CN112350077A - 一种超大口径平面反射阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超大口径平面反射阵列天线，能够实现波束扫描灵活、易加工，同时成本低。本发明以平面反射阵面代替抛物曲面反射面，具有波束扫描灵活、易加工，成本低等优点。本发明将多个主动式子反射面相组合，利用子反射面的机械运动实现机械控相，即利用各子反射面的机械运动控制反射波束的指向，通过各子反射面的俯仰旋转、方位旋转、前后运动这三个自由度的机械运动实现主反射面反射波束的指向控制，再将各反射波束同相合成，实现了大角度扫描。由于采用机械控相，在控制反射波束的指向时，不再需要微带平面反射面天线的电子控相组件，也不会出现栅瓣效应，阵元间距不再受到限制，构造超大口径的反射阵面的成本降低。

Description

一种超大口径平面反射阵列天线

技术领域

本发明属于雷达天文技术领域，尤其涉及一种超大口径平面反射阵列天线。

背景技术

雷达天文是利用雷达主动向宇宙中的天体发射电磁波，接收天体反射的回波，并通过对回波信号的分析处理，研究天体的物理性质和几何结构的一门学科。

随着对宇宙探索的不断深入，对天线系统的增益要求越来越高。为了提高天线的增益，需要增大天线的有效接收面积，而大口径反射面天线是增大天线有效接收面积的有效途径之一。为了应对天文观测和深空探测应用需求，美国、德国、英国、俄罗斯、中国等国相继建设了超大口径反射面天线，推动了超大口径反射面天线技术的发展。

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、频带宽，但它体积庞大笨重，不便于安装和运输，并且天线功能单一，波束设计不灵活。另外，抛物面天线的曲面结构也对加工精度提出了很高的要求。

基于微带阵元的平面反射阵列可以解决上述问题，如图1所示。但是传统的基于微带阵元的平面反射阵列是通过电子控相技术直接控制反射波束指向的相关参数。在控制波束指向的相关参数时，如果阵元间距大于半波长，则会出现栅瓣效应。为了避免栅瓣效应，阵元间距必须要小于半波长，因此对于超大口径的反射面，需要大量的微带阵元和相应的电子控相组件，构造成本高，难度大。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种超大口径平面反射阵列天线，能够实现波束扫描灵活、易加工，同时成本低。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

本发明的一种超大口径平面反射阵列天线，包括上位机、馈源、控制模块以及两个以上子反射面；

其中，馈源放置在超大口径平面反射阵列天线的前方，馈源的3dB波束恰好覆盖阵列面积；

每个子反射面都是相同的主动式平面反射面，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；

上位机用于在馈源开始向阵列天线发射波束以及完成一个扫描角度后，向控制模块给定反射波束俯仰角和反射波束方位角，直到扫描波束覆盖整个空域；

控制模块用于根据上位机给定的给定反射波束俯仰角和反射波束方位角，计算子反射面的俯仰、方位和前后的机械运动量并发送给俯仰转轴、方位转轴和前后运动台；

俯仰转轴、方位转轴和前后运动台接收控制模块发送的机械运动量对子反射面的俯仰旋转、方位旋转以及前后运动进行控制，完成一个扫描角度；

其中，所述俯仰、方位和前后的机械运动量计算方式具体如下：

子反射面俯仰转角θ_m：

子反射面方位转角φ_m：

子反射面前后步进量z_m：

其中：

θ为反射波束俯仰角，φ为反射波束方位角，R为馈源距离反射面的距离，λ_c为载波波长。

其中，所述子反射面的方位转轴在基座上。

其中，所述子反射面的方位转轴在反射面上。

有益效果：

本发明的平面反射阵列天线，以平面反射阵面代替抛物曲面反射面，具有波束扫描灵活、易加工，成本低等优点。本发明将多个主动式子反射面相组合，利用子反射面的机械运动实现机械控相，即利用各子反射面的机械运动控制反射波束的指向，通过各子反射面的俯仰旋转、方位旋转、前后运动这三个自由度的机械运动实现主反射面反射波束的指向控制，再将各反射波束同相合成，实现了大角度扫描。由于采用机械控相，在控制反射波束的指向时，不再需要微带平面反射面天线的电子控相组件，也不会出现栅瓣效应，阵元间距不再受到限制，构造超大口径的反射阵面的成本降低。

