆盖区内不同的通信需求进行覆盖。

目前国内外的通信卫星搭载的多波束天线主要有两种形式，一种为单口径反射面多波束天线，另一种为多口径反射面多波束天线。对单口径反射面多波束天线来说又可以分为单口径赋形多波束天线和单口径多馈源合成多波束天线，单口径赋形多波束天线适用于波束宽度相同且波束宽度较大的情况，而单口径多馈源合成多波束天线由于需要通过馈电网络的合成因此随着波束数量的增加功耗热耗、体积和重量也会随着增加，因此这两种形式的多波束天线目前适用于中等波束数量的多波束天线。对多口径多波束天线来说，天线可以选择较大口径的喇叭馈源，不同口径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。是未来宽带大容量广域覆盖通信卫星天线的优选形式。

在另一方面，对固定的覆盖区内，每个小区域对通信容量的需求是不平衡的，因此在进行波束设计时候传统的相同波束宽度的多波束天线并没有很好的解决星上资源和地面需求相平衡的问题。

针对这一问题，需要研究一种可以合理优化星上资源的多波束天线。

发明内容

本发明所解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种非均匀子波束覆盖的多波束天线及其设计方法，针对覆盖区内的需求不同来确定波束的最终覆盖，进而解决波束宽、波束数量、星上资源和地面需求之间的矛盾，同时解决同一口径反射面天线如何实现不同波束宽度的子波束的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种非均匀子波束覆盖的多波束天线，包括m副分布在卫星上的标准长焦单偏置抛物面天线；每副标准长焦单偏置抛物面天线包括反射器、馈源组件、馈源阵安装板、馈源阵支撑塔、反射器展开臂、在轨天线指向机构、锁紧释放装置；馈源组件包含n类馈源，对应不同的波束宽度；馈源组件安装在馈源阵安装板上构成馈源阵，馈源阵安装在馈源阵支撑塔上；反射器通过反射器展开臂固定在天线指向机构上；卫星发射时，反射器通过锁紧释放装置安装锁定在卫星的墙板上，卫星入轨后，通过天线指向机构控制反射器进行二维展开；m，n为正整数。

所述反射器为抛物面，材料包括铝蜂窝、碳纤维，反射器的背部通过圆环形的背筋对反射器的形面进行约束。

所述m为3或4。

一种非均匀子波束覆盖的多波束天线的设计方法，包括以下步骤：

步骤一、根据目标覆盖区内各区域不同通信容量的需求，采用不同的波束宽度进行初步的覆盖；

步骤二、确定天线的焦距F；

步骤三、确定天线的偏置高度H；

步骤四、确定天线反射面口径D；

步骤五、确定不同波束宽度的波束对应的馈源喇叭的口径；

步骤六、调整波束位置使得每个馈源阵中各个馈源间不存在物理干涉；

步骤七、在电磁仿真软件中对馈源方向图进行优化；

步骤八、依据步骤一中得到的波束覆盖，步骤二中得到的焦距F，步骤三中得到的偏置高度H，步骤四中得到的天线口径D以及步骤七中得到的馈源方向图，得到非均匀子波束覆盖的多波束天线。

所述步骤一中，采用不同的波束宽度进行初步的覆盖时，通信容量需求要求大于5Gps的区域采用窄波束覆盖，通信容量需求小于等于5Gps的区域采用宽波束覆盖。

所述步骤二中，焦距F满足以下条件：

其中，Δθ_max＝max(AZ_max-AZ_min，EL_max-EL_min)，AZ_max表示方位角的最大值，AZ_min方位角的最小值，EL_max表示俯仰角的最大值，EL_min表示俯仰角的最小值，SL表示卫星平台上能够允许布局的最大馈源阵尺寸；

所述步骤三中，偏置高度H满足以下条件：

θ_sd≥6

其中，θ_sd表示保证天线视场的最小角度。

所述步骤四中，天线反射面口径D的确定方法如下：

步骤4.1：选择使得边缘增益在收发频段相差1dB以内的天线反射面口径，确定为D1；

步骤4.2：选择使得不同波束宽度的波束在收发频段的边缘增益值和旁瓣电平值差值相等或者分别能取到最大值的天线反射面口径，确定为D2；

步骤4.3：取D1，D2的平均值作为最终的反射面口径D。

所述步骤五中，不同波束宽度的波束对应的馈源喇叭的口径依照以下公式计算：

r＝(d-dr-2t)/2

BDF＝(1+0.36(D/4F)²)/(1+(D/4F)²)

