CN112164885A - 一种基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法 - Google Patents

一种基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法，该设计方法针对多馈源合成多波束天线馈源阵(喇叭阵列+极化器阵列+合成网络)，通过对合成网络的拓扑结构、无源器件、波导连接结构及各自的优化变量变化范围进行约束定义及优化设计，解决了多馈源合成多波束天线波束幅相激励系数设置与波束性能间的矛盾，在满足了合成网络的设计合理性的同时实现了高增益高C/I波束性能。

Description

一种基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法
技术领域
本发明属于星载多波束天线技术领域，具体涉及一种基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法。
背景技术
多波束天线技术作为大容量通信卫星普遍采用的一种载荷技术，可以针对拟定服务区提供大量高增益点波束覆盖，通过采用频率极化复用技术实现同频同极化波束间的物理隔离，然而为了提高频率利用效率进而提高卫星系统整体的通信容量，需要在提高频率复用次数的基础上通过天线设计获得高增益高C/I的波束性能。
多馈源合成多波束天线由于采用了馈源簇的设计理念，一方面通过波束间的馈源共用提高波束间的交叠电平，另一方面通过多个馈源的幅度相位激励系数优化实现对波束性能特别是C/I性能的提升，实现了以一副反射器完成发射或接收多波束天线的设计，获得高增益高C/I覆盖性能的同时降低了天线对卫星平台的资源需求。但是针对该技术，目前没有有效的合成网络幅相优化设计方法，脱离网络拓扑结构和无源器件色散特性的设计，无法保证激励系数在整个工作频段内与设计值的一致性，进而最终影响整个天线的所有波束性能。
发明内容
本发明解决的技术问题是：该设计方法主要针对多馈源合成多波束天线波束幅相激励系数设置与波束性能间的矛盾，提出一种基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法，提出一种针对合成多波束天线馈源阵网络幅相优化设计方法，通过对合成网络的拓扑结构、无源器件、波导连接结构及各自的优化变量变化范围进行约束定义及优化设计，满足合成网络的设计合理性的同时实现高增益高C/I波束性能。
本发明的技术方案包括：一种基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法，所述方法应用于合成多波束天线，天线包括反射器和馈源阵列，其中馈源阵列由喇叭阵列、极化器阵列和波束形成网络组成，波束形成网络由多个无源耦合器、移相器及波导连接结构共同构建实现拓扑网络及优化的幅度相位激励系数值，所述方法具体步骤包括：
(S1)根据设计指标要求确定多馈源合成多波束天线配置，包括主反射器的口径D、主反射器焦距F和馈源阵偏置H；
(S2)根据服务区的形状和设计指标要求，确定波束对应馈源簇位置、单波束合成馈源数量排布方式、波束间共用馈源数量及对应的馈源口径d；
(S3)根据步骤(S2)中确定的馈源喇叭的内径d，利用Champ软件对馈源喇叭口径效率为目标进行设计，并利用GRASP软件计算在(S1)步骤所确定的天线配置参数下的所有馈源子波束性能；
(S4)依据馈源阵波束规模、波束馈源对应关系及构成网络的无源器件类型，构建波束形成网络拓扑结构；
(S5)在根据步骤(S4)对波束形成网络设计完成后，以步骤(S3)计算后的所有馈源子波束性能为输入条件，进行馈源阵合成网络的幅相激励系数的优化设计。
在步骤(S1)中，主反射器的口径D、主反射器焦距F和馈源阵偏置H参数在选择方面保证馈源阵重量、体积及天线布局满足卫星平台包络限制；
所述主反射器的口径D在1λ～1.8λ范围内。
在步骤(S2)中：
a)依据天线配置参数与波束覆盖位置，计算天线焦平面上各波束中心所对应的坐标值；