附图说明

图1为传统的基于微带阵元的平面反射阵列示意图。

图2为本发明超大口径反射面天线模拟图。

图3为本发明超大口径反射面天线工作原理图。

图4为本发明第一型子反射面设计，方位转轴在基座上。

图5为本发明第二型子反射面设计，方位转轴在反射面上。

图6为本发明实验验证俯仰角2°、方位角0°和20°时的方向图。

图7a为本发明实验验证俯仰角2°、方位角0°频率为1.3495GHz时的方向图。

图7b为本发明实验验证俯仰角2°、方位角0°频率为1.35GHz时的方向图。

图7c为本发明实验验证俯仰角2°、方位角0°频率为1.3505GHz时的方向图。

图8a为本发明实验验证俯仰角2°、方位角-20°频率为1.3495GHz时的方向图。

图8b为本发明实验验证俯仰角2°、方位角-20°频率为1.35GHz时的方向图。

图8c为本发明实验验证俯仰角2°、方位角-20°频率为1.3505GHz时的方向图。

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。

本发明是一项基于大型机械控相反射阵的超大口径平面反射阵列天线。大型机械控相反射阵是一种由若干主动式平面子反射面构成的大型反射面，通过各子反射面的俯仰旋转、方位旋转、前后运动这三个自由度的机械运动实现主反射面反射波束的大角度扫描。其中，俯仰旋转、方位旋转实现反射波束指向控制，前后运动实现反射相差控制，使反射波束同相位空间合成。通过各个子反射面的反射波束空间同相合成，本发明可以实现俯仰角为0°～20°，方位角为 -20°～20°之间的大角度扫描。

本发明超大口径反射面天线模拟图如图2所示，包括上位机、馈源、控制模块以及多个子反射面；每个子反射面都是相同的主动式平面反射面，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；

上位机用于在馈源开始向阵列天线发射波束以及完成一个扫描角度后，向控制模块给定反射波束俯仰角和反射波束方位角，直到扫描波束覆盖整个空域；

控制模块用于根据上位机给定的给定反射波束俯仰角和反射波束方位角，计算子反射面的俯仰、方位和前后的机械运动量并发送给俯仰转轴、方位转轴和前后运动台；

俯仰转轴、方位转轴和前后运动台接收控制模块发送的机械运动量对子反射面的俯仰旋转、方位旋转以及前后运动进行控制，完成一个扫描角度；

通过子反射面俯仰旋转、方位旋转以及前后运动三个自由度的协同机械运动实现天线扫描。其中，方位向和俯仰向的子反射面组合形成二维反射阵列天线；馈源放置在超大口径平面反射阵列天线的前方，馈源的3dB波束恰好覆盖阵列面积。本发明超大口径反射面天线工作模式如图3所示。

其中，子反射面可进行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，分别是如图4所示的方位转轴在基座上的第一型子反射面和如图5所示的方位转轴在反射面上的第二型子反射面。

本发明的超大口径平面反射阵列天线工作时，先由馈源向阵列天线发射波束，根据给定的反射角度，计算子反射面的三自由度俯仰、方位和前后的机械运动量。以给定的俯仰角θ和方位角

为例，三自由度俯仰、方位和前后的机械运动量计算方式具体如下：

子反射面俯仰转角θ_m：

子反射面方位转角φ_m：

子反射面前后步进量z_m：

其中：

θ为反射波束俯仰角，φ为反射波束方位角，R为馈源距离反射面的距离，λ_c为载波波长。

通过计算获得的子反射面的三自由度俯仰、方位机械运动量对子反射面俯仰和方位向进行控制，保证了各个子反射面的反射波束指向同一方向，即副反射面的方向。同时通过各个子反射面在0～1个波长区间以内的前后运动，可实现0～2π反射相位变化，通过控制反射波束的相位，使各个反射波束处于同一相位，方便后续同相位空间合成。

三自由度俯仰、方位机械运动量对子反射面俯仰和方位向的控制完成后，控制模块控制天线接收目标回波，即完成一个扫描角度上的天线功能。接下来依次根据后续预设的俯仰角和方位角，分别计算子反射面的三自由度俯仰、方位和前后的机械运动量和控制，直到扫描波束覆盖整个空域。

实验验证：

本实验所用的超大口径反射面天线工作模式如图3所示，每个子反射面宽为2米，长为3米。方位向10个相同的子反射面组成机械控相反射阵，扩大了反射面积。馈源放置在反射面前方100米处，馈源向反射面发射波束，反射面根据设定的反射角度计算三个自由度的步进量，控制反射面姿态。利用反射波束照射目标，接收回波。对预设的下一个反射角度重复上述过程，最终实现俯仰角0°～20°、方位角-20°～+20°内的大角度扫描。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)子反射面大小：2米×3米

