CN110610018A - 一种Ku频段超低交叉极化多波束天线的实现方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Ku频段超低交叉极化多波束天线的实现方法及系统。该天线基于单口径多波束天线技术，天线包括反射器、极化栅板和馈源阵列。通过将多波束天线和极化栅板结合，对极化栅板的各项参数进行优化设计，保证主极化的最大效率透射和交叉极化的最高抑制，不仅大幅度提高多波束天线的交叉极化隔离度(XPD),还保证对于指定区域的高增益覆盖。

Description

一种Ku频段超低交叉极化多波束天线的实现方法及系统

技术领域

本发明属于星载天线技术领域，具体地，涉及一种Ku频段超低交叉极化多波束天线的实现方法及系统。

背景技术

为了提高宽带通信卫星技术，支持小型终端快速回传，使其能够支持海、陆、空等各类数据通信，需要采用多波束技术。但由于覆盖区使用频率受限，大多数卫星都存在不同天线极化复用的设计，因此存在一颗卫星不同天线之间的极化干扰，为了保证系统正常使用，需要研究一种新型的多波束天线，以实现超低交叉极化的特性，满足系统使用要求。

目前国内外降低多波束交叉极化的设计方法主要如下：

(1)增大焦距以弱化不对称性对交叉极化的影响。这种方法会受到卫星结构限制难以实施，且改善效果极其有限；

(2)通过对反射面进行赋形，改变口面场的幅度相位分布，改善交叉极化。这种方法虽然能改善交叉极化，但是无法适用于多波束系统，且在赋形过程中会影响到主极化的方向图，恶化增益性能。

发明内容

本发明需要解决的问题是：克服现有技术的不足，提出一种Ku频段超低交叉极化多波束天线的实现方法及系统，实现多波束天线的超低交叉极化覆盖，并同时实现高增益覆盖。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案包括：

一种带有极化栅板的单口径多波束天线实现方法，天线包括反射器(1)、极化栅板(2)和馈源阵列(3)，天线的实现过程包括如下步骤：

(S1)确定天线参数，包括反射器口径D、焦距F以及偏置距离H；

(S2)根据波束宽度以及步骤(S1)中确定的天线参数，进行馈源方向图的优化；

(S3)根据天线的工作极化方式，对极化栅板进行优化，确定极化栅板的参数：栅条宽度w以及栅条周期p；

(S4)将所述馈源方向图进行仿真计算，得到天线的最终性能。

优选地，在步骤(S1)中：根据波束宽度确定反射器口径D(为经验值，需要进行仿真进行口径确认)，在卫星布局要求范围内选择尽可能大的焦距F，在保证天线视场与馈源阵结构不发生干涉的条件下确定偏置距离H。

优选地，在步骤(S2)中：根据波束宽度以及步骤(S1)中确定的天线参数，选择馈源的口径，在方向图的优化过程中，仅进行辐射效率的优化，不进行交叉极化的优化。

优选地，在步骤(S3)中：栅板栅条在天线坐标系XY平面内投影为一组平行直线，w为栅条的宽度，p为栅条之间的间隔距离，需要对这两个参数进行优化设计，以保证：①平行栅条电磁波漏射的最小化，以保证极高的交叉极化抑制；②最大化极化垂直栅条电磁波传输的最大化，以保证对主极化损耗最小。

栅板对交叉极化的反射系数计算公式为：

栅板对主极化的损耗系数计算公式为：

从以上两个公式可以联合解算，以工作频率、对交叉极化的抑制度以及可容忍的主极化损耗为输入，可以得到最优的栅条参数。对交叉极化的抑制度即栅板对交叉极化的反射系数，可容忍的主极化损耗即栅板对主极化的损耗系数。

优选地，在步骤(S4)中：将优化设计后的馈源方向图文件，结合天线进行整体仿真，最终对仿真结果进行统计。

与现有技术相比，根据本发明的Ku频段超低交叉极化多波束天线具有有益的技术效果：

1、本发明采用多波束天线结合极化栅板的结构形式，在保证多波束天线高增益的性能同时，解决了天线交叉极化低的问题；

2、本发明给出极化栅板优化设计的方法，通过选择合适的结构参数，可以最大化对交叉极化的抑制以及最低化对主极化的损耗。

3、本发明天线基于单口径多波束天线技术，天线包括反射器、极化栅板和馈源阵列。通过将多波束天线和极化栅板结合，对极化栅板的各项参数进行优化设计，保证主极化的最大效率透射和交叉极化的最高抑制，不仅大幅度提高多波束天线的交叉极化隔离度(XPD),还保证对于指定区域的高增益覆盖。

