CN110197039B - 基于口面电场分布的环焦椭圆波束反射面天线设计方法 - Google Patents

基于口面电场分布的环焦椭圆波束反射面天线设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了天线技术领域的基于口面电场分布的环焦椭圆波束反射面天线设计方法，包括如下步骤：在长轴平面引入口面电场，求解长轴平面的主、副反射面曲线；在短轴平面引入口面电场，基于传播路径相等的条件，求解短轴平面的主、副反射面曲线；利用长、短轴平面的副反射面曲线，结合过渡函数设计出整个副反射面；根据反射定律和等光程条件，由副反射面确定出主反射面；判断反射面性能是否达到要求并进行优化，在常规环焦椭圆波束反射面天线设计方法中引入口面电场，利用口面电场和过渡函数联合优化，增加了可供选择的优化参数，提高了设计的自由度，解决了由于可供选择的过渡函数数目有限，导致反射面性能无法达到最佳的问题。

Description

基于口面电场分布的环焦椭圆波束反射面天线设计方法
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体为基于口面电场分布的环焦椭圆波束反射面天线设计方法。
背景技术
在雷达、卫星通信等领域中需要反射面天线在宽频带内具有高效率、低旁瓣等特征。椭圆波束反射面天线的方位面波束窄，俯仰面波束宽，天线在跟踪目标时，只需要启动伺服控制系统在方位面对目标进行实时跟踪、搜索，省去了对俯仰面的操作，加快了扫描速度。
环焦反射面天线由于馈源轴线方向的射线经副面反射后传播到主面的边缘，因此副面的反射线远离馈源，副面对馈源的反射小，这样可以获得良好的驻波比。同时也可以不必担心馈源的遮挡，可以使用尺寸较大的馈源，并可以使馈源靠近副面，可以降低副反射面的边缘照射电平，从而降低反射面天线的副瓣电平。作为一种高性能小口径反射面天线得到了广泛应用。
常规环焦椭圆波束反射面天线求解方法是：分别在环焦反射面天线的长轴平面和短轴平面上，选取副反射面边缘照射角度和焦距等几何参数，利用环焦反射面天线的几何特性分别设计出长、短轴平面的截面曲线，再利用满足特定约束条件的过渡函数求出介于长轴平面和短轴平面之间的副反射面曲线，从而得到整个副反射面曲线，进而利用等路程条件和反射定律，通过副反射面曲线求解主反射面曲线。现有技术缺点在于：采用常规方法设计的环焦椭圆波束反射面天线如果不满足高效率、低旁瓣等性能，则需要继续对反射面的形状进行优化，长、短轴平面的截面曲线由基本几何参数确定，其满足标准环焦天线的几何属性，形状基本固定，其他平面的曲线则由长、短轴平面的截面曲线和过渡函数决定，优化反射面的性能基本只能通过优化过渡函数来实现，而可供选择的满足特定约束条件的过渡函数的数目是有限的，制约了优化过程的自由度，因此采用现有方法设计的反射面天线很难拥有最佳性能，基于此，本发明设计了基于口面电场分布的环焦椭圆波束反射面天线设计方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供基于口面电场分布的环焦椭圆波束反射面天线设计方法，以解决上述背景技术中提出的现有方式很难使反射面天线拥有最佳性能的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于口面电场分布的环焦椭圆波束反射面天线设计方法，包括如下步骤：
S1：长轴平面的馈源功率辐射方向图已知时，选择长轴平面的主反射面的口面电场分布和基本几何参数，根据能量守恒、等路程条件以及Snell定律求解出长轴平面的主、副反射面截面曲线；
S2：根据短轴平面的馈源功率辐射方向图，选择短轴平面的主反射面口面电场分布，基于长轴平面和短轴平面路程相等的条件，结合能量守恒和Snell定律设计短轴平面的主、副反射面截面曲线；
S3：在得到长轴平面和短轴平面的副反射面截面曲线后，利用副反射面矢径过渡函数和边缘照射角过渡函数计算出整个副反射面曲线；
S4：根据反射定律和等光程条件，由副反射面曲线确定出主反射面曲线；
S5：判断反射面增益和副瓣电平等指标是否达到要求，若是则结束；否则重复步骤S1至S4。
