CN109885897A - 一种星载通信混合反射面天线系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种星载通信混合反射面天线系统设计方法，设计的混合反射面天线为三馈源双偏置赋形反射面天线，可以等效为两副单偏置反射面天线和一副双偏置格里高利型赋形反射面天线，进一步充分利用了卫星平台的空间资源；从天线波束分布方面比较，现有技术所对应天线仅提供两个波束，一个赋形波束和一个点波束(固定点波束或有限扫描点波束)，或者两个都是赋形波束，而本发明涉及的混合反射面天线可同时提供三个波束：一个赋形波束，一个固定点波束和一个有限扫描点波束。

Description

一种星载通信混合反射面天线系统设计方法

技术领域

本发明涉及星载通信天线技术领域，具体为一种星载通信混合反射面天线系统设计方法。

背景技术

卫星通信系统中，卫星平台往往具有有限的物理空间资源，为了进一步提高反射面天线利用率，在保证主要服务业务的基础上，增加一些次要的服务业务，比如以赋形波束为主要通信业务时，将另一个较高增益的点波束作为次要业务以满足特殊情形下的通信要求。

文献(MAHAJAN M,JYOTI R,SOOD K,et al.A method of generatingsimultaneous contoured and pencil beams from single shaped reflector antenna[J].IEEE Transactions on Antennas&Propagation,2013,61(10):5297-5301.)中采用双馈源单偏置反射面的天线形式，利用其中一个馈源激励赋形反射面，用来产生赋形波束；将焦平面共轭场匹配法运用到赋形反射面天线口径相位差的补偿中，利用另一个馈源激励赋形反射面产生附加点波束，这种方法得到的点波束虽然难于实现波束扫描，但是天线结构较简单。

文献(李建军,尹鹏飞,赵现斌,等.双馈源双偏置结构星载通信多波束天线[J].微波学报,2018,34(04):10-15.)中采用双馈源双偏置结构的天线技术，利用其中一个馈源以单偏置结构的形式激励赋形反射面，用来产生赋形波束；利用另一个馈源赋形副反射面，以双偏置格里高利天线的形式对主反射面赋形引起的口径相位差进行补偿形成附加点波束，并通过对该馈源和副反射面的横向偏焦实现点波束的有限扫描功能。

文献(WAN J X,YAN T,WANG F.A hybrid reflector antenna for twocontoured beams with different shapes[J].IEEE Antennas&Wireless PropagationLetters,2018,17(7):1171-1175.)中利用双馈源双偏置结构的天线配置形式，使星载通信天线同时产生两个形状不同的赋形波束。

但上述两个方案均以双馈源双偏置结构形式天线同时产生两个不同的波束，前者为一个赋形波束和一个有限扫描点波束，后者为两个赋形波束；当要求天线系统产生一个赋形波束的同时，另外产生一个固定点波束以及一个有限扫描点波束时，双馈源双偏置结构形式的反射面天线就难于实现。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，充分利用卫星平台有限的物理空间资源，使通信卫星提供更多的服务业务，本发明提出一种星载通信混合反射面天线系统设计方法，使星载通信天线在产生赋形波束的同时，又能辐射一个固定点波束和一个有限扫描点波束以满足特殊情形下的通信要求。

本发明中设计的混合反射面天线由一个赋形主反射面，一个赋形副反射面和三个馈源喇叭组成，可以等效两副单馈源单偏置反射面天线和一副双偏置格里高利型赋形反射面天线，天线几何示意图如图1所示。

本发明的技术方案为：

所述一种星载通信混合反射面天线系统设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据赋形主反射面天线的基本几何尺寸，设计馈源F1，F2和F3；

步骤2：采用Zernike多项式表示赋形主反射面，并将表征赋形主反射面形状的Zernike多项式的展开系数作为优化变量，利用优化算法对赋形主反射面进行优化，使其辐射方向图能够覆盖服务区，从而得到优化后的表征赋形主反射面形状的Zernike多项式的展开系数，并将该赋形主反射面记为M；将馈源F1置于赋形主反射面激励位置，激励赋形主反射面M，能够得到赋形波束；

