CN110401040A

CN110401040A - 一种基于等化面积和混合形状的反射面天线曲面分块方法

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Publication number: CN110401040A
Application number: CN201910682965.6A
Authority: CN
Inventors: 刘国玺; 杨文宁; 杜彪; 郑元鹏; 伍洋; 宁晓磊; 陈隆; 杨晋蓉
Original assignee: CETC 54 Research Institute
Current assignee: CETC 54 Research Institute
Priority date: 2019-07-26
Filing date: 2019-07-26
Publication date: 2019-11-01
Anticipated expiration: 2039-07-26
Also published as: ZA202202439B; CN110401040B; WO2021017370A1

Abstract

本发明公开了一种基于等化面积和混合形状的反射面天线曲面分块方法，它涉及通信、测控以及射电天文等领域中反射面天线的曲面分块技术，利用该方法可使分块后的反射面子单元面积均匀、形状规则，简化天线背架结构，能够显著地提高天线的表面精度，降低制造成本。本发明通过下述技术方案予以实现：通过求解投影面上的等化面积方程，得到内圆半径，做出平面多边形和扇形；将平面多边形和扇形再投影到反射面上；最后确定子单元之间的缝隙，得到由多边形和扇形组成的天线反射面。本发明能使各子单元易于加工制造，组装时易于定位，组合后的反射面精度高，且能够降低背架结构设计难度，特别适合于中等口径反射面天线的设计和制造。

Description

一种基于等化面积和混合形状的反射面天线曲面分块方法

技术领域

本发明涉及反射面天线技术领域，特别是指一种反射面天线曲面分块方法，可用于中等口径反射面天线主面或副面的等化面积分块设计。

背景技术

反射面天线具有高增益、低旁瓣的特点，且能很好地抑制交叉极化，因而广泛应用于通信、测控以及射电天文等领域中。对于中等口径的反射面天线（如口径大于2米），受到制造能力的限制，一般要对反射面进行分块处理，即将反射面分割成若干个子单元。

传统的分块方法是沿圆周方向和径向将反射面进行分块，得到若干个扇形子单元。例如，公开号为CN103560331A的中国专利《大口径高精度副反射面及其制造方法》中公开了一种副反射面的制造方法，其中所涉及到的反射面分块方法采用了传统的扇形分块方法；公开号为CN101252225A的中国专利《反射面天线面板变形数据的预处理方法》中公开了一种通过处理反射面变形数据得到天线远场方向图的方法，其中所涉及到的反射面分块方法采用了传统方式；公告号为CN204011678U的中国专利《一种分块式旋转天线》中公开了一种适合于车载雷达的可拆装天线，其中所涉及到的反射面分块方法为传统扇形分块方法。上述几种方法虽然能够解决相应技术领域的一些问题，但对于中等口径反射面的分块方法方面来说，存在以下不足：

（1）分块面积不均匀。传统的分块方法一般只根据径向长度对反射面进行分块，导致分块后形成的面板子单元面积不均匀。面积较小的面板容易加工制造，其表面精度也容易保证；而面积较大的面板增加了成型和制造的难度，其表面精度不易保证。这样，由面积不均的、精度不等的面板所组成的反射面在工作时，到达天线口径上的电磁场非等相位面，从而降低天线的总体性能指标。

（2）面板不易定位。传统的分块方法所形成的天线面板，在周向为圆弧形式，面板相互之间不易定位，特别是当反射面为非圆对称的赋型曲面时，对每块面板的位置精度要求非常高，如果面板子单元定位不准确，会影响电磁波的反射效率，导致天线增益下降。

（3）径向和周向长度比例不均。采用传统的分块方法易造成面板的径向和周向尺寸差别很大，为了消除尺寸差别会增加面板支撑点数量，这样会增加天线背架结构的复杂度，使得生产成本升高。

公告号为CN204088574U的中国专利《冲压式分块天线》中公开了一种冲压式分块小型便携卫星天线；公告号为CN2413398U的中国专利《分块式卫星电视接收天线》中公开了一种小型对称分块的卫星电视接收天线；公告号为CN201163666U的中国专利《一种小型卫星天线反射面》中公开了一种将反射面分为四块的小型卫星天线。上述三个专利所涉及的反射面分块方法虽然适用与小口径天线，但是该种方法对于中等口径的反射面分块来说，存在以下不足：

