CN117954867A - 一种基于相控阵馈源反射面高轨sar波束扫描天线 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于相控阵馈源反射面高轨SAR波束扫描天线，包括天线反射器、天线馈源阵；天线反射器为单焦点抛物反射面，天线馈源阵采用二维相控阵馈源阵；天线馈源阵坐标系的原点沿轴方向具有前推距离，天线馈源阵坐标系的原点沿轴方向具有横向偏焦。本申请可使高轨SAR波束的方位向波束扫描范围和俯仰向波束扫描范围均达到±3°，从而将高轨SAR重访观测能力提升到1~3小时，并且可以实现雷达波束宽度和波束指向的灵活设计以及在轨重构。本申请结合了有源相控阵和反射面天线的优势，避免了正馈单反射面天线体制下对天线反射器的遮挡和绕射，可应用于未来的高轨SAR卫星和低轨高分超宽幅成像卫星，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本申请涉及星载双频合成孔径雷达（SAR）设计技术领域，具体地，涉及一种基于相控阵馈源反射面高轨SAR波束扫描天线。
背景技术
SAR系统实现了两维高分辨率对地观测，星载SAR系统成像观测范围大，不受国界限制。高轨SAR卫星运行在轨道高度为36000km的地球同步轨道或轨道倾角为0°的地球静止轨道上，成像范围达到几百公里，重归周期为1天，可有效满足各行业对高重访、快响应和大幅宽成像的基本需求。
现有技术中采用环形反射面的典型星载SAR系统，大多采用环形反射面天线体制，为低轨SAR卫星且采用1维馈源阵列，波束扫描能力有限。高轨20米SAR采用脉冲固态放大器+馈源的供电方式，实现俯仰向（或SAR距离向）7个波位的波束电扫描切换能力，扫描能力可以达到±2°，但波束宽度和波束指向固定，无法满足对波束宽度和指向要求灵活设计的成像模式的要求。
发明内容
为了克服现有技术中的至少一个不足，本申请提供一种基于相控阵馈源反射面高轨SAR波束扫描天线。
第一方面，提供一种基于相控阵馈源反射面高轨SAR波束扫描天线，包括天线反射器、天线馈源阵；天线反射器为单焦点抛物反射面，天线馈源阵采用二维相控阵馈源阵；天线馈源阵坐标系的原点沿轴方向具有前推距离，天线馈源阵坐标系的原点沿/>轴方向具有横向偏焦；/>轴方向为在天线反射器焦点处，垂直于天线馈源阵指向天线反射器中心的坐标轴方向；/>轴方向与/>轴方向和/>轴方向构成右手直角坐标系，轴方向与天线坐标系的/>轴方向平行且方向相反，/>轴方向与/>轴方向相反。
在一个实施例中，天线馈源阵包括1级移相器和2级时延补偿网络。
在一个实施例中，天线馈源阵包括N个馈源，每个馈源连接1个移相器；N个馈源划分为M个子模块，每个子模块接入一个高位延时器；每个子模块划分为Q个次级模块，每个次级模块接入一个低位延时器。
在一个实施例中，前推距离为2.5m~4.5m。
在一个实施例中，横向偏焦为0.3m~0.8m。
在一个实施例中，天线的方位向波束扫描范围为-3°~3°；
俯仰向波束扫描范围为-3°~3°。
相对于现有技术而言，本申请具有以下有益效果：
（1）本申请的天线反射器为单焦点抛物反射面，天线馈源阵采用二维相控阵馈源阵，避免了正馈单反射面天线体制下对天线反射器的遮挡和绕射。
（2）本申请的天线，将馈源阵前推使得每个馈源的子波束均在俯仰向展宽，展宽后的每个子波束都可以覆盖天线波束扫描区域，因此天线馈源阵全部参与相位加权合成，形成有限相扫波束的条件，这样可以使尽可能多的馈源参与形成波束，从而减小每个辐射单元上的功率容量。
（3）由于天线采用偏馈单反射面结构，当馈源阵坐标系原点仅前推时，波束在进行有限相扫到两边的扫描损失不等化；为解决扫描等化的问题，馈源阵坐标原点同时需要横向偏焦，实现了双边扫描损失的等化。
附图说明
本申请可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分。在附图中：