其中，r表示馈源喇叭不含壁厚的半径，d为馈源喇叭允许的最大直径，dr表示馈源喇叭间的最小间隙，t表示馈源喇叭的壁厚，n表示天线数量，L表示焦点到反射面中心的距离，θ_BW表示波束宽度，BDF为计算过程中间值。

所述步骤六的具体方法如下：

步骤6.1、根据波束覆盖采用三色或四色原理将每个波束分配至不同的天线中；

步骤6.2、根据步骤五计算得到的馈源口径大小，通过画图软件画出每个馈源阵的二维平面图，观察是否存在物理干涉；若存在物理干涉，则返回步骤一，对波束覆盖进行调整直到完全消除物理干涉；若不存在物理干涉，则进入步骤七。

所述步骤七对馈源方向图进行优化满足如下约束条件：

窄波束对应的馈源喇叭方向图满足如下约束条件：

发射频段方向图满足：

接收频段方向图满足：

宽波束对应的馈源喇叭方向图满足如下约束条件：

发射频段方向图满足：

接收频段方向图满足：

其中，θ₀表示天线的半张角，

表示馈源方向图在θ₀处的增益，Gp表示馈源方向图的峰值增益，θ_SLL表示馈源方向图中第一旁瓣出现位置，G_SLL表示第一旁瓣峰值增益，θ_null表示馈源方向图中第一零深出现的位置，G_null表示馈源方向图中第一零深增益，BW为波束宽度；

所有的馈源喇叭还需要满足以下要求：

其中，G_cx-p表示交叉极化的最大值，VSWR表示馈源的回波损耗，Feed_η表示馈源的口径效率。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用不同大小的波束针对覆盖区内不同的通信容量需求进行覆盖，在保证波束数量的同时有效的解决的星上资源和地面覆盖需求不匹配的矛盾，有效的提高了卫星资源的利用率；

(2)本发明给出了实现不同波束宽度的反射面天线配置的研究方法，尤其是反射面口径参数的选择条件，对多波束天线设计过程中参数的选取及优化有重要的指导意义；

(3)本发明解决了对固定反射面口径限制的条件下，如何实现宽波束的收发等化问题，提出了宽波束馈源方向图应满足的约束条件，通过该约束条件对馈源方向图赋形即可实现固定反射面口径下实现不同波束宽度，同时不同波束自身实现收发边缘增益等化。有效的提高了多波束天线的设计效率。

附图说明

图1为本发明的方法对非均匀子波束覆盖的多波束天线设计的流程示意图；

图2为根据本发明的方法验证算例的覆盖区划分图；

图3为根据本发明的方法得到的波束排布示意图；

图4为根据本发明的方法得到波束边缘增益变化曲线图；

图5为根据本发明的方法得到波束边缘增益与旁瓣电平差值曲线图；

图6为根据本发明的方法得到不同波束对应的反射面天线；

图7为根据本发明的方法得到的A天线对应馈源阵的二维平面图；

图8为根据本发明的方法得到的B天线对应馈源阵的二维平面图；

图9为根据本发明的方法得到的C天线对应馈源阵的二维平面图；

图10为根据本发明的方法得到1°波束对应馈源的方向图；

图11为根据本发明的方法得到1.3°波束对应馈源的方向图；

图12为本发明多波束天线的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图12所示，一种非均匀子波束覆盖的多波束天线，包括3～4副分布在卫星上的标准长焦单偏置抛物面天线；每副标准长焦单偏置抛物面天线包括反射器1、馈源组件2、馈源阵安装板3、馈源阵支撑塔4、反射器展开臂5、在轨天线指向机构6、锁紧释放装置7；馈源组件2包含n类馈源，对应不同的波束宽度；馈源组件2安装在馈源阵安装板3上构成馈源阵，馈源阵安装在馈源阵支撑塔4上；反射器1通过反射器展开臂5固定在天线指向机构6上；卫星发射时，反射器1通过锁紧释放装置7安装锁定在卫星的墙板上，卫星入轨后，通过天线指向机构6控制反射器1进行二维展开；n为正整数。

反射器1为标准抛物面，主要由铝蜂窝、碳纤维构成，反射器的背部通过圆环背筋对反射器的形面进行约束。

如图1所示，非均匀子波束覆盖的多波束天线的设计方法，包括以下步骤：

步骤一、根据目标覆盖区内各区域不同通信容量的需求，采用不同的波束宽度进行初步的覆盖，其中，通信容量需求要求大于5Gps的区域采用窄波束(波束宽度大于等于1.2°)覆盖，通信容量需求小于等于5Gps的区域采用宽波束(波束宽度小于1.2°)覆盖；

