一种多变量赋形波束天线的设计方法、系统和介质技术方案

本发明专利技术涉及一种多变量赋形波束天线优化设计方法、系统和介质，天线由主、副反射器和馈源阵列组成，该方法通过对馈源数目、馈源位置、馈源口径、馈源激励的幅相以及反射器形面进行综合优化设计，从而在保证天线性能满足指标要求的前提下，实现了整个天线系统的最简化设计。优化过程中将主、副反射器相对于标准面的形变量用正交的基函数来表示，并和馈源的数目、位置、口径以及激励的幅相联合起来作为优化变量。由于该方法采用的优化变量维度较高，并且在优化过程中对反射器的形变量范围作了限制，因此在保证反射器可加工性的前提下解决了天线口径尺寸受限时服务区内高增益要求与众多邻近抑制区低电平之间的矛盾，在满足服务区高增益的同时实现了对众多邻近抑制区的隔离。

A design method, system and medium of a multivariable shaped beam antenna

The invention relates to a system and a medium variable shaped beam antenna, antenna optimization design method, the primary and secondary reflector and feed array composition, the method of comprehensive optimization design of excitation on the feed number, feed position, feed feed aperture, the amplitude and phase and the reflector surface through, so as to ensure the antenna performance meets the requirements of the premise, to achieve the most simplified design of the antenna system. In the optimization process, the shape variables of the primary and secondary reflectors relative to the standard plane are expressed by orthogonal basis functions, and are combined with the number, location, caliber and excitation amplitude of the feed as optimization variables. Because of the high dimension optimization variables, and the constraints on the reflector shape range of variables in the optimization process, so in that the reflector can be solved under the premise of processing requirements of high gain antenna aperture size by the limited service area with many neighboring contradiction between the low level of inhibition zone, while meeting the high gain the service area to achieve the isolation of many neighboring inhibition zone.