图1示出了天线坐标系和参数定义示意图。
图2示出了L频段高轨SAR系统的法向发射波束的天线切面方向图，其中，（a）为法向发射波束切面方向图，（b）为法向发射波束交叉极化隔离度示意图。
图3示出了L频段高轨SAR系统的法向接收波束的天线切面方向图，其中，（a）为法向接收波束切面方向图，（b）为法向接收波束交叉极化隔离度示意图。
图4示出了L频段高轨SAR天线扫描角度为3°且方位角为0°时的天线发射和接收切面方向图，其中，（a）为发射切面方向图，（b）为接收切面方向图。
图5示出了L频段高轨SAR天线扫描角度为3°且方位角为45°时的天线发射和接收切面方向图，其中，（a）为发射切面方向图，（b）为接收切面方向图。
图6示出了L频段高轨SAR天线扫描角度为3°且方位角为90°时的天线发射和接收切面方向图，其中，（a）为发射切面方向图，（b）为接收切面方向图。
图7示出了L频段高轨SAR天线扫描角度为3°且方位角为135°时的天线发射和接收切面方向图，其中，（a）为发射切面方向图，（b）为接收切面方向图。
图8示出了L频段高轨SAR天线扫描角度为3°且方位角为180°时的天线发射和接收切面方向图，其中，（a）为发射切面方向图，（b）为接收切面方向图。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本申请的示例性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施例的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中可以做出很多特定于实施例的决定，以便实现开发人员的具体目标，并且这些决定可能会随着实施例的不同而有所改变。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本申请，在附图中仅仅示出了与根据本申请的方案密切相关的装置结构，而省略了与本申请关系不大的其他细节。
应理解的是，本申请并不会由于如下参照附图的描述而只限于所描述的实施形式。在本文中，在可行的情况下，实施例可以相互组合、不同实施例之间的特征替换或借用、在一个实施例中省略一个或多个特征。
本申请实施例提供一种基于相控阵馈源反射面高轨SAR波束扫描天线，包括天线反射器、天线馈源阵；天线反射器为单焦点抛物反射面，天线馈源阵采用二维相控阵馈源阵；天线馈源阵坐标系的原点沿轴方向具有前推距离/>，天线馈源阵坐标系的原点沿/>轴方向具有横向偏焦/>。
这里，图1示出了天线坐标系和参数定义示意图。根据图1，天线坐标系的三个坐标轴分别为、/>、/>，馈源阵坐标系三个坐标轴分别为/>、/>、/>。/>轴方向为在天线反射器焦点处，垂直于天线馈源阵指向天线反射器中心的坐标轴方向；/>轴方向与/>轴方向和/>轴方向构成右手直角坐标系，/>轴方向与天线坐标系的/>轴方向平行且方向相反，/>轴方向与/>轴方向相反，天线坐标系的/>轴方向可以为指向南向。天线坐标系的/>轴方向、/>轴方向、/>轴方向构成右手直角坐标系。
该实施例中，天线反射器为单焦点抛物反射面，天线馈源阵采用二维相控阵馈源阵，形成的天线具有偏馈单反射面结构，避免了正馈单反射面天线体制下对天线反射器的遮挡和绕射。具体来说，在单反射面天线体制中，天线馈源阵位于反射器正上方，再加上天线馈源阵支撑杆，对天线反射器的遮挡和绕射严重，造成副瓣抬升。偏馈单反射面天线体制可以避免馈源遮挡和绕射效应，虽然天线反射器物理尺寸变大，导致展开惯量变大，但是可以满足平台要求。
天线馈源阵坐标系的原点沿轴方向具有前推距离，使得每个馈源的子波束均在俯仰向展宽，展宽后的每个子波束都可以覆盖天线波束扫描区域，因此天线馈源阵全部参与相位加权合成，形成有限相扫波束的条件，这样可以使尽可能多的馈源参与形成波束，从而减小每个辐射单元上的功率容量。
