一种单口径多波束天线的优化设计方法技术

技术编号:10548874 阅读:373 留言:0更新日期:2014-10-16 16:00
本发明专利技术涉及一种单口径多波束天线的优化设计方法,该天线包括反射器和馈源阵列,该方法通过对反射面进行赋形优化,在旁瓣抬升较小的前提下展宽天线波束,提高了波束的交叠增益,解决了传统单口径单馈源多波束天线交叠增益与旁瓣电平之间的矛盾,并且在优化过程中兼顾了收、发波束的指标要求,采用单口径单馈源子波束形成方式实现了高增益、低旁瓣的收发共用波束。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及,该天线包括反射器和馈源阵列,该方法通过对反射面进行赋形优化,在旁瓣抬升较小的前提下展宽天线波束,提高了波束的交叠增益,解决了传统单口径单馈源多波束天线交叠增益与旁瓣电平之间的矛盾,并且在优化过程中兼顾了收、发波束的指标要求,采用单口径单馈源子波束形成方式实现了高增益、低旁瓣的收发共用波束。【专利说明】
本专利技术属于星载天线
,具体地,涉及一种单口径多波束天线的优化设计 方法。
技术介绍
随着卫星宽带多媒体业务需求的快速增长,使相对空闲的Ka频段代替C频段和Ku 频段成为全球各地高清电视及宽带多媒体双向业务的首选频段。为了充分利用有限的频谱 和功率资源,Ka宽带通信卫星主要采用多波束天线形式。 星载多波束天线主要有直射相控阵天线和反射面+馈源阵列天线两大类。直射相 控阵天线波束的形成网络复杂,当形成多个波束时,通道组件成倍增加,最终导致整副相控 阵天线的重量、功耗和热耗都比较大,并且其工作频率带宽有限。反射面+馈源阵列多波束 天线由于使用了反射面,能够使用较小的阵列馈源实现高增益多波束的要求,降低了系统 的复杂程度。 目前,反射面+馈源阵列多波束天线的成型方法主要有以下两种:一种是比较简 单的基本成束法,另一种是较为复杂的增强成束法。基本成束法的特点是每一个喇叭照射 反射器产生一个波束;增强成束方法则通过多个喇叭的组合得到若干个等效馈源照射反射 器,从而形成多个波束。反射面+馈源阵列多波束天线按照口径又可分为:单口径单馈源多 波束天线,单口径多馈源多波束天线和多口径单馈源多波束天线。 单口径单馈源子波束形成多波束,为了实现相邻波束的交叠和无缝覆盖,馈源的 边缘照射电平一般选择_3dB到_5dB左右,其口径一般为0. 8-1. 0个波长。由于反射面边 缘的散射和绕射的影响,导致次级波束的旁瓣较高(_15dB左右),馈源偏焦后馈源的漏射 较为严重,多波束天线口径效率较低,导致增益较低,天线存在旁瓣高、波束交叠增益低、扫 描波束变形、波束C/Ι低等诸多问题,该类型的天线适用于一些稀疏排列以及频率复用次 数较少的多波束系统。 单口径多馈源优化合成多波束,其通过优化多馈源幅度和相位激励系数实现各点 波束的高增益和低旁瓣,但是难题在于,当系统所需波束数目较多且频段较高时,其馈电网 络较复杂,需要大量的移相衰减组件和控制组件,体积、重量、功耗较大。 多口径单馈源子波束形成多波束,每副口径天线可以选择较大口径的馈源喇叭, 不同口径的天线对应的馈源阵形成的波束间隔排列,无需复杂的馈电网络就能实现高增益 和低旁瓣无缝覆盖。但多口径多波束天线数量依然较多,重量和体积相对单口径多波束天 线而言较大,在卫星平台有限的布局空间内对多反射面的重叠收拢技术、多反射面异步展 开技术、高精度二维指向机构技术和在轨天线波束指向校准都提出了很高的要求,技术难 度较高。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是:克服现有单口径多波束天线存在的旁瓣高、波束交 叠增益低、扫描波束变形、波束C/Ι低等诸多问题,提出一种单口径多波束天线的优化设计 方法,该方法能够以较低的技术难度实现高增益、低旁瓣的收发共用多波束。 本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案包括: ,所述天线包括反射器和馈源阵列,其中, 反射器为赋形反射面,馈源阵列包括多个结构和尺寸完全相同的光壁赋形馈源喇叭,并且 所述方法包括: (S1)根据设计指标的要求确定反射器的口径D、焦距F、以及偏置距离Η ; (S2)确定馈源喇叭的内径; (S3)根据步骤(S2)中确定的馈源喇叭的内径,利用Champ软件对馈源喇叭进行赋 形,并根据服务区的范围和天线的波束宽度计算出所需的馈源数量; (S4)反射器的赋形 以根据步骤(S3)赋形后的馈源喇叭的照射方向图为输入条件,进行反射器的赋 形优化,具体地: (S41)以反射器相对于标准抛物面的形变量作为优化变量X ; (S42)根据设计指标所要求的波束宽度要求,在各波束的相应位置布置观测站点, 形成观测变量Y; (S43)设置各个观测站点的增益要求和权值系数; (S44)利用物理光学法计算不同频点下各个观测站点的天线性能,并与设置要求 进行对比构建目标函数F(X,Y); (S45)采用Minimax算法对根据步骤(S44)构建的目标函数F(X,Y)进行优化,如 果优化结果满足设计要求,则结束优化;否则,返回到步骤(S43)中调整各个观测站点的增 益要求和权值系数,重新进行优化,直至优化结果满足设计要求为止。 