附图说明

图1为本发明天线设计流程图；

图2为未添加极化栅板前的波束方向图；

图3为添加极化栅板后的波束方向图。

具体实施方式

下面结合附图，以设计一个超低交叉极化多波束天线对本发明作进一步详细的描述，如图1所示：

(S1)确定天线参数，包括反射器口径D、焦距F以及偏置距离H。根据波束宽度确定反射器口径D，在卫星布局要求范围内选择最大的焦距F，在保证天线视场与馈源阵结构不发生干涉的条件下确定偏置距离H。

使用波束宽度θ＝1.1°的波束对指定区域进行覆盖，结合增益要求和波束宽度，选择天线口径D为1.5m。由于大的焦径比可以获得更低的交叉极化，考虑到卫星尺寸和布局，焦径比F/D选择为1.6，得出天线的焦距F为2.6m。为了避免由于馈源阵尺寸较大而造成遮挡影响，天线采用偏置抛物面形式，偏置H(到反射器底端)取为0.55m。天线的结构尺寸确认完成。

(S2)根据波束宽度以及步骤(S1)中确定的天线参数，进行馈源方向图的优化。选择馈源的口径，在方向图的优化过程中，仅进行辐射效率的优化，不进行交叉极化的优化。

由于采用单口径多波束天线，结合步骤S1中确认的结构参数以及波束宽度，结合实际工程实现，确定馈源口径为43mm，计算公式为：

喇叭设计过程中，仅进行辐射效率的优化，不进行交叉极化的优化。尽可能提高口径效率，以提高次级波束的增益。

本发明的优点在于馈源方向图不需要优化交叉极化，只需要优化口径效率，可以简化喇叭的设计。

(S3)根据天线的工作极化方式，对极化栅板进行优化，确定极化栅板的参数：栅条宽度w以及栅条周期p。

栅板栅条在天线坐标系XY平面内投影为一组平行直线，w为栅条的宽度，p为栅条之间的间隔距离，对极化栅板进行优化即为对栅条宽度w以及栅条周期p进行优化，优化原则为：①平行栅条电磁波漏射的最小化；②垂直栅条电磁波传输的最大化。

对极化栅板进行优化设计，确定金属栅条的宽度以及间隔，为了获得-40dB的交叉极化抑制(交叉极化反射系数)和0.1dB的主极化损耗(主极化损耗系数)，工作波长21.5mm，带入公式中进行计算。

栅板对交叉极化的反射系数计算公式为：

栅板对主极化的损耗系数计算公式为：

选择W/P＝0.2，且栅条周期P＝1.0mm，间距w＝0.2mm。

(S4)将所述馈源方向图进行仿真计算，得到天线的最终性能。

结合极化栅板和反射面，代入馈源方向图，计算星下点的波束性能，从图2和图3中可以看出，XPD由22dB提高至38dB，增益仅有0.1dB的损失。进行多波束天线整体性能的仿真，增益覆盖如表1所示，边缘增益高于36dBi。

表1

增益测试结果

波束编号	增益(dBi)	波束编号	增益(dBi)
				beam1	36.88	beam15	37.12
beam2	36.69|	beam16	36.91
				beam3	36.58	beam17	37.15
beam4	36.53	beam18	37.02
				Beam5	37.06	beam19	37.12
beam6	37.03	beam20	37.21
				beam7	37.06	beam 21	37.08
beam8	36.89	beam22	37.07
				beam9	36.51	beam23	37.21
beam10	36.51	beam24	37.25
				beam11	36.46	beam 25	37.24
beam12	36.43	beam26	37.20
				beam13	37.06	beam27	37.17
beam14	37.12	beam28	37.32

表2给出了各波束XPD的统计，XPD均高于37dB。

表2

XPD测试结果

波束编号	XPD(dB)	波束编号	XPD(dB)
				beam1	38.72	beam15	41.72
beam2	38.33	beam16	39.84
				beam3	38.21	beam17	37.26
beam4	38.06	beam18	37.55
				beam5	37.91	beam19	39.23
beam6	40.82	beam20	40.82
				beam7	39.89	beam21	41.12
beam8	38.86	beam22	41.59
				beam9	39.42	beam23	39.07
beam10	38.26	beam24	37.55
				beam11	37.02	beam25	39.89
beam12	37.39	beam26	41.02
				beam13	39.34	beam27	39.85
beam14	40.46	beam28	37.24