同时，由于天线采用偏馈单反射面结构，当馈源阵坐标系原点仅前推时，波束在进行有限相扫到两边的扫描损失不等化，为解决扫描等化的问题，馈源阵坐标原点同时需要横向偏焦，实现了双边扫描损失的等化。
在一个实施例中，天线馈源阵包括1级移相器和2级时延补偿网络。
具体地，天线包括1级移相器和2级时延补偿网络的具体实现方式可以为，天线馈源阵包括N个馈源，每个馈源连接1个移相器；N个馈源划分为M个子模块，每个子模块接入一个高位延时器；每个子模块划分为Q个次级模块，每个次级模块接入一个低位延时器，最终实现2级延迟补偿。
这里，每个次级模块可以包括K个馈源，则N=K×Q×M。
具体地，前推距离为2.5m~4.5m。前推距离设置在该范围内，进一步保证每个馈源的子波束均在俯仰向展宽，展宽后的每个子波束都可以覆盖天线波束扫描区域。优选地，前推距离为3.6m。
具体地，横向偏焦为0.3m~0.8m。横向偏焦设置在该范围内，进一步保证实现双边扫描损失的等化。优选地，横向偏焦为0.5m。
进一步地，本申请的天线能够实现方位向波束扫描范围-3°~3°，俯仰向波束扫描范围-3°~3°，具备雷达波束在方位和俯仰±3°范围内两维灵活扫描能力，满足对波束宽度和指向要求灵活设计的成像模式的要求。
在一个实施例中，本申请的基于相控阵馈源反射面高轨SAR波束扫描天线，天线馈源阵偏置6.5m；天线电气口径36m，天线机械口径为42m，焦距为21m。
在其他实施例中，整个天线馈源阵划分为4个子模块，每个子模块接入一个位数4的高位延时器；每个子模块又划分为16个次级模块，每个次级模块接入1个位数为4的低位延时器；每个次级模块由6个馈源组成，从而实现2级延迟补偿。
以下对本申请的基于相控阵馈源反射面高轨SAR波束扫描天线的性能进行实验分析。
图2示出了L频段高轨SAR系统的法向发射波束的天线切面方向图，其中，（a）为法向发射波束切面方向图，（b）为法向发射波束交叉极化隔离度示意图，其中，（a）中的纵坐标表示增益，（b）中的纵坐标/>表示交叉极化隔离度，图2的（a）中，横坐标为-4时，由上至下对应的曲线分别表示距离向主极化、方位向主极化、距离向交叉极化和方位向交叉极化。图2的（b）中，横坐标为-0.2时，由上至下对应的曲线分别表示方位向交叉极化隔离度和距离向交叉极化隔离度。
图3示出了L频段高轨SAR系统的法向接收波束的天线切面方向图，其中，（a）为法向接收波束切面方向图，（b）为法向接收波束交叉极化隔离度示意图。图3的（a）中，横坐标为-2时，由上至下对应的曲线分别表示方位向主极化、距离向主极化、距离向交叉极化和方位向交叉极化。图3的（b）中，横坐标为-0.2时，由上至下对应的曲线分别表示方位向交叉极化隔离度和距离向交叉极化隔离度。
图4示出了L频段高轨SAR天线扫描角度为3°且方位角为0°时的天线发射和接收切面方向图，其中，（a）为发射切面方向图，（b）为接收切面方向图。图4的（a）中，横坐标为-2时，由上至下对应的曲线分别表示方位向主极化、距离向主极化、距离向交叉极化和方位向交叉极化。图4的（b）中，横坐标为-2时，由上至下对应的曲线分别表示方位向主极化、距离向主极化、距离向交叉极化和方位向交叉极化。
图5示出了L频段高轨SAR天线扫描角度为3°且方位角为45°时的天线发射和接收切面方向图，其中，（a）为发射切面方向图，（b）为接收切面方向图。图5的（a）中，横坐标为-4时，由上至下对应的曲线分别表示方位向主极化、距离向主极化、距离向交叉极化和方位向交叉极化。图5的（b）中，横坐标为-2时，由上至下对应的曲线分别表示方位向主极化、距离向主极化、距离向交叉极化和方位向交叉极化。
图6示出了L频段高轨SAR天线扫描角度为3°且方位角为90°时的天线发射和接收切面方向图，其中，（a）为发射切面方向图，（b）为接收切面方向图。图6的（a）中，横坐标为-6时，由上至下对应的曲线分别表示距离向主极化、方位向主极化、距离向交叉极化和方位向交叉极化。图6的（b）中，横坐标为-6时，由上至下对应的曲线分别表示方位向主极化、距离向主极化、距离向交叉极化和方位向交叉极化。
