CN1248077A - 具有相位校正副面的多波束抛物环面天线制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有相位校正副面的多波束抛物环面天线制造方法。它包括:抛物环面天线生成角α的确定,对D/λ>200的抛物环面天线,为克服严重散焦现象,所提出的附加相位校正副面的方法及副面赋形的五个约束条件;等光程、低交叉极化、副面最小尺寸大于5个波长,扩大每个波束对主面的横向复用面积,跟踪时相邻副面不碰撞。本发明方法制造的天线波束多、效率高、旁瓣低、交叉极化低。

Description

具有相位校正副面的多波束抛物环面天线制造方法

本发明涉及通信领域中的一种具有相位校正副面的多波束抛物环面天线制造方法，本方法制造的天线特别适用于卫星通信、卫星侦收、微波通信、一点对多点通信和卫星电视接收等领域的多波束应用。

随着卫星通信的迅速发展，同步轨道上的卫星越来越多，相邻卫星间隔正由3°向2°发展。利用一个地球站产生多个波束，同时利用多个卫星进行通信的要求越来越迫切。可产生多波束的天线类型有：(1)相控阵天线，它利用波束形成网络产生多波束，由于波束形成网络的插入损耗大，成本高，维修费用大，不适于卫星通信领域应用，多用于雷达领域；(2)球面天线，它利用在球面半径R的一半附近放置馈源可产生平行于R方向波束的原理形成多波束，但散焦特性严重、增益低和旁瓣特性差，也不适于卫星通信；(3)多反射面天线，它虽然可形成多波束，但波束个数少，体积庞大，成本高，加工困难，也不是多波束天线的最佳方案；(4)前馈式偏焦多馈源抛物面天线，它利用几个横偏焦放置的馈源产生多波束，但它由于偏焦，散焦特性严重，各个波束增益不相等、旁瓣性差，也不适于卫星通信应用；(5)双赋形偏置卡塞仑天线，它同样也是利用横偏焦点的馈源系统形成多波束，同样由于天线效率低、特别是宽角波束与轴向波束增益差别很大，也不适于卫星通信。

本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种各个波束增益和旁瓣结构相同、波束个数多、天线效率高、旁瓣性能好的具有相位校正副面的多波束抛物环面天线制造方法，本发明还具有成本低、每个波束对主面复用率可达70％、结构简单和便于安装调整等特点，适合于卫星通信、微波通信等领域。

本发明的目的是这样实现的：本发明包括步骤：一母线抛物线M绕与其焦轴z成 角的轴z′旋转构成抛物环面天线的主面1，抛物线M绕轴z′旋转时，其焦点F也绕轴z′旋转，形成锥弧

，在锥弧

上的N个点放置N(2≤N≤30)个馈源照射主面1，对应每个馈源，都形成一个独立可控的波束，N个馈源形成N个波束，当

时，馈源是前馈喇叭，当 时，馈源是由波纹喇叭和相位校正副面构成的馈源系统，N个波束方向都位于与z′轴成

角的锥面上，每个波束对目标的跟踪是通过移动形成该波束的馈源，主面(1)保持不动，本发明还包括以下步骤。

a.由抛物环面天线的主面1站址的经、纬度和N个波束通信目标的地理位置或方向确定抛物环面天线的主面1抛物环面生成角α。

b.根据相位校正副面2赋形的等光程、低交叉极化、相位校正副面2最小尺寸大于5个波长、扩大每个波束对主面1横向复用面积、相邻相位校正副面2不相碰撞5个条件，并利用相位校正副面赋形公式计算和确定相位校正副面2的形状。

c.本发明抛物环面生成角α的计算方法采用三卫星法或最小二乘法。

本发明与背景技术相比有如下优点：

1.本发明提出了附加相位校正方法，克服了严重的散焦现象，有效地改善了天线性能，天线增益高，形成波束灵活，各个波束可独立地对卫星进行跟踪，各个波束的增益和旁瓣相同，波束个数多，旁瓣及交叉极化性能好。

