空间压缩的薄平面反射器天线的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种空间压缩的薄平面反射器天线的设计方法，该方法将反射器口面与馈源口面进行联合设计，运用坐标变换将常规反射器天线中的反射面与馈源口面之间的空间进行压缩，得到反射器口面与馈源口面重合的薄平面反射器天线。实现空间压缩后，将馈源口面紧贴薄平面反射器口面构成空间压缩的薄平面反射器天线。本发明专利技术得到的反射器天线具有与曲面反射器天线相似的辐射特性。压缩了原反射器口面到馈源口面之间的空间，因而缩短了馈源到反射面的实际距离；显著减小了天线的整体厚度；设计后的馈源口面与平面反射器口面重合，构成紧凑的天线结构；无需对馈源做专门设计；天线的辐射特性与曲面反射器天线近似。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电磁/光学器件设计领域。涉及一种空间压缩型薄平面反射器天线的方法。所提出的设计方法适用于微波、毫米波、太赫兹等频段的各类单反射面天线，双反射面天线及多反射面天线。
技术介绍
反射器天线是由反射面和馈源组成的天线。其反射面可为旋转曲面(旋转抛物面，旋转双曲面，椭球面)或者柱面(抛物柱面，双曲柱面，椭圆柱面)。根据反射面的数量，反射器天线可分为单反射面天线，双反射面天线和多反射面天线。反射器天线广泛运用于电视广播、飞行器、雷达、卫星通信等领域。反射器天线的工作原理主要由其几何光学特性决定，以抛物面反射器天线为例，该天线由一个抛物面反射器和一个馈源构成，馈源处发出的波束经抛物面反射后被准直，反射波束平行于反射器的主轴传播；所有从焦点到反射面再到口径平面的路径长度均相等，且等于2倍焦距；再以卡塞格伦天线为例，该天线由一个主反射面(旋转抛物面)，一个副反射面(旋转双曲面)和一个馈源构成，馈源位于旋转双曲面的实焦点处时，由馈源发出的波束经过双曲面反射后，相当于波束直接由双曲面的虚焦点发出，因此当双曲面的虚焦点与抛物面的焦点相重合，就可使副反射面反射到主反射面上的波束经抛物面准直成平面波辐射出去。由此可见，常规反射器天线由一个或多个曲面反射器和馈源构成。这样的结构有以下不足：曲面反射面在加工制备、安装、调试和使用等方面存在诸多不便；反射面与馈源在空间上是相互分离的，这样增加了天线的整体厚度；反射面和馈源之间可能存在的遮挡会显著影响天线的性能。为了克服以上缺陷，目前有以下方法涉及平面紧凑反射器天线的设计：专利(申请号：201510627140.6)采用变换电磁学原理设计了特殊的馈源结构，该类馈源能与平面反射器贴在一起实现紧凑结构，从而得到与常规反射器天线等效的平面反射器天线。该方法须专门设计馈源结构，馈源置于该结构中将产生一个虚拟位移，使得紧贴平面反射器的馈源被虚拟位移至原焦点位置，由此达到与常规反射器天线等效的辐射特性。该方法未改变天线焦点的位置，未涉及原反射器口面到馈源口面之间的空间压缩。该方法利于偏馈和多源天线的设计，但增加了天线组件和制备成本，对于简单的正馈天线降低了经济效益。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足而提供的一种空间压缩的薄平面反射器天线的设计方法。该方法将反射器口面与馈源口面进行联合设计，运用坐标变换将常规反射器天线中的反射面与馈源口面之间的空间进行压缩，得到反射器口面与馈源口面重合的薄平面反射器天线。其中有两种方式能够实现空间压缩。第一种方式以曲面反射器的口面为参照面，位置保持不变，先将曲面反射器设计为一个平面反射器，其中反射面为原曲面反射器的口面；再对该平面反射器进行空间压缩，得到一个薄(相对于原曲面反射器的厚度)的平面反射器。第二种方式以馈源口面为参照面，位置保持不变，沿光轴方向将曲面反射器压缩为薄平面反射器。以上两种方式等效。实现空间压缩后，将馈源口面紧贴薄平面反射器口面构成空间压缩的薄平面反射器天线。该反射器天线具有与原曲面反射器天线相似的辐射特性。