（1）只涉及小口径天线。在上述的专利中，所涉及的天线主要是便携式或小型卫星地面站天线，所涉及的分块方法不能应用到中等口径的反射面天线中。

（2）分块不规则。以上三种专利对天线的分块为不规则形状，天线结构采用了面板自支撑形式。对于中等口径天线而言，天线反射面需要有背架支撑，如果采用这种不规则分块方法，将给背架结构带来很多问题。

（3）没有考虑单块面积。上面三种专利所提及的分块方法，没有涉及分块后子单元面积，将会造成分块面积不均匀和表面精度不一致的问题。

发明的内容

有鉴于此，本发明提供一种反射面天线曲面分块方法，该方法采用等化面积和混合形状的分块方式，具有分块后子单元面积均匀等化、形状规则的特点，分块后的各子单元易于加工制造，组装时易于定位，组合后的反射面精度高，且能够降低背架结构的设计难度，特别适合于中等口径反射面的设计和制造。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于等化面积和混合形状的反射面天线曲面分块方法，用于对赋型反射面或圆对称反射面进行等化面积分块，包括如下步骤：

（1）任取天线反射面边缘上的不在同一直线上的三个点，并确定过这三个点的平面A，取平面A的外法向为远离反射面方向；

（2）沿平面A的外法向方向平移一段距离，得到与平面A平行的平面B；

（3）取天线反射面边缘上的将口面圆周三等分的三个点，沿平面A的外法向方向投影到平面B上，得到三个投影点；

（4）以三个投影点为基准，确定一个半径为R的大圆；

（5）求解如下方程，得到数值r：

其中，N为自然数，且N≥3；

（6）以r为半径在所述大圆内做出同心小圆；

（7）在所述小圆内，做出内接正N边形；

（8）以正N边形的N个顶点为基准，在小圆圆周与大圆圆周之间做出N条径向的辐射线段；

（9）将步骤（7）所得到的正N边形和步骤（8）所得到的N条辐射线段，沿平面A外法向的反向方向投影到天线反射面上，把反射面分割成由曲面N边形和N个曲面扇形所组成的多个子区域，得到对所述反射面的曲面划分；

（10）对于所述反射面的每一个子区域，将该子区域的边界内移，使得相邻两个子区域之间形成缝隙，从而完成对反射面的二次划分；

（11）根据二次划分的划分方式对反射面曲面进行分块，得到一个曲面N边形面板和N个曲面扇形面板。

具体的，所述步骤（9）中曲面N边形和N个曲面扇形的面积为0.5 ～ 6 m²。

具体的，所述步骤（10）中边界内移的距离为0.2 ～ 5 mm。

本发明与背景技术相比具有如下有益效果：

（1）本发明运用等化面积分块方法，天线反射面经分块后所形成的子单元面积均匀、易于制造，能够有效提升组装后的反射面表面精度。

（2）本发明所采用的分块方法，使反射面由一个多边形和若干个扇形单元组成，扇形单元之间通过多边形外缘进行定位，克服了传统方法中扇形单元沿周向不易定位的缺陷。

（3）采用本发明方法对反射面分块后，多边形单元位于反射面的中心，且为整体曲面，能够减少电磁漏失和降低天线系统的噪声温度。

（4）本发明中组成反射面的单元为多边形和扇形，易于配置成型后的单元面板的支撑点数量，可根据反射面口径大小或单元面积进行灵活的结构设计。

（5）分块后的子单元面板均为规则形状，能够有效简化反射面背架结构，从而降低天线系统的重量，减少制造成本。

（6）本发明方法不仅适合于标准圆对称反射面天线，而且能够兼顾偏置反射面天线和赋型反射面天线。

总之，本发明构思巧妙，思路清晰，易于实现，既解决了传统反射面分块方法的分块面积不均匀、不易定位和长宽比失调的问题，又降低了加工制造的难度，是对现有技术的一种重要改进。