进一步的，所述步骤S1具体为利用确定的馈源功率辐射方向图，选取长轴平面的主反射面的口面电场分布，并选取环焦天线的基本几何参数；应用常规赋形环焦反射面天线求解方法，通过求解一阶微分方程组求得长轴平面上的主反射面截面曲线和副反射面截面曲线。
进一步的，所述步骤S2具体为根据馈源功率辐射方向图以及选取的短轴平面的主反射面的口面电场分布，利用电磁波在长轴平面和短轴平面传播时路程相等的约束条件，并应用和步骤S1相同的方法，优化得到短轴平面的副反射面边缘照射角和焦径比等基本几何参数，从而求得短轴平面上的主反射面截面曲线和副反射面截面曲线。
进一步的，所述步骤S3具体为利用长、短轴平面的副反射面截面曲线，选取副反射面矢径过渡函数和边缘照射角过渡函数，让副反射面曲线以过渡函数从短轴平面渐变过渡到长轴平面，进而得到整个副反射面的曲线；矢径过渡函数的选取原则是所生成的主面口面尽量接近期望的椭圆口面，并且尽量避免出现奇异点；基于以上两个基本原则，副反射面矢径过渡函数在长轴平面和短轴平面上的值应分别和对应的截面曲线的半径相等，且在起始点和终止点处过渡函数的导数为零；过渡函数可以选取多项式函数、正弦函数、指数函数或者其组合函数，边缘照射角过渡函数按照同样的原则选取。
进一步的，所述步骤S4具体为求出副反射面曲线后，先计算出副反射面上点的法向单位矢量；再根据反射定律和等光程条件，求出对应的主反射面曲线。
进一步的，所述步骤S5具体为若步骤S4计算出的反射面天线不满足高增益和低副瓣电平等性能，那么重复步骤S1至S4，重新选取主反射面口面电场分布和过渡函数，将两者联合起来进行反复优化，直至使反射面满足需要的性能为止。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将常规环焦椭圆波束反射面天线设计方法和赋形反射面天线设计方法融合在一起，通过增加主反射面口面电场分布，利用口面电场分布、副反射面矢径过渡函数和边缘照射角过渡函数联合优化，增加了可供选择的优化参数，提高了设计的自由度，解决了由于可供选择的过渡函数数目有限，导致反射面性能无法达到最佳的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：基于口面电场分布的环焦椭圆波束反射面天线设计方法，包括如下步骤：
S1：长轴平面的馈源功率辐射方向图已知时，选择长轴平面的主反射面的口面电场分布和基本几何参数，根据能量守恒、等路程条件以及Snell定律求解出长轴平面的主、副反射面截面曲线；
S2：根据短轴平面的馈源功率辐射方向图，选择短轴平面的主反射面口面电场分布，基于长轴平面和短轴平面路程相等的条件，结合能量守恒和Snell定律设计短轴平面的主、副反射面截面曲线；
S3：在得到长轴平面和短轴平面的副反射面截面曲线后，利用副反射面矢径过渡函数和边缘照射角过渡函数计算出整个副反射面曲线；
S4：根据反射定律和等光程条件，由副反射面曲线确定出主反射面曲线；
S5：判断反射面增益和副瓣电平等指标是否达到要求，若是则结束；否则重复步骤S1至S4。
步骤S1具体为利用确定的馈源功率辐射方向图，选取长轴平面的主反射面的口面电场分布，并选取环焦天线的基本几何参数；应用常规赋形环焦反射面天线求解方法，通过求解一阶微分方程组求得长轴平面上的主反射面截面曲线和副反射面截面曲线；
步骤S2具体为根据馈源功率辐射方向图以及选取的短轴平面的主反射面的口面电场分布，利用电磁波在长轴平面和短轴平面传播时路程相等的约束条件，并应用和步骤S1相同的方法，优化得到短轴平面的副反射面边缘照射角和焦径比等基本几何参数，从而求得短轴平面上的主反射面截面曲线和副反射面截面曲线；
步骤S3具体为利用长、短轴平面的副反射面截面曲线，选取副反射面矢径过渡函数和边缘照射角过渡函数，让副反射面曲线以过渡函数从短轴平面渐变过渡到长轴平面，进而得到整个副反射面的曲线；矢径过渡函数的选取原则是所生成的主面口面尽量接近期望的椭圆口面，并且尽量避免出现奇异点；基于以上两个基本原则，副反射面矢径过渡函数在长轴平面和短轴平面上的值应分别和对应的截面曲线的半径相等，且在起始点和终止点处过渡函数的导数为零；过渡函数可以选取多项式函数、正弦函数、指数函数或者其组合函数，边缘照射角过渡函数按照同样的原则选取；