步骤二、确定天线的焦距F，焦距F满足以下条件：

其中，Δθ_max＝max(AZ_max-AZ_min，EL_max-EL_min)，式中AZ_max表示方位角的最大值，AZ_min方位角的最小值，EL_max表示俯仰角的最大值，EL_min表示俯仰角的最小值，SL表示卫星平台上能够允许布局的最大馈源阵尺寸；

步骤三、确定天线的偏置高度H，偏置高度H满足以下条件：

θ_sd≥6

其中，θ_sd表示保证天线视场的最小角度；

步骤四、确定天线反射面口径D，D的确定方法如下

a.选择使得边缘增益在收发频段相差1dB以内(越小越好)的天线反射面口径，确定为D1；

b.选择使得不同波束宽度的波束在收发频段的边缘增益值和旁瓣电平值差值相等或者分别能取到最大值的天线反射面口径，确定为D2；

c.取D1，D2的平均值作为最终的反射面口径D。

步骤五、确定不同波束宽度的波束对应的馈源喇叭的口径，依照以下公式计算：

r＝(d-dr-2t)/2

BDF＝(1+0.36(D/4F)²)/(1+(D/4F)²)

其中，r表示馈源喇叭不含壁厚的半径，d为馈源喇叭允许的最大直径，dr表示馈源喇叭间的最小间隙，t表示馈源喇叭的壁厚，n表示天线数量，L表示焦点到反射面中心的距离，θ_BW表示波束宽度，BDF为计算过程中间值；

步骤六、确定馈源阵中各个馈源间不存在物理干涉，方法如下：

a、根据波束覆盖采用三色或四色原理将每个波束分配至不同的天线中；

b、根据步骤五计算得到的馈源口径大小，通过画图软件画出每个馈源阵的二维平面图，观察是否存在物理干涉；则返回步骤一，对波束覆盖进行调整直到完全消除物理干涉。若存在物理干涉则对步骤一中的波束覆盖进行调整，直到完全消除物理干涉；

步骤七、在电磁仿真软件中对馈源方向图进行优化：

使得窄波束对应的馈源喇叭方向图应满足如下约束条件：

发射频段方向图：

接收频段方向图：

使得宽波束对应的馈源喇叭方向图该满足如下约束条件：

发射频段方向图：

接收频段方向图：

其中，θ₀表示天线的半张角，

表示馈源方向图在θ₀处增益，Gp表示馈源方向图的峰值增益，θ_SLL表示馈源方向图中第一旁瓣出现位置，G_SLL表示第一旁瓣峰值增益，θ_null表示馈源方向图中第一零深出现的位置，G_null表示馈源方向图中第一零深增益，BW为波束宽度。

除了以上约束条件外，所有的喇叭还需要满足以下要求：

G_p-G_cx-p≥28dB

VSWR≤1.2

Feed_η≥80％

其中，G_cx-p表示交叉极化的最大值，VSWR表示馈源的回波损耗，Feed_η表示馈源的口径效率。

步骤九、依据步骤一中得到的波束覆盖，步骤二中得到的焦距F，步骤三中得到的偏置高度H，步骤四中得到的天线口径D以及步骤七中得到的馈源方向图，完成非均匀子波束覆盖的多波束天线设计。

实施例：

以设计一个Ku频段三口径非均匀子波束覆盖的多波束天线对本发明作进一步详细的描述：

步骤一、如图2所示，用户对图中覆盖区灰色区域的通信容量需求为8Gps，覆盖区内其他区域的通信容量需求为4Gps，因此对通信容量需求高的灰色区域采用1°波束进行覆盖，对通信容量需求较低的其他区域采用1.3°波束进行覆盖。覆盖图如图3所示。

步骤二、由图2可以看出，覆盖范围较广，为了减少由于波束扫描带来的波束变形，以某卫星平台来说，初步选取平台允许的最长的焦距F＝3.6米，同时由覆盖区可以得到AZ_max＝2.18，AZ_min＝-4.98，EL_max＝7.64，EL_min＝0.39，由此得出Δθ_max＝7.25，对某卫星平台SL＝1m，因此：

