CN112350073A - 一种基于次镜阵列的超大口径反射天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于次镜阵列的超大口径反射天线，能够有效地降低超大口径反射面天线的扫描投影损失，提升大口径反射面天线的效率。本发明的一种基于次镜阵列的超大口径反射天线，采用次镜扫描空域接力，即利用多个次镜组成子阵列，每个子阵列分别负责不同空域的扫描。每个子阵列的阵面转动角度减小，通过扫描角度接力，最终实现空域的大角度扫描，有效地降低了超大口径反射面天线的扫描投影损失，提升了大口径反射面天线的效率。本发明基于次镜扫描形式，还提出了一种六边形结构次镜阵列形式，用来减少因为次镜机械转动而导致的遮挡和漏过电磁波现象。

Description

一种基于次镜阵列的超大口径反射天线
技术领域
本发明属于雷达天文技术领域，尤其涉及一种基于次镜阵列的超大口径反射天线。
背景技术
雷达天文领域是利用高增益、强方向性天线进行深空探索的科学领域。随着对宇宙探索的深入，对天线的增益要求越来越高。要想实现天线的高增益，增大天线口径是一项实用的举措。传统超大口径反射面天线主要是抛物面天线。虽然抛物面天线增益高，但它体积庞大笨重，不便于安装和运输，对加工精度也提出了很高的要求，并且天线功能单一，波束设计不灵活。因此，可以采用基于平面次镜阵列的超大口径天线，既规避了抛物面天线的一系列问题，又通过多个次镜的组合实现了天线口径的增大。
次镜阵列通过各次镜的机械转动实现空域的大角度扫描。当扫描俯仰角、方位角为0°时，即馈源正对阵面时，相邻次镜之间呈密铺状态，其法线方向的投影严丝合缝。在次镜进行机械转动时，相邻的次镜朝法线方向的投影会出现重叠或缝隙。在次镜反射馈源的电磁波时，会导致电磁波被遮挡或漏过，降低反射面天线的效率。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于次镜阵列的超大口径反射天线，能够有效地降低超大口径反射面天线的扫描投影损失，提升大口径反射面天线的效率。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
本发明的一种基于次镜阵列的超大口径反射天线，包括两个以上子阵列，每个子阵列负责某一空域的扫描，通过各个子阵列进行扫描空域接力的方式，最终实现空域扫描；
其中，每个子阵列包括两个以上的次镜和一个馈源，每个次镜可进行俯仰、方位和前后三个自由度的机械运动；
当馈源正对阵面时，各次镜间无遮挡或缝隙；当各次镜进行机械运动时，各次镜间会漏过或遮挡电磁波。
其中，所述次镜为六边形次镜。
其中，每个次镜配套有对应的俯仰转轴、方位转轴、前后运动台以及基座，其中，前后运动台安装在基座上。
其中，所述次镜的方位转轴在基座上。
其中，所述次镜的方位转轴在次镜上。
有益效果：
本发明的一种基于次镜阵列的超大口径反射天线，采用次镜扫描空域接力，即利用多个次镜组成子阵列，每个子阵列分别负责不同空域的扫描。每个子阵列的阵面转动角度减小，通过扫描角度接力，最终实现空域的大角度扫描，有效地降低了超大口径反射面天线的扫描投影损失，提升了大口径反射面天线的效率。
本发明基于次镜扫描形式，还提出了一种次镜阵列形式，用来减少因为次镜机械转动而导致的遮挡和漏过电磁波现象。在这种次镜阵列中，每个次镜都是六边形结构。当次镜发生机械转动时，六边形次镜的投影重叠损失比长方形次镜的投影重叠损失小，提高了超大口径天线的反射效率。
附图说明
图1为本发明六边形次镜的三维结构示意图；
图2为本发明六边形次镜的俯视图；
图3为本发明六边形次镜的侧视图；
图4为本发明次镜阵列的遮挡的侧视示意图；
图5为本发明长方形次镜阵列的遮挡示意图；
图6为本发明六边形次镜阵列的遮挡示意图；
图7为本发明两种次镜的投影效率曲线(N＝2时)
图8为本发明两种次镜的投影效率曲线(N＝10时)；
图9为本发明扫描空域接力的示意图；
图10为本发明扫描空域接力的投影效率曲线。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明基于次镜阵列的超大口径反射面天线中，包括两个以上子阵列；
其中，每个子阵列包括两个以上的次镜和一个馈源，每个次镜可进行俯仰、方位和前后三个自由度的机械运动。
当馈源正对阵面时，各次镜间无遮挡或缝隙。当各次镜进行机械运动时，各次镜间会漏过或遮挡电磁波。每个子阵列负责某一空域的扫描，通过多个子阵列进行扫描空域接力的方式，最终实现大角度空域扫描，提升了超大口径反射天线的扫描效率。
每个次镜配套有对应的俯仰转轴、方位转轴、前后运动台以及基座，前后运动台安装在基座上。次镜三个自由度的机械运动，分别由俯仰转轴、方位转轴和前后运动台来控制，其结构有两种设计方法，分别是次镜的方位转轴在基座上以及次镜的方位转轴在次镜上。
在同样的照射角度时，本发明中的六边形阵面遮挡或漏过电磁波的比例小于长方形阵面。因此，次镜优选为六边形次镜，当馈源正对次镜时，六边形次镜的投影间不存在间隙；当六边形次镜发生机械转动时，各次镜间的投影重叠比长方形次镜间的投影重叠面积小，减少了电磁波的损失。