附图说明

图1是本发明实施例中步骤1～步骤2的原理图；

图2是本发明实施例中步骤3～步骤8的原理图；

图3是本发明实施例中步骤9的原理图；

图4是本发明实施例中步骤10～步骤11的原理图；

图5是本发明实施例中由三角形和扇形组成的反射面曲面分块原理图；

图6是本发明实施例中由四边形和扇形组成的反射面曲面分块原理图；

图7是本发明实施例中由六边形和扇形组成的反射面曲面分块原理图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的描述。

以口径为5米的赋型反射面分块为示例，该分块方法包括如下步骤：

（1）建立平面

如图1所示，任取天线反射面边缘上的不在同一直线上的三个点，记为P1、P2、P3，并确定过这三个点的平面A，取平面A的外法向为远离反射面方向，记为N。

（2）平移平面

沿平面A外法向N方向平移适当距离，得到平面B。

实施例中平移距离为600mm。

（3）取三点投影

如图2所示，取天线反射面边缘上的最大径向尺寸的三点，记为P3、P4、P5，沿平面A外法向N方向投影到平面B上，得到三个投影点，记为P3’、P4’、P5’。

（4）确定大圆

以P3’、P4’、P5’三个投影点为基准，确定一个半径为R的大圆。

实施例中大圆半径为2500mm。

（5）建立方程

在半径为R大圆内，确定一个半径为r的小圆，半径r满足如下方程：

实施例中，R取2500mm，N取5。

（6）求解方程

求解步骤（5）所得到的方程，舍去负值结果，得到小圆半径r。

实施例中，经求解后得到r为1173.2mm。

（7）做出多边形

在半径为r的小圆内，做出内接正N边形。

实施例中为内接正五边形。

（8）做出辐射线段

以正N边形的N个边交点为基准，沿径向做出N条辐射线段，交于半径为R的大圆上。

实施例中，以正五边形的五个边交点为基准，沿径向做出五条辐射线段，交于半径为2500mm的圆上。

（9）投影和分割曲面

如图3所示，将步骤（7）所得到的正N边形和步骤（8）所得到的N条辐射线段，沿平面A外法向N反向方向向天线反射面进行投影，把反射面分割成由曲面N边形和N个曲面扇形组成的区域，得到对所述反射面的曲面划分。

实施例中，把反射面分割成由一个曲面五边形和五个曲面扇形组成的区域。

（10）二次划分

如图4所示，对于反射面的每一个划分子区域，将该子区域的边界内移，使得相邻两个子区域之间形成缝隙，从而完成对反射面的二次划分。

实施例中，边界内移的距离为1.5mm。

（11）曲面分块

根据二次划分的划分方式对反射面曲面进行分块，得到一个曲面N边形面板和N个曲面扇形面板。

实施例中，经分块后，反射面由一个曲面五边形面板和五个曲面扇形面板组成。

在本实施例中，经过上述步骤分块后，反射面被分割成六块区域，分为两种形状：五边形和扇形，每块区域的曲面面积为3.61m²。

分块后的曲面五边形面板和五个曲面扇形面板均可采用五点支撑方式固定在背架上。

为了验证本发明的通用性，图5～图7还给出了中心多边形为不同边数的分块原理图。其中，图5是由三角形和扇形组成的反射面曲面分块原理图；图6是由四边形和扇形组成的反射面曲面分块原理图；图7是由六边形和扇形组成的反射面曲面分块原理图。对于其它多边形边数的分块方法，也可以根据上面提供的步骤所得到，此处不再赘述。

以上所述，仅是本发明的最佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构改变，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种基于等化面积和混合形状的反射面天线曲面分块方法，其特征在于，用于对赋型反射面或圆对称反射面进行等化面积分块，包括如下步骤：

（4）以三个投影点为基准，确定一个半径为R的大圆；

（5）求解如下方程，得到数值r：

其中，N为自然数，且N≥3；

（6）以r为半径在所述大圆内做出同心小圆；

（7）在所述小圆内，做出内接正N边形；

2.根据权利要求1所述的反射面天线曲面分块方法，其特征在于，所述步骤（9）中曲面N边形和N个曲面扇形的面积为0.5 ～ 6 m²。

3.根据权利要求1所述的反射面天线曲面分块方法，其特征在于，所述步骤（10）中边界内移的距离为0.2 ～ 5 mm。