所以焦距F取3.6米是可行的。

步骤三、确定偏置高度H＝0.75m，代入偏置高度H的约束条件可验证如下：

步骤四、确定天线反射面口径D，由于卫星平台允许的最大反射面口径为2.2米因此在分析时选取反射面口径的最大值为2.2米：

a.如图4所示，当反射面口径在2～2.2米范围内时，1°波束和1.3°波束收发边缘增益差值在1dB以内，考虑1°波束的收发边缘增益差值随着反射面口径的增加而减小，同时1.3°波束的收发边缘增益差值随着反射面口径的增大而增大，因此选择D1＝2.1m。

b.如图5所示当反射口径为2.2米时，1°波束在收发频段边缘增益值与旁瓣电平值的差值分别取到最大值，当反射面口径为2.15米时1.3°波束在收发频段边缘增益值与旁瓣电平值的差值相等，因此选择D2＝2.175m。

c.由D1、D2确定反射面口径D＝2.14m。

步骤五、根据确定的反射器口径D、焦距F，以及偏置距离H，结合如下计算公式确定不同波束宽度波束对应的馈源喇叭的口径：

r＝(d-dr-2t)/2 (1)

BDF＝(1+0.36(D/4F)²)/(1+(D/4F)²) (3)

上式中r代表馈源喇叭的半径，dr代表喇叭间的最小间隙，t代表喇叭的壁厚，n代表天线数量，L代表焦点到反射面中心的距离，θ_BW代表波束宽度，BDF为计算过程中间值。通常喇叭的厚度t取(1～2mm)，喇叭间的最小间隙dr取(2～3mm)。

在本次计算中t＝1.2mm，dr＝2mm，因此可以计算得到1°波束对应馈源喇叭的内径为48.5mm，1.3°波束喇叭对应的馈源内径为63.77mm。

步骤六、根据步骤一中的波束排布，采用三色原理将每个波束分配至不同的反射面天线中，如图6所示，A、B、C分别代表其中一个反射面天线。同时通过matlab的画图功能，得到三个馈源阵的二维平面图如图7～图9所示，可以看出馈源之间不存在物理干涉。

步骤七、在仿真软件Champ中对馈源方向图进行赋形，1°波束和1.3°波束对应的喇叭方向图分别作了以下约束：

1°波束馈源喇叭方向图约束条件如下：

发射频段方向图：

接收频段方向图：

1.3°波束对应的馈源喇叭方向图约束条件如下：

发射频段方向图：

接收频段方向图：

θ_SLL>θ₀ (7)

G_SLL<10dB (8)

θ₀-2BW≤θnull<θ₀ (9)

G_SLL<-20dB且G_P-G_SLL≥30dB(10)

上式中，θ₀代表天线的半张角，

代表馈源方向图在θ₀处增益，Gp代表馈源方向图的峰值增益，θ_SLL为馈源方向图中第一旁瓣出现位置，G_SLL为第一旁瓣峰值增益，θ_null为馈源方向图中第一零深出现位置，G_null为馈源方向图中第一零深增益；

除了以上约束条件外，所有的喇叭还添加了以下优化目标：

G_p-G_cx-p≥28dB

VSWR≤1.2

Feed_η≥80％

其中，G_cx-p表示交叉极化的最大值，VSWR表示馈源的回波损耗，Feed_η表示馈源的口径效率。

可以计算得到以下参数：θ₀＝15.6°；13°≤θnull<15.6°；BW＝1.3

在优化的过程中应保证馈源的最大包络半径小于馈源喇叭的内径，同时最终优化的馈源方向图如图10和图11所示。

步骤九、根据得到的波束覆盖、天线配置、馈源仿真方向图，完成了Ku频段非均匀子波束覆盖的多波束天线。

该天线解决了宽窄波束非均匀覆盖、天线配置设计和不同波束宽度边缘增益等化等问题。可以扩展应用于未来的广域覆盖、大容量通信卫星设计中。该天线基于自身方案特点，具有原理简单、性能优良等优点，在高性能大容量通信卫星、广域覆盖移动通信卫星中，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，可以对本发明作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)

1.一种非均匀子波束覆盖的多波束天线的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据目标覆盖区内各区域不同通信容量的需求，采用不同的波束宽度进行初步的覆盖；

步骤二、确定天线的焦距F；

所述步骤二中，焦距F满足以下条件：

其中，Δθ_max＝max(AZ_max-AZ_min，EL_max-EL_min)，AZ_max表示方位角的最大值，AZ_min方位角的最小值，EL_max表示俯仰角的最大值，EL_min表示俯仰角的最小值，SL表示卫星平台上能够允许布局的最大馈源阵尺寸；步骤三、确定天线的偏置高度H；