【技术实现步骤摘要】
一种多变量赋形波束天线的设计方法、系统和介质
本专利技术具体涉及一种多变量赋形多波束天线的设计方法、系统和介质，属于星载天线

技术介绍
我国广播电视传输早期使用常规通信卫星，因为卫星通信是一个开放的无线电通信，覆盖区内容易受到非法信号的干扰，特别是有预谋的恶意干扰。新的广播电视专用传输卫星有必要继续提升抗恶意干扰能力，同时应着手提高目前专用卫星业务运行稳定性。C频段的广播卫星天线由于其工作频率低，受限于卫星平台可提供的空间限制，天线的口径受限，因此实现服务区到抑制区的快速波束滚降有很大的难度。此前的赋形波束设计方法通常有两种，一种是通过对反射面形状进行优化；另外一种是多馈源赋形，即采用多个馈源照射反射面，通过优化每个馈源的幅度相位来实现对波束的赋形。但是对于通信多波束天线的设计要求，上述两种方法均无法兼顾服务区的高增益和对抑制区高隔离要求，并且如果采用对反射面赋形的方法，会造成反射面曲率变化很大，无法加工；如果采用多馈源赋形的方法，则馈源阵元数目很多，馈电网络设计复杂。因此采用目前已有的方法，无法满足通信多波束天线的设计需求。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：针对反射面天线口径受限，且存在众多邻近服务区的隔离区的设计情况，提出一种多变量赋形波束天线设计方法，能够满足客户对服务区高增益和对隔离区高抑制的设计要求，并且具有较低的系统复杂度，满足通信多波束天线的设计需求。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：一种多变量赋形波束天线的优化设计方法，所述天线包括主反射器(1)、副反射器(2)和馈源阵列(3)，其中，主反射器(1)和副反射器(2)为赋形反射面，馈源阵列(3)包括多个结构和尺寸并不完全相同的馈源喇叭，并且所述方法包括：(S1)根据设计指标要求确定主反射器的口径D1(外切圆的直径)、主反射器焦距F1和副反射器焦距F2、主反射器焦轴与副反射器焦轴的夹角θ和副反射器的离心率e；(S2)根据天线覆盖区即服务区的形状和设计指标要求，优化设计馈源喇叭的位置、数量和口径；(S3)根据步骤(S2)中确定的馈源喇叭的口径，对馈源喇叭进行赋形；(S4)对馈源喇叭赋形完成后，根据赋形后的馈源喇叭的照射方向，对主反射器(1)、副反射器(2)的形面和馈源阵列(3)的幅相进行优化，步骤如下：(S41)将主反射器(1)、副反射器(2)的展开基函数的系数和馈源阵列(3)的阵幅相顺序排列做成的一维向量作为优化变量X；其中反射器的展开基函数采用B样条函数来提高赋形优化的效果。(S42)在步骤(S41)中的优化变量X确定后，根据设计指标要求的天线在服务区不同位置的增益要求和抑制区的旁瓣电平要求，在天线波束的相应位置布置观测站点，观测站点的位置信息形成观测变量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，计算不同频点下天线在各个观测站点的增益，并与设计指标要求进行对比构建目标函数F(X,Y)；(S45)采用Minimax算法，对步骤(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指标要求，结束优化；否则，返回到S2调整馈源的数目、位置和口径，重新进行优化。在步骤(S1)中，主反射器的口径D1的大小取决于设计卫星平台的限制。在步骤(S2)中，位置、数量和口径的选定依据以下原则进行：a)数目尽可能少；b)喇叭照射反射器形成的次级波束在指向服务区的同时尽量远离抑制区，对于距离抑制区过近的服务区，则通过邻近波束的滚降区覆盖；c)次级波束指向服务区中心且该服务区增益要求高时，对应的馈源喇叭应该选择较大的口径，从而提高能量的集中程度；反之，则选择较小口径的馈源喇叭，降低次级波束在抑制区的电平。在步骤(S3)中根据确定的喇叭口径，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，进行馈源喇叭的赋形优化。在步骤(S44)中，目标函数F(X,Y)根据以下公式确定：F(X,Y)＝(F1(X,Y1),F1(X,Y2)…F1(X,YM))T(1)F1(X,Ym)＝wm[D1(Ym)-fco(X,Ym)](2)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，fco(X,Ym)是优化变量为X的情况下，利用物理光学法计算得到的第m个观测站点的主极化电场值，F1(X,Y1)是优化变量为X的情况下第1个观测站点的冗余值，F1(X,Y2)是优化变量为X的情况下第2个观测站点的冗余值，F1(X,YM)是优化变量为X的情况下第M个观测站点的冗余值，M是所取的观测站点总数目，1≦m≦M。馈源喇叭为光壁赋形馈源喇叭。本专利技术一种多变量赋形波束天线的优化设计系统，包括：参数确定模块、优化设计模块、赋形模块、幅相优化模块；参数确定模块，根据设计指标要求确定主反射器的口径D1、主反射器焦距F1和副反射器焦距F2、主反射器焦轴与副反射器焦轴的夹角θ和副反射器的离心率e；优化设计模块，根据天线覆盖区即服务区的形状和设计指标要求，优化设计馈源喇叭的位置、数量和口径；赋形模块，根据确定的馈源喇叭的口径，对馈源喇叭进行赋形；幅相优化模块,对馈源喇叭赋形完成后，根据赋形后的馈源喇叭的照射方向，对主反射器(1)、副反射器(2)的形面和馈源阵列(3)的幅相进行优化。幅相优化模块对馈源喇叭赋形完成后，根据赋形后的馈源喇叭的照射方向，对主反射器(1)、副反射器(2)的形面和馈源阵列(3)的幅相进行优化，步骤如下：(1)将主反射器(1)、副反射器(2)的展开基函数的系数和馈源阵列(3)的阵幅相顺序排列做成的一维向量作为优化变量X；(2)在步骤(S41)中的优化变量X确定后，根据设计指标要求的天线在服务区不同位置的增益要求和抑制区的旁瓣电平要求，在天线波束的相应位置布置观测站点，观测站点的位置信息形成观测变量Y；(3)设置各个观测站点的增益要求和权值系数；(4)利用物理光学法，计算不同频点下天线在各个观测站点的增益，并与设计指标要求进行对比构建目标函数F(X,Y)；(5)采用Minimax算法，对步骤(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指标要求，结束优化；否则，返回到S2调整馈源的数目、位置和口径，重新进行优化。一种基于多变量赋形波束天线的优化存储介质，存储了多变量赋形波束天线的优化程序，该程序按照权利要求1-6中任一项所述方法运行。与现有技术相比，根据本专利技术的赋形波束天线设计方法具有有益的技术效果：(1)本专利技术采用多变量赋形波束天线的设计思路，通过对馈源阵的数目、位置、大小、激励幅相和反射面赋形，解决了服务区高增益和抑制区高隔离度之间的矛盾；(2)本专利技术优化完成后该天线系统的馈源阵由四个馈源构成，馈电网络简单，技术难度低，有利于工程实现。(3)本专利技术优化过程中对反射器相对于标准面的形变量加以限制，因此能够保证优化反射面表面光滑、无突变区域，保证了反射器的可加工性。(4)本专利技术天线主反射器采用超椭圆边缘，从而在卫星平台所能提供的最大包罗限制下，提供尽可能高的天线有效口径，降低优化难度。(5)本专利技术馈源阵列的馈源采用光壁赋形喇叭结构，具有口径小、重量轻、容易加工等优点，有利用实际工程应用。附图说明图1为根据本专利技术的方法对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多变量赋形波束天线的优化设计方法，其特征在于：所述天线包括主反射器(1)、副反射器(2)和馈源阵列(3)，其中，主反射器(1)和副反射器(2)为赋形反射面，馈源阵列(3)包括多个结构和尺寸并不完全相同的馈源喇叭，并且所述方法包括：(S1)根据设计指标要求,确定主反射器的口径D1、主反射器焦距F1和副反射器焦距F2、主反射器焦轴与副反射器焦轴的夹角θ和副反射器的离心率e；(S2)根据天线覆盖区即服务区的形状和设计指标要求，优化设计馈源喇叭的位置、数量和口径；(S3)根据步骤(S2)中确定的馈源喇叭的口径，对馈源喇叭进行赋形；(S4)对馈源喇叭赋形完成后，根据赋形后的馈源喇叭的照射方向，对主反射器(1)、副反射器(2)的形面和馈源阵列(3)的幅相进行优化。