步骤S4具体为求出副反射面曲线后，先计算出副反射面上点的法向单位矢量；再根据反射定律和等光程条件，求出对应的主反射面曲线；
步骤S5具体为若步骤S4计算出的反射面天线不满足高增益和低副瓣电平等性能，那么重复步骤S1至S4，重新选取主反射面口面电场分布和过渡函数，将两者联合起来进行反复优化，直至使反射面满足需要的性能为止。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.基于口面电场分布的环焦椭圆波束反射面天线设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：长轴平面的馈源功率辐射方向图已知时，选择长轴平面的主反射面的口面电场分布和基本几何参数，根据能量守恒、等路程条件以及Snell定律求解出长轴平面的主、副反射面截面曲线；
S2：根据短轴平面的馈源功率辐射方向图，选择短轴平面的主反射面口面电场分布，基于长轴平面和短轴平面路程相等的条件，结合能量守恒和Snell定律设计短轴平面的主、副反射面截面曲线；
S3：在得到长轴平面和短轴平面的副反射面截面曲线后，利用副反射面矢径过渡函数和边缘照射角过渡函数计算出整个副反射面曲线；
S4：根据反射定律和等光程条件，由副反射面曲线确定出主反射面曲线；
S5：判断反射面增益和副瓣电平等指标是否达到要求，若是则结束；否则重复步骤S1至S4。
2.根据权利要求1所述的基于口面电场分布的环焦椭圆波束反射面天线设计方法，其特征在于：所述步骤S1具体为利用确定的馈源功率辐射方向图，选取长轴平面的主反射面的口面电场分布，并选取环焦天线的基本几何参数；应用常规赋形环焦反射面天线求解方法，通过求解一阶微分方程组求得长轴平面上的主反射面截面曲线和副反射面截面曲线。
3.根据权利要求1所述的基于口面电场分布的环焦椭圆波束反射面天线设计方法，其特征在于：所述步骤S2具体为根据馈源功率辐射方向图以及选取的短轴平面的主反射面的口面电场分布，利用电磁波在长轴平面和短轴平面传播时路程相等的约束条件，并应用和步骤S1相同的方法，优化得到短轴平面的副反射面边缘照射角和焦径比等基本几何参数，从而求得短轴平面上的主反射面截面曲线和副反射面截面曲线。
4.根据权利要求1所述的基于口面电场分布的环焦椭圆波束反射面天线设计方法，其特征在于：所述步骤S3具体为利用长、短轴平面的副反射面截面曲线，选取副反射面矢径过渡函数和边缘照射角过渡函数，让副反射面曲线以过渡函数从短轴平面渐变过渡到长轴平面，进而得到整个副反射面的曲线；矢径过渡函数的选取原则是所生成的主面口面尽量接近期望的椭圆口面，并且尽量避免出现奇异点；基于以上两个基本原则，副反射面矢径过渡函数在长轴平面和短轴平面上的值应分别和对应的截面曲线的半径相等，且在起始点和终止点处过渡函数的导数为零；过渡函数可以选取多项式函数、正弦函数、指数函数或者其组合函数，边缘照射角过渡函数按照同样的原则选取。
5.根据权利要求1所述的基于口面电场分布的环焦椭圆波束反射面天线设计方法，其特征在于：所述步骤S4具体为求出副反射面曲线后，先计算出副反射面上点的法向单位矢量；再根据反射定律和等光程条件，求出对应的主反射面曲线。
6.根据权利要求1所述的基于口面电场分布的环焦椭圆波束反射面天线设计方法，其特征在于：所述步骤S5具体为若步骤S4计算出的反射面天线不满足高增益和低副瓣电平等性能，那么重复步骤S1至S4，重新选取主反射面口面电场分布和过渡函数，将两者联合起来进行反复优化，直至使反射面满足需要的性能为止。
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一种改进型的椭圆波束卡塞格伦天线;陆晓家等;《中国电子科学研究院学报》;20180420(第02期);全文 *

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