所述步骤三中，偏置高度H满足以下条件：

其中，θ_sd表示保证天线视场的最小角度；

步骤四、确定天线反射面口径D；

所述步骤四中，天线反射面口径D的确定方法如下：

步骤4.1：选择使得边缘增益在收发频段相差1dB以内的天线反射面口径，确定为D1；

步骤4.2：选择使得不同波束宽度的波束在收发频段的边缘增益值和旁瓣电平值差值相等或者分别能取到最大值的天线反射面口径，确定为D2；

步骤4.3：取D1，D2的平均值作为最终的反射面口径D；

步骤五、确定不同波束宽度的波束对应的馈源喇叭的口径；

步骤六、调整波束位置使得每个馈源阵中各个馈源间不存在物理干涉；

步骤七、在电磁仿真软件中对馈源方向图进行优化；

所述步骤七对馈源方向图进行优化满足如下约束条件：

窄波束对应的馈源喇叭方向图满足如下约束条件：

发射频段方向图满足：

接收频段方向图满足：

宽波束对应的馈源喇叭方向图满足如下约束条件：

发射频段方向图满足：

接收频段方向图满足：

其中，θ₀表示天线的半张角，

表示馈源方向图在θ₀处的增益，Gp表示馈源方向图的峰值增益，θ_SLL表示馈源方向图中第一旁瓣出现位置，G_SLL表示第一旁瓣峰值增益，θ_null表示馈源方向图中第一零深出现的位置，G_null表示馈源方向图中第一零深增益，θ_BW为波束宽度；

所有的馈源喇叭还需要满足以下要求：

其中，G_cx-p表示交叉极化的最大值，VSWR表示馈源的回波损耗，Feed_η表示馈源的口径效率；

步骤八、依据步骤一中得到的波束覆盖，步骤二中得到的焦距F，步骤三中得到的偏置高度H，步骤四中得到的天线口径D以及步骤七中得到的馈源方向图，得到非均匀子波束覆盖的多波束天线。

2.根据权利要求1所述的一种非均匀子波束覆盖的多波束天线的设计方法，其特征在于：所述步骤一中，采用不同的波束宽度进行初步的覆盖时，通信容量需求要求大于5Gps的区域采用窄波束覆盖，通信容量需求小于等于5Gps的区域采用宽波束覆盖。

3.根据权利要求2所述的一种非均匀子波束覆盖的多波束天线的设计方法，其特征在于：所述步骤五中，不同波束宽度的波束对应的馈源喇叭的口径依照以下公式计算：

r＝(d-dr-2t)/2

BDF＝(1+0.36(D/4F)²)/(1+(D/4F)²)

其中，r表示馈源喇叭不含壁厚的半径，d为馈源喇叭允许的最大直径，dr表示馈源喇叭间的最小间隙，t表示馈源喇叭的壁厚，n表示天线数量，L表示焦点到反射面中心的距离，θ_BW表示波束宽度，BDF为计算过程中间值。

4.根据权利要求3所述的一种非均匀子波束覆盖的多波束天线的设计方法，其特征在于：所述步骤六的具体方法如下：

步骤6.1、根据波束覆盖采用三色或四色原理将每个波束分配至不同的天线中；

步骤6.2、根据步骤五计算得到的馈源口径大小，通过画图软件画出每个馈源阵的二维平面图，观察是否存在物理干涉；若存在物理干涉，则返回步骤一，对波束覆盖进行调整直到完全消除物理干涉；若不存在物理干涉，则进入步骤七。

5.根据权利要求4所述的一种非均匀子波束覆盖的多波束天线的设计方法，其特征在于：所述非均匀子波束覆盖的多波束天线包括m副分布在卫星上的标准长焦单偏置抛物面天线；每副标准长焦单偏置抛物面天线包括反射器(1)、馈源组件(2)、馈源阵安装板(3)、馈源阵支撑塔(4)、反射器展开臂(5)、在轨天线指向机构(6)、锁紧释放装置(7)；馈源组件(2)包含n类馈源，对应不同的波束宽度；馈源组件(2)安装在馈源阵安装板(3)上构成馈源阵，馈源阵安装在馈源阵支撑塔(4)上；反射器(1)通过反射器展开臂(5)固定在天线指向机构(6)上；卫星发射时，反射器(1)通过锁紧释放装置(7)安装锁定在卫星的墙板上，卫星入轨后，通过天线指向机构(6)控制反射器(1)进行二维展开；m为正整数，n为大于等于2的正整数。

6.根据权利要求5所述的一种非均匀子波束覆盖的多波束天线的设计方法，其特征在于：所述反射器(1)为抛物面，材料包括铝蜂窝、碳纤维，反射器(1)的背部通过圆环形的背筋对反射器(1)的形面进行约束。

7.根据权利要求6所述的一种非均匀子波束覆盖的多波束天线的设计方法，其特征在于：所述m为3或4。

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