该发明直接解决了多波束天线交叉极化较差的问题，更帮助有效载荷系统上直接解决了不同天线之间极化干扰的问题，进而有助于卫星系统不同天线极化复用，以增大系统容量，该天线方案设计精巧，结构易于实现，性能优良，在高性能宽带通信卫星和宽带多媒体卫星中，有着很强的实用性和市场竞争力。

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 (10)

1.一种Ku频段超低交叉极化多波束天线的实现方法，其特征在于：天线包括反射器(1)、极化栅板(2)和馈源阵列(3)，天线的实现过程包括如下步骤：

(S1)确定天线参数，包括反射器口径D、焦距F以及偏置距离H；

(S2)根据波束宽度以及步骤(S1)中确定的天线参数，进行馈源方向图的优化；

(S3)根据天线的工作极化方式，对极化栅板进行优化，确定极化栅板的参数：栅条宽度w以及栅条周期p；

(S4)将所述馈源方向图进行仿真计算，得到天线的最终性能。

2.根据权利要求1所述一种Ku频段超低交叉极化多波束天线的实现方法，其特征在于：根据波束宽度确定反射器口径D，在卫星布局要求范围内选择最大的焦距F，在保证天线视场与馈源阵结构不发生干涉的条件下确定偏置距离H。

3.根据权利要求1所述一种Ku频段超低交叉极化多波束天线的实现方法，其特征在于：在步骤(S2)中：根据波束宽度以及步骤(S1)中确定的天线参数，选择馈源的口径，在方向图的优化过程中，仅进行辐射效率的优化，不进行交叉极化的优化。

4.根据权利要求1所述一种Ku频段超低交叉极化多波束天线的实现方法，其特征在于：栅板栅条在天线坐标系XY平面内投影为一组平行直线，w为栅条的宽度，p为栅条之间的间隔距离。

5.根据权利要求4所述一种Ku频段超低交叉极化多波束天线的实现方法，其特征在于：对极化栅板进行优化即为对栅条宽度w以及栅条周期p进行优化，优化原则为：①平行栅条电磁波漏射的最小化；②垂直栅条电磁波传输的最大化。

6.根据权利要求4所述一种Ku频段超低交叉极化多波束天线的实现方法，其特征在于：

栅板对交叉极化的反射系数计算公式为：

栅板对主极化的损耗系数计算公式为：

λ为波长，从以上两个公式联合解算，以工作波长λ、对交叉极化的抑制度以及可容忍的主极化损耗为输入，得到最优的栅条参数w以及p。

7.根据权利要求6所述一种Ku频段超低交叉极化多波束天线的实现方法，其特征在于：对交叉极化的抑制度即栅板对交叉极化的反射系数，可容忍的主极化损耗即栅板对主极化的损耗系数。

8.根据权利要求1所述一种Ku频段超低交叉极化多波束天线的实现方法，其特征在于：将优化后的馈源方向图，结合天线进行整体仿真，最终对仿真结果进行统计，得到天线的最终性能。

9.一种基于权利要求1实现的Ku频段超低交叉极化多波束天线的实现系统，其特征在于包括：

天线参数确定模块：确定天线参数，包括反射器口径D、焦距F以及偏置距离H；

方向图优化模块：根据波束宽度以及步骤(S1)中确定的天线参数，进行馈源方向图的优化；

极化栅板优化模块：根据天线的工作极化方式，对极化栅板进行优化，确定极化栅板的参数：栅条宽度w以及栅条周期p；

仿真模块：将所述馈源方向图进行仿真计算，得到天线的最终性能。

10.根据权利要求9所述的Ku频段超低交叉极化多波束天线的实现系统，其特征在于：在方向图的优化过程中，仅进行辐射效率的优化，不进行交叉极化的优化；栅板栅条在天线坐标系XY平面内投影为一组平行直线，w为栅条的宽度，p为栅条之间的间隔距离；对极化栅板进行优化即为对栅条宽度w以及栅条周期p进行优化，优化原则为：①平行栅条电磁波漏射的最小化；②垂直栅条电磁波传输的最大化；

栅板对交叉极化的反射系数计算公式为：

栅板对主极化的损耗系数计算公式为：

λ为波长，从以上两个公式联合解算，以工作波长λ、对交叉极化的抑制度以及可容忍的主极化损耗为输入，得到最优的栅条参数w以及p。