2.附加相位校正副面，克服了严重的散焦现象，使抛物环面天线的应用克服了

的限制，大大扩大了应用范围，开辟了更广阔的应用前景。

3.按本发明方法制造的天线，结构简单，体积小，易于加工，成本低廉，便于安装、调整和维护，每个波束对天线面的复用率可达70％，可用于多种通信领域。

以下结合附图对本发明作进一步详细描述。

图1是本发明的实施例原理图。

图2是本发明附加相位校正副面赋形的原理图。

图3是本发明低交叉极化条件的原理图。

参照图1、图2、图3，本发明图1中：M是一抛物线，z轴是其焦轴，F是其焦点，x、y、z三轴构成正交坐标轴系，o是其原点，xoy平面是等光程条件的参考平面，V是抛物线M的顶点， 是焦点F绕z′轴旋转形成的锥弧，f是抛物线M的焦距，H为抛物线下缘的净距，D为抛物环面天线的竖直口径，x′、y′、z′三轴也是以o点为原点的正交坐标轴系，其中y′轴与y轴重合，z′轴与x轴夹为α，z′轴是抛物环面天线的生成轴，x′轴与z轴夹角为π-α，α是抛物环面天线主面1的生成角，R为抛物线M的顶点V到z′轴的垂距。

抛物线M绕与其焦轴z成

的轴z′旋转，便形成抛物环面天线主面1，因此抛物线M也称为母线，抛物线M绕z′轴旋转时，其焦点F也绕z′轴旋转，形成锥弧

，在锥弧

上分别放置N(2≤N≤30)个馈源，用以照射抛物环面天线主面1，便形成N个波束，一个馈源对应一个波束，N个馈源对应N个波束，N≤30，本发明最多可形成30个束，之所以说在 上的N个合适的位置，系指两相邻馈源不能相碰，并且之间要留有跟踪时的移动间隔。锥弧

上的任何点都是等价位的，即任何点放置相同的馈源所形成的波束增益和旁瓣都是相同的。放在焦点F的馈源所形成的波束方向沿z轴方向，它与z′轴成 角，当F旋转时，该波束方向将绕z′轴在与z′轴成

的锥面上旋转，也就是说各个波束方向均位于与z′轴成 角的锥面上，如果所使用的卫星群也落于该锥面上，就可实现利用一个抛物环面天线形成多个波束同时对多个卫星进行通信。

本发明抛物环面天线主面1的抛物环面生成角α，不但直接确定了抛物环面天线主面1的形状，而且也表征了所使用的卫星群落于与z′轴成

角的锥面上的精度，是一个重要参数，根据抛物环面天线的主面1站址经纬度和所使用卫星群占据的同步轨道的弧度范围计算，本发明采用两种方法求解α。

第一种方法是三卫星法：利用所使用的卫星群二边端卫星及中间卫星三颗卫星星下点的经度及地球站的经、纬度，求出三个简单的代数方程，解出α，三卫星法求解方程如下：

cosE_isinγsin(A_i-θ_z)+sinE_icosγ＝-sinα(i＝1，2，3) (1)式中

式(2)中：R_S—同步轨道的半径

     R_E—地球半径

     σ_E—地球站站址点的纬度

     _E—地球站站址点的经度

              ψ_Ei＝cos^-1[cosσ_Ecos(_i-_E)]    (3)式(3)中：_i-第i颗卫星星下点的经度

式(1)中，E_i和A_i为已知数，可由地球站站址经纬度_E、σ_E和卫星星下点的经度_i求出，γ、θ_z、α为未知数，将三颗卫星的参数代入式(1)，可建立以γ、θ_z、α为变量的三个方程，联立求解可解出α、γ、θ_z的值。

第二种方法是最小二乘法：利用复杂的四次坐标变换，再利用最小二乘法导出三个积分方程，从中解出α，最小二乘法求解α的过程如下：

   -Ksinθ_υsin(_S-Ф_W)-sinθ_Esintcosυcos(_E-Ф_W)