本发明中的六边形次镜如图1～图3所示。图1为本发明六边形次镜的三维结构示意图；图2为本发明六边形次镜的俯视图；图3为本发明六边形次镜的侧视图。
对于本发明原理具体分析如下：
定义次镜反射面的投影效率为：
Figure BDA0002709971460000041
其中Sp为减去重叠部分后的投影融合面积，S1为单个阵面的实际面积，N为组成阵列的次镜数，Sc为两块相邻次镜之间的重叠面积。
由图4次镜阵列遮挡的侧视图可以看出，当次镜阵列的方位角为α，次镜的侧视宽度为x时，遮挡部分的深度为h：
h＝x-xcosα
由图5可以看出，对于长方形阵列，次镜的侧视宽度x即为长方形的长，长方形的宽为L，两块相邻正方形次镜间的重叠面积Sc为：
Sc＝L(x-xcosα)＝L·x(1-cosα)
则投影效率为：
Figure BDA0002709971460000051
由图6可以看出，对于六边形次镜，次镜的侧视宽度x为六边形的高，则每个六边形的面积为：
Figure BDA0002709971460000052
重叠部分的面积为：
Figure BDA0002709971460000053
则投影效率为：
Figure BDA0002709971460000054
当方位角固定时，N取最小值能使得投影效率最大。图7为N＝2时两种次镜阵列的投影效率曲线，可以看出，当方位角为-90°～90°之间时，六边形次镜的投影效率恒高于长方形次镜。
由于方位角的绝对值不大于90°，所以上述两种次镜的投影效率都随方位角绝对值的增大而减小。所以本发明提出将次镜阵列分成K个子阵，每个子阵需要转动的方位角范围都是原来的
Figure BDA0002709971460000055
从而提升了基于次镜阵面的超大口径天线的投影效率。
实验验证：
1、本实验六边形次镜的高为1米。10个相同的六边形次镜按照本发明介绍的方式组合成阵列，即每个次镜在馈源垂直照射，即方位角、俯仰角都为0°时，其投影不出现重叠或缝隙。如图4所示。六边形次镜阵列的总面积为
Figure BDA0002709971460000061
基于次镜阵列的超大口径反射面天线的工作参数如下所示：
1)工作频率：1.35GHz±0.5MHz
2)单个六边形次镜的面积：
Figure BDA0002709971460000062
3)六边形次镜个数：10个
4)六边形次镜排布方式：1×10排布
将长度为1m的正方形次镜作对比，正方形次镜阵列排布方式同样为1×10排布。图8为上述条件下，两种次镜阵列的投影效率曲线图，表1为三个特定方位角时的投影效率。
表1正方形次镜阵列与六边形次镜阵列投影效率对比表
Figure BDA0002709971460000063
由图8和表1可见，当方位角为-90°～90°时，六边形次镜阵列的投影效率高于或等于正方形次镜阵列的投影效率。
2、超大口径反射天线要求实现方位角为±40°的扫描范围。如图9所示，将总天线阵列设计为两个子次镜阵列及其对应的两个馈源。子次镜阵列1负责-40°～0°的扫描范围，子次镜阵列2负责0°～+40°的扫描范围，最终拼接形成空域±40°的大角度扫描，即每个子次镜阵列只需负责-20°～+20°的扫描范围。
基于次镜阵列的超大口径反射面天线的工作参数如下所示：
1)反射天线工作频率：1.35GHz±0.5MHz
2)子次镜阵列个数：2个
4)子次镜阵列排布方式：1×2排布
5)扫描角度范围：
a)方位角：-40°～+40°
超大口径反射面天线工作时，子次镜阵列1的馈源放置在反射面前方100米处，馈源向子次镜阵列发射波束，子次镜阵面反射波束指向设定的角度。重复这一操作，直到扫描角度覆盖-40°～0°。对子次镜阵列2重复相同的操作，直到其扫描角度覆盖0°～+40°。
如图10所示，划分子阵列时的投影效率小于不划分子阵列时的投影效率。由此可见，划分子阵对空域进行扫描接力的方法可以提高基于次镜阵列的超大口径反射面天线的效率。
本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于次镜阵列的超大口径反射天线，其特征在于，包括两个以上子阵列，每个子阵列负责某一空域的扫描，通过各个子阵列进行扫描空域接力的方式，最终实现空域扫描；
其中，每个子阵列包括两个以上的次镜和一个馈源，每个次镜可进行俯仰、方位和前后三个自由度的机械运动；
当馈源正对阵面时，各次镜间无遮挡或缝隙；当各次镜进行机械运动时，各次镜间会漏过或遮挡电磁波。
2.如权利要求1所述的基于次镜阵列的超大口径反射天线，其特征在于，所述次镜为六边形次镜。
3.如权利要求1或2所述的基于次镜阵列的超大口径反射天线，其特征在于，每个次镜配套有对应的俯仰转轴、方位转轴、前后运动台以及基座，其中，前后运动台安装在基座上。
4.如权利要求3所述的超大口径平面反射阵列天线，其特征在于，所述次镜的方位转轴在基座上。
5.如权利要求3所述的超大口径平面反射阵列天线，其特征在于，所述次镜的方位转轴在次镜上。
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