图7示出了L频段高轨SAR天线扫描角度为3°且方位角为135°时的天线发射和接收切面方向图，其中，（a）为发射切面方向图，（b）为接收切面方向图。图7的（a）中，横坐标为-6时，由上至下对应的曲线分别表示距离向主极化、方位向主极化、距离向交叉极化和方位向交叉极化。图7的（b）中，横坐标为-2时，由上至下对应的曲线分别表示距离向主极化、方位向主极化、距离向交叉极化和方位向交叉极化。
图8示出了L频段高轨SAR天线扫描角度为3°且方位角为180°时的天线发射和接收切面方向图，其中，（a）为发射切面方向图，（b）为接收切面方向图。图8的（a）中，横坐标为-6时，由上至下对应的曲线分别表示方位向主极化、距离向主极化、距离向交叉极化和方位向交叉极化。图8的（b）中，横坐标为-2时，由上至下对应的曲线分别表示距离向主极化、方位向主极化、距离向交叉极化和方位向交叉极化。
根据实验结果表明，采用本申请的扫描天线，经过天线方向图优化后，高轨SAR天线波束扫描角度3º时，不同方位角下天线双程天线方向图旁瓣水平低于-28dB，与天线法向波束相比，扫描角度为3º时波束增益降低小于1.5dB，满足高轨SAR快速重访观测的需求。
综上，采用本申请的基于相控阵馈源反射面高轨SAR波束扫描天线，可使高轨SAR方位和俯仰向波束扫描范围达到±3º，从而将高轨SAR重访观测能力提升到1~3小时，并且可以实现雷达波束宽度和波束指向灵活设计和在轨重构。本申请结合了有源相控阵和反射面天线的优势，避免了正馈单反射面天线体制下对天线反射器的遮挡和绕射，通过馈源阵前推增加参与波束形成的馈源数，降低每个辐射单元的功率容量，通过横向偏焦解决双边扫描损失不等化的问题。该波束扫描天线可应用于未来的高轨SAR卫星和低轨高分超宽幅成像卫星，具有广泛的市场应用前景。
以上所述，仅为本申请的各种实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种基于相控阵馈源反射面高轨SAR波束扫描天线，其特征在于，包括天线反射器、天线馈源阵；所述天线反射器为单焦点抛物反射面，所述天线馈源阵采用二维相控阵馈源阵；所述天线馈源阵坐标系的原点沿轴方向具有前推距离，所述天线馈源阵坐标系的原点沿/>轴方向具有横向偏焦；所述/>轴方向为在所述天线反射器焦点处，垂直于所述天线馈源阵指向天线反射器中心的坐标轴方向；/>轴方向与/>轴方向和/>轴方向构成右手直角坐标系，所述/>轴方向与天线坐标系的/>轴方向平行且方向相反，所述/>轴方向与所述/>轴方向相反。
2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线馈源阵包括1级移相器和2级时延补偿网络。
3.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线馈源阵包括N个馈源，每个所述馈源连接1个移相器；所述N个馈源划分为M个子模块，每个所述子模块接入一个高位延时器；每个所述子模块划分为Q个次级模块，每个所述次级模块接入一个低位延时器。
4.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述前推距离为2.5m~4.5m。
5.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述横向偏焦为0.3m~0.8m。
6.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线的方位向波束扫描范围为-3°~3°，俯仰向波束扫描范围为-3°~3°。
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