CN1389955A - 椭圆波束变焦距环焦天线制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种椭圆波束变焦距环焦天线制造方法,它涉及通信领域中高效率、小型化椭圆波束天线的制造。它首先利用主面椭圆口径轮廓长短轴抛物线计算确定副面的长短轴椭圆线,再利用过渡函数计算确定出整个副面的变焦距形状,最后根据反射定律和等光程条件计算得到天线主面的变焦距形状,把普通的圆口径馈源放置于主面和副面之间,从而形成椭圆波束的辐射方向图,获得椭圆波束变焦距环焦天线。本发明制造的天线具有效率高,旁瓣低,体积小,重量轻,较好的极化跟踪和隔离性能等特点,适合用于移动卫星通信等领域。

Description

椭圆波束变焦距环焦天线制造方法

技术领域

本发明涉及通信领域中的一种椭圆波束变焦距环焦天线制造方法，本发明特别适用于移动卫星通信地球站如车载、机载卫星通信站用作高效率、小型化的椭圆波束天线的制造。

背景技术

在通信领域中可以形成椭圆波束天线的型式有如下几种，但它们在性能上均存在某些缺陷。

1、简单的切割抛物面天线和切割赋形环焦天线，虽然可以形成椭圆波束，但是其效率很低(低于55％)、旁瓣偏高。

2、利用椭圆口径的馈源馈电和使用椭圆口径主副面虽然也可获得较高效率的椭圆波束，但馈源的成本较高，且在线极化工作时，天线的极化隔离和跟踪性能较差，特别是无法实现良好的圆极化工作。

3、赋形双偏置天线也可形成椭圆波束，并且具有较高的天线效率，但双偏置结构由于馈源、副面和主面偏置摆放，造成纵向尺寸和横向尺寸增大，不能满足装车和装机的空间要求，故不能用作机载和车载卫通站天线。

发明内容

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变焦距环焦结构的椭圆波束变焦距环焦天线制造方法，且本发明还具有高效率、低旁瓣、较好的极化跟踪和隔离性能及体积小、重量轻等特点，适合用于移动卫星通信等领域。

本发明的目的是这样实现的，本发明包括步骤：

在直角坐标系yOz平面、＝90°平面上，由已知天线主面1椭圆口径长轴平面上抛物线3的抛物线参数口面直径D₂、焦径比τ₂、天线副面2椭圆口径长轴平面上椭圆线5的副面半径s₂和副面顶点到馈源相心的距离d₀，根据反射定律和等光程条件，计算确定相对应的天线副面2椭圆口径长轴平面上椭圆线5的椭圆线参数焦距2c₂、长轴2a₂、倾角β₂；

由已知的天线主面1长轴平面上抛物线3的抛物线参数和天线副面2长轴平面上椭圆线5的椭圆线参数以及已知的天线主面1短轴平面上抛物线4的口面直径D₁，根据反射定律和等光程条件计算确定xOz平面、＝0°平面上的天线主面1椭圆口径短轴平面上抛物线4的抛物线参数主面边缘对副面顶点的半张角Ψ₀₁和天线副面2椭圆口径短轴平面上椭圆线6的副面半径s₁；

根据天线副面2的长轴平面上椭圆线5、短轴平面上椭圆线6的副面半径的过渡函数s()＝f(，s₁，s₂)，计算确定整个天线副面2任意平面变焦距形状；

由天线馈源及天线副面2形状，根据反射定律和等光程条件，计算确定天线主面1任意平面变焦距形状。

本发明与背景技术相比具有如下优点：

1、本发明提出了变焦距环焦天线产生椭圆波束的方法，克服了现

有椭圆波束天线的缺点，改善了天线的性能，天线效率高达70％

以上，天线的旁瓣转低。

2、本发明具有较好的极化跟踪和隔离性能，能满足线圆极化通信

的要求。

3、本发明制造的变焦距环焦天线仍可使用普通的圆口径馈源，馈

源通用性强，且整个天线体积小、重量轻，适合移动卫星通信等场

合应用。

附图说明

图1是本发明变焦距主面1主视结构示意图。

图2是本发明变焦距主面1俯视结构示意图。

图3是本发明变焦距副面2主视结构示意图。

图4是本发明变焦距主面2俯视结构示意图。

图5是本发明主面1和副面2的坐标系示意图。

图6是本发明求解＝0°、＝90°平面上主面1和副面2曲面坐标的原理图。

图7是本发明求解任意φ平面上副面2和主面1上点坐标的原理图。

具体实施方式

本发明图5中，x、y、z三轴构成正交直角坐标系，r、θ、构成球坐标系，O是其原点，xOy平面是等光程条件的参考平面，馈源相心位于O点，副面2为变焦距副面，主面1为变焦距主面，且其口面在xOy平面的投影是一椭圆。从O点发出的射线到达副面的S(x_s，y_s，z_s)点，经副面反射到达主面的M(x_m，y_m，z_m)点，经主面的反射后形成与z轴平行的射线。