步骤3：采用最小二乘法对步骤2得到的赋形主反射面M进行拟合，得到拟合后的赋形主反射面M′；以馈源F1与馈源F2对应波束不相互遮挡为前提，确定馈源F2的位置，并利用射线追踪法对赋形主反射面M′进行副反射面赋形设计，得到赋形后的副反射面记为S；使用馈源F2激励副反射面S，得到点波束，并通过副反射面S及馈源F2的横向偏焦，实现点波束的有限扫描功能；

步骤4：根据期望的固定点波束的波束指向，利用赋形主反射面M焦平面场和馈源F3喇叭口径场共轭匹配法，得到馈源F3的最佳馈源位置；将馈源F3置于该位置，并激励赋形主反射面M，能够得到期望波束指向的固定点波束。

进一步的优选方案，所述一种星载通信混合反射面天线系统设计方法，其特征在于：步骤1中赋形主反射面天线的基本几何尺寸包括天线口径D，偏置高度h，焦距f。

进一步的优选方案，所述一种星载通信混合反射面天线系统设计方法，其特征在于：步骤3中采用最小二乘法对步骤2得到的赋形主反射面M进行拟合，得到拟合后的赋形主反射面M′的过程为：

用二次多项式

z′＝p₀+p₁x+p₂y+p₃x²+p₄xy+p₅y²

对赋形主反射面进行拟合，赋形主反射面M上的采样点为(x,y,z)，二次多项式拟合时对应点为(x,y,z’)，利用对应采样点的轴向误差，根据最小二乘法构造方程组A·a＝B，式中：

a＝[p₀ p₁ p₂ p₃ p₄ p₅]^T

其中A为系数矩阵，a为二次多项式系数，N为反射面采样点个数；求解上述方程组，得到拟合后的赋形主反射面。

有益效果

从天线配置结构方面比较，现有技术一般是利用双馈源单偏置赋形反射面天线、双馈源双偏置赋形反射面天线等形式，本发明涉及的混合反射面天线为三馈源双偏置赋形反射面天线，可以等效为两副单偏置反射面天线和一副双偏置格里高利型赋形反射面天线，进一步充分利用了卫星平台的空间资源；从天线波束分布方面比较，现有技术所对应天线仅提供两个波束，一个赋形波束和一个点波束(固定点波束或有限扫描点波束)，或者两个都是赋形波束，而本发明涉及的混合反射面天线可同时提供三个波束：一个赋形波束，一个固定点波束和一个有限扫描点波束。设计的一副混合反射面天线方向性系数等值线图如图4。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1混合反射面天线系统几何示意图；

图2混合反射面天线设计方案框图；

图3混合反射面天线系统波束分布示意图；

图4星载混合反射面通信天线方向性系数等值线图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提出了一种以混合反射面天线为基础的天线设计方法，该混合反射面天线由一个赋形主反射面，一个赋形副反射面和三个馈源喇叭组成，可以等效两副单馈源单偏置反射面天线和一副双偏置格里高利型赋形反射面天线，天线几何示意图如图1，技术方案的流程框图如图2，混合反射面天线系统波束示意图如图3。

具体步骤为：

步骤1：根据赋形主反射面天线的基本几何尺寸，包括天线口径D，偏置高度h，焦距f，设计馈源F1，F2和F3。

步骤2：采用Zernike多项式表示赋形主反射面，并将表征赋形主反射面形状的Zernike多项式的展开系数作为优化变量X，赋形反射面的形状为z＝z(X)。

对波束服务区进行采样，建立采样点集合V，并确定V处对应的方向性系数G。

使馈源F1激励赋形主反射面，利用物理光学法计算该赋形反射面天线在V处的辐射场，以进化算法对优化变量X进行优化，使天线方向图覆盖服务区。得到优化结果为X₀，优化后赋形反射面的形状为z＝z(X₀)，将该赋形主反射面记为M。此时将馈源F1置于赋形主反射面激励位置，激励赋形主反射面M，能够得到赋形波束。