b)采用7馈源数量作为单波束合成馈源数量，7馈源采用正六边形排布，且馈源外壁包络两两相切；
c)波束与波束间的馈源共用数量控制在2个；
d)通过已有的波束中心位置及合成馈源数量共用方式计算出馈源口径d。
在步骤(S3)中，通过以下方式对馈源喇叭进行设计：
根据内径d，在Champ软件中建立馈源喇叭的初始模型，然后将馈源的口径效率、交叉极化隔离度、回波损耗作为优化目标，利用Champ软件自带的优化程序进行馈源喇叭的优化设计。
在步骤(S4)中，通过以下方式构建网络拓扑结构：
a)对于网络中每个波束所对应的7个馈源，采用基于波导结构的耦合器结构实现对幅度的分配；
b)对于网络中每个波束所对应的7个馈源，采用基于波导结构的移相器实现对幅度的分配；
c)对于所有耦合器及移相器采用分层形式设计，层间采用相同的周期型波导连接结构降低整个拓扑结构对于网络相位特性的影响。
所述步骤(S5)的具体过程为：
(S51)将参与波束合成的每一个通道的激励系数定义为优化变量Xa-b,其中a为波束号，b为馈源号，变量数组X所包含的总的变量数目由网络拓扑结构设计的通道数目所确定；
(S52)在步骤(S51)中的优化变量数组X确定后，根据设计服务区的波束宽度要求范围，在各波束的相应位置布置观测站点，形成观测变量Y；
(S53)将拓扑网络约束与网络结构所含无源器件的色散特性在全频带内进行提取并进行参数化近似，对所有优化变量依据不同设计频率进行修正；
(S54)利用计算得到的天线子波束在不同频点下各个观测站点的天线性能与激励系数X，与设置要求进行对比构建目标函数F(X,Y)，并设置各个观测站点的增益、C/I要求和权值系数；
(S55)采用全局优化算法对根据步骤(S54)构建的目标函数F(X,Y)进行优化，如果优化结果满足设计要求，结束优化；否则返回到步骤(S55)调整各个观测站点性能指标的权值系数，重新进行优化。
在步骤(S54)中，目标函数F(X,Y)根据以下公式确定：
F(X,Y)＝(F1(X,Y1),F1(X,Y2)…F1(X,YM))T；
F1(X,Ym)＝wm[D1(Ym)-Dco(X,Ym)]+wm1[C/I1(Ym)-C/Ico(X,Ym)]；
上式中，wm是第m个观测站点的方向性权重系数，wm1是第m个观测站点的C/I性能权重系数，D1(Ym)是第m个观测站点设计要求的主极化方向性值，C/I1(Ym)是第m个观测站点设计要求的C/I值，Dco(X,Ym)是优化变量为X的情况下，利用物理光学法计算得到的第m个观测站点的合成后的主极化方向性值，C/Ico(X,Ym)则是主极化的C/I值；F1(X,Y1)是优化变量为X的情况下第1个观测站点的冗余值，F1(X,Y2)是优化变量为X的情况下第2个观测站点的冗余值，F1(X,YM)是优化变量为X的情况下第M个观测站点的冗余值，M是所取的观测站点总数目，1≦m≦M。
与现有技术相比，根据本发明的多波束天线网络的幅相优化设计方法具有有益的技术效果：
1、本发明采用的多馈源合成网络的幅相优化设计方法，提出通过馈源阵波束规模、波束馈源间对应关系、网络构建器件构建对应的拓扑网络，结合幅相优化前的器件色散特性提取，有效解决了激励系数与网络设计的对应关系，提升了设计结果的宽带适应性；
2、提出了波导结构、耦合器、移相器共同组成的周期型结构连接，降低了网络色散特性对优化复杂度及波束性能的影响；
3、优化过程中所提出的以C/I性能直接参与目标函数优化，相较于常规采用旁瓣直接优化的方式，提升了幅相激励系数设计的自由度与最优解的搜索范围，利于获得更优的波束设计结果。
附图说明
图1为根据本发明的方法对馈源阵合成网络进行幅相优化设计的流程图；
图2为根据本发明的方法设计的多波束天线的配置及馈源波束对应关系示意图；
图3为根据本发明的方法对合成网络结构进行分层的示意图；
图4为根据本发明的方法给出的覆盖区波束覆盖及对应的馈源阵布局；
图5a为根据本发明的方法设计得到的天线波束3的远场服务区增益等值线覆盖图；
图5b为根据本发明的方法设计得到的天线波束13的远场服务区增益等值线覆盖图；
图5c为根据本发明的方法设计得到的天线波束18的远场服务区增益等值线覆盖图；