图6的结构中，把＝0°平面(即xOz平面)和＝90°平面(即yOz平面)上的主副面参数画在一起，图6中的纵轴ρ_xy在＝0°平面表示x轴，在＝90°平面表示y轴。对于一般的＝_s平面内，副面的法线不在＝_s平面内，但＝0°和＝90°平面是天线的两个对称轴所在的平面，因而可以设法使这两个平面内副面的法线分别在这两个平面内，可以根据反射定律和等光程条件首先把＝0°和＝90°平面的主、副面参数确定下来。在确定时，＝0°平面的副面对应主面椭圆口面的短轴，＝90°平面的副面对应主面椭圆口面的长轴。假定＝0°到＝90°之间副面参数是以某种函数渐变过渡的，从而通过优选该过渡函数确定出整个副面的形状。在确定副面方程时还要用到副面边缘对馈源相心的张角θ_m在任意平面保持不变。具体的求解过程如下：

首先确定＝90°平面内(长轴平面)主副面曲线，即长轴平面的主副面参数，已知主面直径D₂，副面半径s₂，焦距直径比τ₂，副面顶点到馈源相心的距离d₀。则＝90°平面内的主副面其它几何参数，如主面抛物线的焦距f₂，主面边缘对副面顶点的半张角Ψ₀₂，焦点对馈源相心的张角β₂，副面椭圆的焦距2c₂，副面椭圆的长轴2a₂，副面边缘对馈源相心的半张角θ_m，都可以通过如下公式计算出来。

                     f₂＝τ₂(D₂-2s₂)                   (1) ${\mathrm{\Ψ}}_{02}=2{\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{1}{4{\mathrm{\τ}}_2}\right)---\left(2\right)$ ${\mathrm{\β}}_2={\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{s_2}{d_0-s_2{\mathrm{ctg\Ψ}}_{02}}\right)---\left(3\right)$ $c_2=\frac{s_2}{2\sin {\mathrm{\β}}_2}---\left(4\right)$ $a_2=\frac{d_0}{2}+\frac{s_2}{2{\sin \mathrm{\Ψ}}_{02}}---\left(5\right)$ ${\mathrm{\θ}}_m={\sin }^{-1}\left(\frac{{2s}_2(2d_0+s_2\mathrm{tg}\frac{{\mathrm{\Ψ}}_{02}}{2})}{{s_2}^2+{({2d}_0+s_2\mathrm{tg}\frac{{\mathrm{\Ψ}}_{02}}{2})}^2}\right)---\left(6\right)$

然后，根据等光程条件，计算＝0°平面(即短轴平面)的主副面曲线。以xOy平面为等光程参考平面。＝0°和＝90°平面的等光程条件为 $C_k=\frac{D_2}{2}/\mathrm{tg}\frac{{\mathrm{\Ψ}}_{02}}{2}=\frac{D_1}{2}/\mathrm{tg}\frac{{\mathrm{\Ψ}}_{01}}{2}---\left(7\right)$ 其中D₁为＝0°平面主面直径(短轴直径)，Ψ₀₁为＝0°主面边缘对副面顶点的半张角。从而 $\mathrm{tg}\frac{{\mathrm{\Ψ}}_{01}}{2}=\frac{D_1}{D_2}\mathrm{tg}\frac{{\mathrm{\Ψ}}_{02}}{2}---\left(8\right)$ 因此，可以得到＝0°平面的主面半张角Ψ₀₁，进而可求出＝0°平面的副面半径s₁ $s_1=\frac{{2d}_0\mathrm{tg}\frac{{\mathrm{\θ}}_m}{2}}{1-\mathrm{tg}\frac{{\mathrm{\θ}}_m}{2}\mathrm{tg}\frac{{\mathrm{\Ψ}}_{01}}{2}}---\left(9\right)$

图7的结构中，确定任意平面的副面曲线和其对应的主面曲线。副面形状是通过优选一过渡函数从副面短轴曲线(＝0°平面的椭圆线)渐变到副面长轴曲线(＝90°平面的椭圆线)而形成的曲面。令副面半径s作为的函数，任意平面的过渡函数s()表示为：