步骤3：采用最小二乘法对步骤2得到的赋形主反射面M进行拟合，得到拟合后的赋形主反射面M′：

用二次多项式

z′＝p₀+p₁x+p₂y+p₃x²+p₄xy+p₅y²

对赋形主反射面进行拟合，赋形主反射面M上的采样点为(x,y,z)，二次多项式拟合时对应点为(x,y,z’)，利用对应采样点的轴向误差，根据最小二乘法构造方程组A·a＝B，式中：

a＝[p₀ p₁ p₂ p₃ p₄ p₅]^T

其中A为系数矩阵，a为二次多项式系数，N为反射面采样点个数；求解上述方程组，得到拟合后的赋形主反射面。

以馈源F1与馈源F2对应波束不相互遮挡为前提，确定馈源F2的位置，并利用射线追踪法对赋形主反射面M′进行副反射面赋形设计，得到赋形后的副反射面记为S；使用馈源F2激励副反射面S，得到点波束，并通过副反射面S及馈源F2的横向偏焦，实现点波束的有限扫描功能。

步骤4：根据期望的固定点波束的波束指向，以此方向平面波激励赋形主反射面M，进行焦面场E_f分析：

式中：ω为角频率；μ为自由空间磁导率；k为波数，k＝2π/λ；r为场点的位置矢量，r＝|r|；r′为源点位置矢量；R＝r-r′；为R的单位矢量；R＝|R|；ds′为反射面面积元；J为面电流密度。

利用赋形主反射面M焦平面场和馈源F3喇叭口径场共轭匹配法，得到馈源F3的最佳馈源位置；将馈源F3置于该位置，并激励赋形主反射面M，能够得到期望波束指向的固定点波束。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种星载通信混合反射面天线系统设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据赋形主反射面天线的基本几何尺寸，设计馈源F1，F2和F3；

步骤2：采用Zernike多项式表示赋形主反射面，并将表征赋形主反射面形状的Zernike多项式的展开系数作为优化变量，利用优化算法对赋形主反射面进行优化，使其辐射方向图能够覆盖服务区，从而得到优化后的表征赋形主反射面形状的Zernike多项式的展开系数，并将该赋形主反射面记为M；将馈源F1置于赋形主反射面激励位置，激励赋形主反射面M，能够得到赋形波束；

步骤3：采用最小二乘法对步骤2得到的赋形主反射面M进行拟合，得到拟合后的赋形主反射面M′；以馈源F1与馈源F2对应波束不相互遮挡为前提，确定馈源F2的位置，并利用射线追踪法对赋形主反射面M′进行副反射面赋形设计，得到赋形后的副反射面记为S；使用馈源F2激励副反射面S，得到点波束，并通过副反射面S及馈源F2的横向偏焦，实现点波束的有限扫描功能；

步骤4：根据期望的固定点波束的波束指向，利用赋形主反射面M焦平面场和馈源F3喇叭口径场共轭匹配法，得到馈源F3的最佳馈源位置；将馈源F3置于该位置，并激励赋形主反射面M，能够得到期望波束指向的固定点波束。

2.根据权利要求1所述一种星载通信混合反射面天线系统设计方法，其特征在于：步骤1中赋形主反射面天线的基本几何尺寸包括天线口径D，偏置高度h，焦距f。

3.根据权利要求1所述一种星载通信混合反射面天线系统设计方法，其特征在于：步骤3中采用最小二乘法对步骤2得到的赋形主反射面M进行拟合，得到拟合后的赋形主反射面M′的过程为：

用二次多项式

z′＝p₀+p₁x+p₂y+p₃x²+p₄xy+p₅y²

对赋形主反射面进行拟合，赋形主反射面M上的采样点为(x,y,z)，二次多项式拟合时对应点为(x,y,z’)，利用对应采样点的轴向误差，根据最小二乘法构造方程组A·a＝B，式中：

a＝[p₀ p₁ p₂ p₃ p₄ p₅]^T

其中A为系数矩阵，a为二次多项式系数，N为反射面采样点个数；求解上述方程组，得到拟合后的赋形主反射面。