图6a为根据本发明的方法设计得到的天线波束3的远场服务区C/I等值线覆盖图；
图6b为根据本发明的方法设计得到的天线波束13的远场服务区C/I等值线覆盖图；
图6c为根据本发明的方法设计得到的天线波束18的远场服务区C/I等值线覆盖图；
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的多馈源合成网络的幅相优化设计方法做进一步详细的描述。
如图2、图3所示，根据本发明的合成多波束天线包括反射器和馈源阵列，其中馈源阵列由喇叭阵列、极化器阵列和波束形成网络组成，波束形成网络由多个无源耦合器、移相器及波导连接结构共同构建。
参考图1、图2、图3及图4，根据本发明的方法包括以下步骤：
(S1)根据设计指标要求确定多馈源合成多波束天线配置，包括主反射器的口径D、主反射器焦距F和馈源阵偏置H。
参数在选择方面首先需要考虑卫星平台的限制，其次由于参数设置特别是F/D会直接影响馈源阵列的规模即单馈源口径大小，馈源口径变化则会最终反应在网络的重量、体积指标方面，因此馈源口径常规控制在1λ～1.8λ范围内。
(S2)优化设计波束对应馈源簇位置、单波束馈源数量、排布方式、共用馈源数量及馈源口径
根据图4中所示的服务区域，依据要求给定的固定宽度下的波束，用a个(20)波束来完成对服务区的覆盖，从而确定每个波束的初步位置分布，确定单波束对应馈源数量为7，且波束间共用馈源数位2后，完成馈源阵共b个馈源(82)的排布，在射线追踪法确定波束中心位置后，就可以根据排布确定喇叭口径尺寸，即相邻馈源含馈源外壁的口径等于波束间距的1/(30.5)。
(S3)根据步骤(S2)中确定的馈源喇叭的内径d，利用Champ软件对馈源喇叭口径效率为目标进行设计，并利用GRASP软件计算在定义的天线配置下的子波束性能；
依据所确定的喇叭最大口径，在Champ软件中建立馈源喇叭的初始模型，然后将馈源的口径效率、交叉极化隔离度、回波损耗作为优化目标，利用Champ软件自带的优化程序进行馈源喇叭的优化设计，优化过程中，馈源喇叭的内径最大尺寸固定不变，通过对馈源的形状进行优化实现所期望的目标。
(S4)依据馈源阵波束规模、波束馈源对应关系及构成网络的无源器件类型，构建波束形成网络拓扑结构
在完成前面三步的流程工作后，得到波束数量20与对应的馈源数量82，因为馈源将以圆极化器为其提供含有极化隔离特性的双端口结构，故最终得到的是20输入164(82*2)输出的网络布局，在结合耦合器及移相器的器件特性，可以将其分层进行布局，输出端口中部分未参与合成的则可以采用负载进行连接，网络分层过程中以耦合器为基础，设计呈周期型布局排布，其间插入移相器结构实现对相位的控制调整，网络分层结构示意图参见图3。
(S5)波束形成网络幅相优化设计
(S51)将参与波束合成的每一个通道的激励系数作为优化对象，包括其最终的幅度和相位值；在优化前需要考虑网络拓扑结构对激励系数的限制条件，假定单波束输入功率为1，则对应合成的7路通道输出功率之和则应等于输入值，同时通道间有无源器件共用情况则需要将其对幅度相位的约束一并代入。
(S52)优化变量数组X确定后，根据设计服务区的波束宽度要求范围，在各波束的相应位置布置观测站点，形成观测变量Y；。
(S53)为了保证天线整个频带范围内的性能均能满足设计要求，在不同频点分别对无源器件的频率色散特性进行提取，其中耦合器色散特性通过仿真设计在一定带宽内基本呈线性分布，移相器色散程度则随相位量级而上升，进行参数化近似处理后，即可根据设计波束所处的具体频带范围对优化变量的值进行修正。
(S54)代入天线子波束在不同频点下各个观测站点的性能计算结果与激励系数X，与设置性能要求进行对比构建目标函数F(X,Y)，并设置各个观测站点的增益、C/I要求和权值系数。各个观测站点的要求根据设计指标要求确定，权值系数根据各个站点不同性能重要程度进行设置，对重要程度较高的观测站点或者性能设置较大的权值系数。
具体目标函数F(X,Y)根据以下公式确定：
F(X,Y)＝(F1(X,Y1),F1(X,Y2)…F1(X,YM))T (1)