3)子反射面个数：10个

4)子反射面排布方式：1×10排布(对应20米宽×3米高的主反射面积)

5)反射面与馈源距离：100米

6)波束宽度：a)俯仰：1.5°；b)方位：0.5°。

7)扫描角度范围：a)俯仰角：0°～20°；b)方位角：-20°～+20°。

利用计算机仿真，验证三自由度机械控相反射阵可以实现俯仰和方位的大角度扫描。仿真了方位角0°和-20°时的场景。仿真后得到各个子反射面的波束方向图以及空间同相合成之后的波束方向图。由图6和表2可以看出，仿真实现了超大口径反射阵天线反射方向指向设定的角度，即俯仰角为2°、方位角为0°和-20°。通过改变3个自由度的机械运动量，可以改变天线指向角度，进而实现大角度的天线扫描。

表2方位角为0°和-20°时的增益

接下来，通过仿真研究了工作带宽对波束合成损失的影响。已知作为一个宽带信号，当瞬时频率偏离载波中心频率时，各个子反射面的反射相位不再能保持严格相位，而是有一定相位误差。当相位误差超π/8时，各子反射面合成效率显著降低。为了保证子反射面的优良合成效率，需明确此发明中反射面天线带宽的限制因素。

记

是瞬时频率f对应的波数，

是瞬时波长，c是光速，f_c是载波频率，且

当电磁波瞬时频率为f时，有相位误差ΔΦ_m(f)满足：

可以得到

将其(7)代入式(6)得到

记Δf＝f-f_c，由

的要求得到：

其中，max|n_m|随着扫描角度和阵列孔径增长，因为越大的扫描角度和阵列孔径，越需要更大的n_m来补偿阵列边缘和阵列中心的波程差。

对max|n_m|进行估算，

其中，D是阵列孔径，ψ是阵列孔径相对于焦点的半张角，φ_max是最大扫描角。将式10代入(9)得到：

由式11可知，机械控相反射阵的带宽允许范围只与孔径、半张角和最大扫描角度有关，与工作频率无关。将本实验中的机械控相反射阵工作参数代入，可得：

|Δf|≤1.08MHz (12)

由此可见，将工作带宽设定在1MHz满足上述要求，不会影响子反射面的波束合成效率。

在仿真中分别将工作频率设定在1.3495GHz、1.35GHz和1.305GHz，即工作带宽为1MHz，观察在不同工作频率和方位角下的增益变化。

如图7、图8和表3所示，当工作带宽限制在1MHz时，不同工作频率和扫描角度下的增益变化没有超过0.01dB，所以近似可以忽略。

表3不同频率和扫描角度下的峰值增益(dB)

目前通过仿真分析测算了主反射面子阵面合成损失和扫描损失，在扫描角不超过±20°范围内两项合计不超过1.1dB(效率78％)。

综上所述，仿真实验证明了在设定的工作参数下，反射面阵列天线可以实现俯仰角为0°～20°，方位角为-20°～20°之间的大角度扫描。

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 (3)

1.一种超大口径平面反射阵列天线，其特征在于，包括上位机、馈源、控制模块以及两个以上子反射面；

其中，馈源放置在超大口径平面反射阵列天线的前方，馈源的3dB波束恰好覆盖阵列面积；

每个子反射面都是相同的主动式平面反射面，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；

上位机用于在馈源开始向阵列天线发射波束以及完成一个扫描角度后，向控制模块给定反射波束俯仰角和反射波束方位角，直到扫描波束覆盖整个空域；

控制模块用于根据上位机给定的给定反射波束俯仰角和反射波束方位角，计算子反射面的俯仰、方位和前后的机械运动量并发送给俯仰转轴、方位转轴和前后运动台；

俯仰转轴、方位转轴和前后运动台接收控制模块发送的机械运动量对子反射面的俯仰旋转、方位旋转以及前后运动进行控制，完成一个扫描角度；

其中，所述俯仰、方位和前后的机械运动量计算方式具体如下：

子反射面俯仰转角θ_m：

子反射面方位转角φ_m：

子反射面前后步进量z_m：

其中：

θ为反射波束俯仰角，φ为反射波束方位角，R为馈源距离反射面的距离，λ_c为载波波长。

2.如权利要求1所述的超大口径平面反射阵列天线，其特征在于，所述子反射面的方位转轴在基座上。

3.如权利要求1所述的超大口径平面反射阵列天线，其特征在于，所述子反射面的方位转轴在反射面上。

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