                        s()＝f(，s₁，s₂)           (10)即s()从＝0°平面的s₁过渡到＝90°平面的s₂。过渡函数s()有多种选择，选取的原则是所生成的主面口面尽量接近想要的椭圆口面，并且所生成的主面曲面应有尽可能少的奇异点。在副面上，对任意的平面，已知s()后，其它参数，主面边缘对副面顶点的半张角Ψ₀()，焦点对馈源相心的张角β()，副面椭圆的焦距2c()，副面椭圆的离心率e()，都能求出来，如图3所示。

至此，平面上的副面参数已经完全确定。副面上任一点(θ，)对应的矢径长度r(θ)表示为平面上任一点的直角坐标为：至此，副面的形状已完全确定。

在确定了副面方程之后，副面上任一点的法线矢量便可以求出。对于副面上的任一点，根据反射定律和等光程条件，即可以求出所对应的主面上点的坐标。

副面上任一点的法向单位矢量

为：式中的符号由判断确定，标准是

为副面凹方向的单位法向量。r_θ和r_为坐标矢量，分别为 $r_0=\frac{\∂r\left(\mathrm{\θ}\right)}{\∂\mathrm{\θ}}=\frac{{\∂x}_s}{\∂\mathrm{\θ}}\hat{x}+\frac{{\∂y}_s}{\∂\mathrm{\θ}}\hat{y}+\frac{{\∂z}_s}{\∂\mathrm{\θ}}\hat{z}---\left(18\right)$

馈源相心指向副面上任一点(x_s，y_s，z_s)的单位向量

为： ${\hat{r}}_s=\frac{x_s\hat{x}+y_s\hat{y}+z_s\hat{z}}{\sqrt{{x_s}^2+{y_s}^2+{z_s}^2}}---\left(20\right)$

根据反射定律，则由副面上的点(x_s，y_s，z_s)指向主面上的对应点(x_m，y_m，z_m)的单位向量

为： $\hat{m}={\hat{r}}_s-2({\hat{n}}_s\·{\hat{r}}_s){\hat{n}}_s---\left(21\right)$ 设c_k为点(x_s，y_s，z_s)到点(x_m，y_m，z_m)的距离，则有：

其中m_x，m_y，m_z分另为

的三个分量。等光程条件为：

              |r_s|+c_k-z_m＝2(a₂+f₂)-2c₂cosβ₂＝c_p     (23)其中c_p为常数。把式(22)代入式(23)中得：式中 $\left|r_s\right|=\sqrt{{{\stackrel{\·}{x}}_s}^2+{y_s}^2+{z_s}^2}$ ，c_A＝m_x/m_z，c_B＝m_y/m_z。求解方程(24)，可以得到副面点S(x_s，y_s，z_s)在主面的对应点M的坐标(x_m，y_m，z_m)。至此，已经完全确定了副面和主面形状，从而完成了本发明的设计。

根据上述椭圆波束变焦距环焦天线的设计过程，实施例设计和制作了680mm×450mm的椭圆波束变焦距环焦天线。实测结果表明椭圆波束变焦距环焦天线达到了70％以上的效率，并且具有较低的旁瓣电平。

Claims (1)

1.一种椭圆波束变焦距环焦天线制造方法，其特征在于包括步骤：

在直角坐标系yOz平面、＝90°平面上，由已知天线主面(1)椭圆口径长轴平面上抛物线(3)的抛物线参数口面直径D₂、焦径比τ₂、天线副面(2)椭圆口径长轴平面上椭圆线(5)的副面半径s₂和副面顶点到馈源相心的距离d₀，根据反射定律和等光程条件，计算确定相对应的天线副面(2)椭圆口径长轴平面上椭圆线(5)的椭圆线参数焦距2c₂、长轴2a₂、倾角β₂；

由已知的天线主面(1)长轴平面上抛物线(3)的抛物线参数和天线副面(2)长轴平面上椭圆线(5)的椭圆线参数以及已知的天线主面(1)短轴平面上抛物线(4)的口面直径D₁，根据反射定律和等光程条件计算确定xOz平面、＝0°平面上的天线主面(1)椭圆口径短轴平面上抛物线(4)的抛物线参数主面边缘对副面顶点的半张角Ψ₀₁和天线副面(2)椭圆口径短轴平面上椭圆线(6)的副面半径s₁；

根据天线副面(2)的长轴平面上椭圆线(5)、短轴平面上椭圆线(6)的副面半径的过渡函数s()＝f(，s₁，s₂)，计算确定整个天线副面(2)任意平面变焦距形状；

由天线馈源及天线副面(2)形状，根据反射定律和等光程条件，计算确定天线主面(1)任意平面变焦距形状。

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