F1(X,Ym)＝wm[D1(Ym)-Dco(X,Ym)]+wm1[C/I1(Ym)-C/Ico(X,Ym)](2)
上式中，wm是第m个观测站点的方向性权重系数，wm1是第m个观测站点的C/I性能权重系数，D1(Ym)是第m个观测站点设计要求的主极化方向性值，C/I1(Ym)是第m个观测站点设计要求的C/I值，Dco(X,Ym)是优化变量为X的情况下，利用物理光学法计算得到的第m个观测站点的合成后的主极化方向性值，C/Ico(X,Ym)则是主极化的C/I值。F1(X,Y1)是优化变量为X的情况下第1个观测站点的冗余值，F1(X,Y2)是优化变量为X的情况下第2个观测站点的冗余值，F1(X,YM)是优化变量为X的情况下第M个观测站点的冗余值，M是所取的观测站点总数目，1≦m≦M。
(S55)采用遗传算法等全局优化算法对根据步骤(S54)构建的目标函数F(X,Y)进行优化，如果优化结果满足设计要求，结束优化；否则返回到(S55)依据设计目标权衡调整各个观测站点性能指标权值系数，重新进行优化。为了说明本发明所提出的多馈源合成网络幅相优化设计方法的有效性，对一个服务区为中国国土内重点区范围、20个波束覆盖下的Ka频段多波束天线进行了优化设计。
根据设计指标要求确定多馈源合成多波束天线配置，包括主反射器的口径D、主反射器焦距F和馈源阵偏置H，为了得到紧凑的馈源阵包络，反射器的口径D选择为1.6m；反射器偏置H选择为0.4m；反射器焦距F选择为1.4m，单馈源口径选择为11.4mm(1.06λ)。
采用本文所述的幅相优化设计方法在前置天线配置参数确定后，对所有参与波束合成通道的幅相激励系数进行优化后，天线所有波束在服务区内的增益、C/I的设计结果均满足设计指标要求(如图5a-5c、图6a-6c所示)。天线波束对服务区的覆盖增益优于41dBi，对服务区的覆盖C/I值优于15.5dB。
本方案在幅相激励优化过程中考虑到了所有无源器件的色散特性，进行针对性仿真特性提取后对优化变量进行了修正，有效解决了激励系数与网络设计的对应关系，提升了设计结果的宽带适应性；同时在优化过程中所提出的以C/I性能直接参与目标函数优化，提升了幅相激励系数设计的自由度与最优解的搜索范围，获得了更优的波束设计结果。
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，可以对本发明做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 (8)

1.一种基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法，其特征在于：所述方法应用于合成多波束天线，天线包括反射器和馈源阵列，其中馈源阵列由喇叭阵列、极化器阵列和波束形成网络组成，波束形成网络由多个无源耦合器、移相器及波导连接结构共同构建实现拓扑网络及优化的幅度相位激励系数值，所述方法具体步骤包括：
(S1)根据设计指标要求确定多馈源合成多波束天线配置，包括主反射器的口径D、主反射器焦距F和馈源阵偏置H；
(S2)根据服务区的形状和设计指标要求，确定波束对应馈源簇位置、单波束合成馈源数量排布方式、波束间共用馈源数量及对应的馈源口径d；
(S3)根据步骤(S2)中确定的馈源喇叭的内径d，利用Champ软件对馈源喇叭口径效率为目标进行设计，并利用GRASP软件计算在(S1)步骤所确定的天线配置参数下的所有馈源子波束性能；
(S4)依据馈源阵波束规模、波束馈源对应关系及构成网络的无源器件类型，构建波束形成网络拓扑结构；
(S5)在根据步骤(S4)对波束形成网络设计完成后，以步骤(S3)计算后的所有馈源子波束性能为输入条件，进行馈源阵合成网络的幅相激励系数的优化设计。
2.根据权利要求1所述的基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法，其特征在于，在步骤(S1)中，主反射器的口径D、主反射器焦距F和馈源阵偏置H参数在选择方面保证馈源阵重量、体积及天线布局满足卫星平台包络限制。