   +sinθ_Esinυsin(_E-Φ_W)-cosθ_Ecostcosυ]         (4)式(4)中： ${\mathrm{\θ}}_E=\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\σ}}_E$

    ₁-卫星群中的第一颗星的星下点经度

    _N-卫星群中的最后一个星的星下点经度

利用最小二乘法求出在₁～_N的同步轨道弧上与G之差平方值为最小的G_S，即找出与上述轨道接近的圆锥面，也就是求出与上述可变α值偏差最小的常数α值——抛物环面天线面的生成角，为此定义下面积分：

当G_S＝G时，卫星正好落在天线扫描圆锥面上，为了使式(5)积分值I最小，由最小二乘法可得：

由式(6)所得出的三个积分方程的联立方程，解出G_S、t和ν，由G_S可得 $\mathrm{\α}={\cos }^{-1}{G}_S-\frac{\mathrm{\π}}{2}----\left(7\right)$

本发明附加相位校正副面2的赋形方法如图2所示。图2中F为抛物线M的焦点，z为M的焦轴，x、y、z为以o点为原点的直角坐标轴系，xoy平面表示等光程参考平面，P为xoy平面上的点，F_S(x₀，o，z₀)是馈源的相位中心，M(x，y，z)是主面1上的点，S(x_s，y_s，z_s)为副面2上的点，c是主面1上的点M(x，y，z)与副面2上的点S(x_s，y_s，z_s)之间的距离。

相位校正副面2的赋形方法：

A、等光程条件

等光程条件可概述为，由馈源相位中心F_S(x₀，o，z₀)发出的射线到达副面2上的点S(x_s，y_s，z_s)，经反射到达主面1上的点M(x，y，z)，再经主面1反射沿z方向到达xoy平面上的点P，所经历的光程长度为常数，等光程方程为：

                        r_s+c-z＝cK    (8)式(8)中，r_s为馈源相位中心F_S(x₀，o，z₀)与副面(2)上的点S(x_s，y_s，z_s)之间的距离，-z为主面1上的点M(x，y，z)到xoy平面上的点P的距离。 $r_S=\sqrt{{(x_S-x_0)}^2+y_S^2+{(z_S-z_0)}^2}----\left(9\right)$ $c=\sqrt{{(x-x_S)}^2+{(y-y_S)}^2+{(z-z_S)}^2}---\left(10\right)$ 式(8)中c_K为等光程常数， $c_K=\frac{2c_1}{e}+f+R/\cos \mathrm{\α}----\left(11\right)$ 式(11)中，2c₁＝F_SF，在xoz平面，副面2的曲线为椭圆线，e为其离心率。R是抛物线M的顶点V到z′轴的垂距，α是主面1的生成角。

B、低交叉极化条件

本发明关于低交叉极化实现方法如图3所示，图3中，F为抛物线M的焦点，D是抛物环面天线主面1的竖直口径，H为主面1下缘的净距，F_S是馈源的相位中心，D_S是副面在xoz平面内的直径，β₀是F_SF与Z轴夹角，Ф₀是馈源波束中心与F_SF的夹角，β是主面下缘的净距角，Ф^*是副面2边缘对F_S的半张角，θ^*是主面边缘对F的半张角，θ₀是副面2反射波束中心负z轴的夹角。

抛物环面天线，为避免馈源系统对主面1的遮挡，采用上偏置结构，因此在xoz平面内，抛物线段关于焦轴z是不对称的，这种不对称必然会引起交叉极化提升，在附加相位校正副面2时，采用下偏置结构，合理配置副面2的下偏置状态，使副面2产生的交叉极化与主面1产生的交叉极化相互抵消，实现对称转换，对称转换公式，即副面2下偏置合理配置公式为 $\mathrm{tg}{\mathrm{\Φ}}_0=\frac{(1-e^2)\sin {\mathrm{\β}}_0}{(1+e^2)\cos \mathrm{\β}-2e}---\left(11\right)$