优选地,在步骤(S1)中:反射器的口径D的大小取决于设计的波束宽度Θ 3dB、工作 波长λ和旁瓣电平SL的设计要求,具体地,根据下面的公式确定反射器的口径D: D = 2* (33. 2-1. 55SL) λ / Θ 3dB ; 焦距F的选择应当使得F/D的取值在1. 5?2的范围内; 偏置距离Η的选择应使得馈源阵列不对反射器造成几何遮挡。 优选地,在步骤(S2)中,根据下面的公式确定馈源喇叭的内径: r = (d-dr-2*h)/2, d = arctan ( Θ s/BDF) *2F/ (1+cos θ 〇), BDF = (1+0. 36 (D/4F)2) / (1+ (D/4F)2), 上式中,Θ s为相邻波束间的间距,Θ ^为天线的偏置角,F为反射器的焦距,D为反 射器的口径,d为馈源阵列中相邻馈源喇叭的中心距,dr为相邻馈源喇叭的外壁间的间隔, h为馈源喇叭的壁厚,BDF为中间过程参数。 优选地,步骤(S3)的具体操作为:根据步骤(2)中确定的馈源喇叭的内径,在 Champ软件中建立馈源喇叭的初始模型,然后将馈源喇叭在其半张角处的锥削电平、交叉极 化隔离度、回波损耗作为优化目标,利用Champ软件自带的优化程序进行馈源喇叭的赋形 优化。 优选地,在步骤(S41)中,反射器相对于标准抛物面的优化变量X通过以下方式确 定:反射器在其口径截面内的投影为一个圆形区域,把这个圆形区域等间隔地划分为一个 中心圆和η个小圆环,设定中心圆内部和各个圆环内部的天线的形变量是一致的,依次为 zO、zl、ζ2··· ζη,这η+1个相位组合起来即构成优化变量X,其中,η为正整数。 优选地,在步骤(S42)中,当波束个数较多时,选择中心波束和位于服务区边缘的 波束作为设置观测站点的重点区域;并且为了保证天线上、下行频带范围内的性能均能满 足设计要求,在步骤(S43)中,在天线上、下行的不同频点分别设置观测站点的增益要求和 权值系数,各个观测站点的增益要求根据设计指标要求确定,权值系数根据各个站点的重 要程度进行设置,对重要程度较高的观测站点设置较大的权值系数。 优选地,在步骤(S44)中,目标函数F(X,Y)根据以下公式确定: F(X,Y) = (FiaYlFiaD-FiaYM))1 Fl(X,Ym) = wm 上式中,wm是第m个观测站点的权重系数;D1 (Ym)是第m个观测站点设计要求的 主极化电场值;fjx,Ym)是反射器的优化变量为X的情况下,利用物本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种单口径多波束天线的优化设计方法,其特征在于:所述天线包括反射器(1)和馈源阵列(2),其中,反射器(1)为赋形反射面,馈源阵列(2)包括多个结构和尺寸完全相同的光壁赋形馈源喇叭,并且所述方法包括:(S1)根据设计指标的要求确定反射器的口径D、焦距F、以及偏置距离H;(S2)确定馈源喇叭的内径;(S3)根据步骤(S2)中确定的馈源喇叭的内径,利用Champ软件对馈源喇叭进行赋形,并根据服务区的范围和天线的波束宽度计算出所需的馈源数量;(S4)反射器的赋形以步骤(S3)赋形后的馈源喇叭的照射方向图为输入条件,进行反射器的赋形优化,具体地:(S41)以反射器相对于标准抛物面的形变量作为优化变量X;(S42)根据设计指标所要求的波束宽度,在各波束的相应位置布置观测站点,形成观测变量Y;(S43)设置各个观测站点的增益要求和权值系数;(S44)利用物理光学法计算不同频点下各个观测站点的天线性能,并与设置要求进行对比构建目标函数F(X,Y);(S45)采用Minimax算法对根据步骤(S44)构建的目标函数F(X,Y)进行优化,如果优化结果满足设计要求,则结束优化;否则,返回到步骤(S43)中调整各个观测站点的增益要求和权值系数,重新进行优化,直至优化结果满足设计要求为止。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:张新刚丁伟万继响王旭东陶啸安啸
申请(专利权)人:西安空间无线电技术研究所
类型:发明
国别省市:陕西;61

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