【技术特征摘要】
1.一种多变量赋形波束天线的优化设计方法，其特征在于：所述天线包括主反射器(1)、副反射器(2)和馈源阵列(3)，其中，主反射器(1)和副反射器(2)为赋形反射面，馈源阵列(3)包括多个结构和尺寸并不完全相同的馈源喇叭，并且所述方法包括：(S1)根据设计指标要求,确定主反射器的口径D1、主反射器焦距F1和副反射器焦距F2、主反射器焦轴与副反射器焦轴的夹角θ和副反射器的离心率e；(S2)根据天线覆盖区即服务区的形状和设计指标要求，优化设计馈源喇叭的位置、数量和口径；(S3)根据步骤(S2)中确定的馈源喇叭的口径，对馈源喇叭进行赋形；(S4)对馈源喇叭赋形完成后，根据赋形后的馈源喇叭的照射方向，对主反射器(1)、副反射器(2)的形面和馈源阵列(3)的幅相进行优化。2.根据权利要求1所述的多变量赋形波束天线的优化设计方法，其特征在于：(S4)对馈源喇叭赋形完成后，根据赋形后的馈源喇叭的照射方向，对主反射器(1)、副反射器(2)的形面和馈源阵列(3)的幅相进行优化，步骤如下：(S41)将主反射器(1)、副反射器(2)的展开基函数的系数和馈源阵列(3)的阵幅相顺序排列做成的一维向量作为优化变量X；(S42)在步骤(S41)中的优化变量X确定后，根据设计指标要求的天线在服务区不同位置的增益要求和抑制区的旁瓣电平要求，在天线波束的相应位置布置观测站点，观测站点的位置信息形成观测变量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，计算不同频点下天线在各个观测站点的增益，并与设计指标要求进行对比构建目标函数F(X,Y)；(S45)采用Minimax算法，对步骤(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指标要求，结束优化；否则，返回到S2调整馈源的数目、位置和口径，重新进行优化。3.根据权利要求1所述的多变量赋形波束天线的优化设计方法，其特征在于，在步骤(S1)中，主反射器的口径D1的大小取决于设计卫星平台的限制。4.根据权利要求1所述的多变量赋形波束天线的优化设计方法，其特征在于，在步骤(S2)中，位置、数量和口径的选定依据以下原则进行：(a)数目尽可能少；(b)喇叭照射反射器形成的次级波束在指向服务区的同时尽量远离抑制区，对于距离抑制区过近的服务区，则通过邻近波束的滚降区覆盖；(c)次级波束指向服务区中心且该服务区增益要求高时，对应的馈源喇叭应该选择较大的口径，从而提高能量的集中程度；反之，则选择较小口径的馈源喇叭，降低次级波束在抑制区的电平。5.根据权利要求1所述的多变量赋形波束天线的优化设计方法，其特征在于，在步骤(S3)中，通过以下方式对馈源喇叭进行赋形：根据确定的喇叭口径，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张新刚，时政欣，薛兆璇，赵颖，刘佳，刘曦，史莉莉，万继响，
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