3.根据权利要求2所述的基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法，其特征在于，所述主反射器的口径D在1λ～1.8λ范围内。
4.根据权利要求1所述的基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法，其特征在于，在步骤(S2)中：
2a)依据天线配置参数与波束覆盖位置，计算天线焦平面上各波束中心所对应的坐标值；
2b)采用7馈源数量作为单波束合成馈源数量，7馈源采用正六边形排布，且馈源外壁包络两两相切；
2c)波束与波束间的馈源共用数量控制在2个；
2d)通过已有的波束中心位置及合成馈源数量共用方式计算出馈源口径d。
5.根据权利要求1所述的基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法，其特征在于，在步骤(S3)中，通过以下方式对馈源喇叭进行设计：
根据内径d，在Champ软件中建立馈源喇叭的初始模型，然后将馈源的口径效率、交叉极化隔离度、回波损耗作为优化目标，利用Champ软件自带的优化程序进行馈源喇叭的优化设计。
6.根据权利要求4所述的基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法，其特征在于，在步骤(S4)中，通过以下方式构建网络拓扑结构：
4a)对于网络中每个波束所对应的7个馈源，采用基于波导结构的耦合器结构实现对幅度的分配；
4b)对于网络中每个波束所对应的7个馈源，采用基于波导结构的移相器实现对幅度的分配；
4c)对于所有耦合器及移相器采用分层形式设计，层间采用相同的周期型波导连接结构降低整个拓扑结构对于网络相位特性的影响。
7.根据权利要求1所述的基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法，其特征在于，所述步骤(S5)的具体过程为：
(S51)将参与波束合成的每一个通道的激励系数定义为优化变量Xa-b,其中a为波束号，b为馈源号，变量数组X所包含的总的变量数目由网络拓扑结构设计的通道数目所确定；
(S52)在步骤(S51)中的优化变量数组X确定后，根据设计服务区的波束宽度要求范围，在各波束的相应位置布置观测站点，形成观测变量Y；
(S53)将拓扑网络约束与网络结构所含无源器件的色散特性在全频带内进行提取并进行参数化近似，对所有优化变量依据不同设计频率进行修正；
(S54)利用计算得到的天线子波束在不同频点下各个观测站点的天线性能与激励系数X，与设置要求进行对比构建目标函数F(X,Y)，并设置各个观测站点的增益、C/I要求和权值系数；
(S55)采用全局优化算法对根据步骤(S54)构建的目标函数F(X,Y)进行优化，如果优化结果满足设计要求，结束优化；否则返回到步骤(S55)调整各个观测站点性能指标的权值系数，重新进行优化。
8.根据权利要求7所述的基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法，其特征在于，在步骤(S54)中，目标函数F(X,Y)根据以下公式确定：
F(X,Y)＝(F1(X,Y1),F1(X,Y2)…F1(X,YM))T；
F1(X,Ym)＝wm[D1(Ym)-Dco(X,Ym)]+wm1[C/I1(Ym)-C/Ico(X,Ym)]；
上式中，wm是第m个观测站点的方向性权重系数，wm1是第m个观测站点的C/I性能权重系数，D1(Ym)是第m个观测站点设计要求的主极化方向性值，C/I1(Ym)是第m个观测站点设计要求的C/I值，Dco(X,Ym)是优化变量为X的情况下，利用物理光学法计算得到的第m个观测站点的合成后的主极化方向性值，C/Ico(X,Ym)则是主极化的C/I值；F1(X,Y1)是优化变量为X的情况下第1个观测站点的冗余值，F1(X,Y2)是优化变量为X的情况下第2个观测站点的冗余值，F1(X,YM)是优化变量为X的情况下第M个观测站点的冗余值，M是所取的观测站点总数目，1≦m≦M。
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