由下述联立方程可解出β₀和e

C、副面2的最小尺寸大于5个波长的条件

几何绕射理论表明，副面2尺寸小于5个波长，副面2边缘的绕射变得严重，副面2尺寸大于5个波长，副面边缘的绕射虽然有影响，但不严重。

D、扩大每个波束对主面1的横向复用面积的条件

在附加相位校正副面2时，采用CAD方法，进行合理优化，使每个波束对主面1的横向复用面积扩大，从而使方位面的波束宽度窄，使波束增益提高，每个波束对天线面的复用率可达70％。

E、方位面跟踪时相邻相位校正副面不碰撞条件

多波束抛物环面天线，每个波束对目标进行跟踪时，是通过移动形成该波束的馈源系统来实现的，而主面1保持不动。对于不加相位校正副面的抛物环面天线，因为馈源系统只是一个喇叭，尺寸小，所以两相邻喇叭不会碰撞，但对于

的抛物环面天线，为克服严重的散焦现象，必须附加相位校正副面2，一般副面2的横向尺寸比喇叭大得多。尤其是同步轨道上的相邻卫星的间隔为2°时，相邻两副面的间隔更为苛刻，因此要精心进行优化设计使相邻两副面2跟踪时不相碰，这是结构上的要求。

本发明相位校正副面2赋形方程如下：式(13)中 $c=\frac{1}{2}\frac{{(x-x_0)}^2+y^2+{(z-z_0)}^2-{(c_k+z)}^2}{m_x(x-x_0)+m_{y}y+m_x(z-z_0)-(c_k+z)}---\left(14\right)$

式(15)中，n_x，n_y，n_z是主面1上的点(x，y，z)的单位法线矢量的x，y，z分量，m_x，m_y，m_z是由副面2上的点s(x_s，y_s，z_s)到主面1上的点M(x，y，z)射线矢量的单位矢量的x，y，z分量，由此计算结果可确定副面2的形状。

根据上面对相位校正副面赋形施加的五个约束条件，实施例设计和制作了6.2×10米²的附加相位校正副面的多波束抛物环面天线，在Ku波段有12个波束，副面2最小尺寸在f＝10.95GHz为6个波长，实测结果表明，附加相位校正副面2后比不加相位校正副面，波束效率提高了2.9dB，天线的波束效率垂直极化为76％，水平极化为80％，交叉极化隔离度在主波束1dB波束宽度内优于41dB，相邻波束隔离度优于39dB，并实现了同步轨道上的相邻卫星间隔为2°时，方位跟踪两相邻副面不相撞的目标，实测结果表明12个波束的方位面波束宽度为俯仰面波束宽度的0.85倍，即降低了方位面的波束宽度，从而提高了波束效率。

Claims (2)

1.一种具有相位校正副面的多波束抛物环面天线制造方法，包括步骤：一母线抛物线M绕与其焦轴z成

角的轴z′旋转构成抛物环面天线的主面(1)，抛物线M绕轴z′旋转时，其焦点F也绕轴z′旋转，形成锥弧

，在锥弧 上的N个点放置N(2≤N≤30)个馈源照射主面(1)，对应每个馈源，都形成一个独立可控的波束，N个馈源形成N个波束，当

时，馈源是前馈喇叭，当 时，馈源是由波纹喇叭和相位校正副面构成的馈源系统，N个波束方向都位于与z′轴成

角的锥面上，每个波束对目标的跟踪是通过移动形成该波束的馈源，主面(1)保持不动，其特征在于包括以下步骤：

a.由抛物环面天线的主面(1)站址的经、纬度和N个波束通信目标的地理位置或方向确定抛物环面天线的主面(1)抛物环面生成角α；

b.根据相位校正副面(2)赋形的等光程、低交叉极化、相位校正副面(2)最小尺寸大于5个波长、扩大每个波束对主面(1)横向复用面积、相邻相位校正副面(2)不相碰撞5个条件，并利用相位校正副面赋形公式计算和确定相位校正副面(2)的形状。

2.根据权利要求1所述的具有相位校正副面的多波束抛物环面天线制造方法，其特征在于抛物环面生成角α的计算方法采用三卫星法或最小二乘法。

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