本专利技术的目的是这样实现的：本专利技术包括两种方式，其方式1包括以下具体步骤：第一步：沿光轴方向运用坐标变换将曲面反射器变换为一个平面反射器；其中平面反射器的反射面为原曲面反射器的口面，平面反射器的口面为馈源口面，平面反射器的厚度为原曲面反射器的口面到馈源口面的距离；第二步：沿光轴方向进行二次坐标变换，将平面反射器压缩为薄平面反射器；变换过程中反射面保持不变；第三步：将原反射器天线的馈源紧贴压缩后的平面反射器，构成空间压缩的薄平面反射器天线；其中，第一步所述运用坐标变换是直角坐标系下，该坐标变换表示为：x'＝f1(x,y,z),y'＝g1(x,y,z),z'＝h1(x,y,z) (1)式中(x,y,z)表示原空间的坐标，(x',y',z')表示变换后空间的坐标，f1，g1，h1为坐标变换函数；该空间变换需满足的边界条件为：曲面反射器的反射面映射到曲面反射器口面，馈源口面保持不变；所述二次坐标变换是直角坐标系下，该坐标变换表示为：x″＝f2(x',y',z'),y″＝g2(x',y',z'),z″＝h1(x',y',z') (2)式中(x',y',z')表示压缩前空间的坐标，(x”,y”,z”)表示压缩后空间的坐标，f2，g2，h2为坐标变换函数；该空间变换需满足的边界条件为：馈源口面映射到压缩后的薄平面反射器的口面，反射面保持不变；将式(1)代入式(2)得到原空间和压缩后空间的坐标关系为：x″＝u(x,y,z),y″＝v(x,y,z),z″＝w(x,y,z) (3)其中u,v,w表示复合函数f2(f1,g1,h1),g2(f1,g1,h1),h2(f1,g1,h1)。方式2包括以下具体步骤：第一步，将曲面反射器天线中的馈源口面设定为参考面保持不变，沿光轴方向通过一次坐标变换将曲面反射器压缩为薄平面反射器；第二步：将原反射器天线的馈源紧贴压缩后的平面反射器，构成空间压缩的薄平面反射器天线系统。其中，第一步所述一次坐标变换是直角坐标系下，该坐标变换表示为：x'＝f0(x,y,z),y'＝g0(x,y,z),z'＝h0(x,y,z) (4)式中(x,y,z)表示原空间的坐标，(x',y',z')表示变换后空间的坐标，f0，g0，h0为坐标变换函数；该空间变换需满足的边界条件为：曲面反射器的反射面映射到压缩后的平面反射器的反射面，馈源口面保持不变；由坐标变换式(3)或式(4)计算薄平面反射器的材料参数即相对介电常数和相对磁导率，计算公式为：ε'＝AεAT/det(A),μ'＝AμAT/det(A) (5)式中A为雅克比变换矩阵，AT为A的转置矩阵，ε和μ为空气的相对介电常数和磁导率。本专利技术的技术效果在于：压缩了原反射器口面到馈源口面之间的空间，因而缩短了馈源到反射面的实际距离；显著减小了天线的整体厚度；设计后的馈源口面与平面反射器口面重合，构成紧凑的天线结构；无需对馈源做专门设计；天线的辐射特性与常规反射器天线近似。附图说明图1为本专利技术方式1曲面反射器天线到平面反射器天线的空间变换示意图；图2为本专利技术方式1平面反射器天线到薄平面反射器天线的空间变换示意图；图3为本专利技术方式2曲面反射器天线到薄平面反射器天线的空间变换示意图；图4为本专利技术薄平面反射器天线结构示意图；图5为本专利技术薄平面反射器天线的近场分布图；图6为曲面反射器天线的近场分布图；图7为曲面反射器天线与本专利技术薄平面反射器天线的远场分布图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行详细描述：本专利技术包括两种方式：方式1步骤如下：第一步：沿光轴方向运用坐标变换将曲面反射器变换为一个平面反射器。其中平面反射器的反射面为原曲面反射器的口面，平面反射器的口面为馈源口面，平面反射器的厚度为原曲面反射器的口面到馈源口面的距离。第二步：沿光轴方向进行二次坐标变换，将平面反射器压缩为薄平面反射器。变换过程中反射面保持不变。第三步：将原反射器天线的馈源紧贴压缩后的平面反射器，构成空间压缩的薄平面反射器天线。其中，第一步所述运用坐标变换即实现曲面反射器到平面反射器的坐标变换参阅附图1。图中，Γ1表示曲面反射面，Γ2表示曲面反射面的口面，Γ3表示馈源(此处为喇叭天线)口面。沿光轴方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空间压缩的薄平面反射器天线的设计方法，其特征在于该方法包括以下具体步骤：第一步：沿光轴方向运用坐标变换将曲面反射器变换为一个平面反射器；其中平面反射器的反射面为原曲面反射器的口面，平面反射器的口面为馈源口面，平面反射器的厚度为原曲面反射器的口面到馈源口面的距离；第二步：沿光轴方向进行二次坐标变换，将平面反射器压缩为薄平面反射器；变换过程中反射面保持不变；第三步：将原反射器天线的馈源紧贴压缩后的平面反射器，构成空间压缩的薄平面反射器天线；其中，第一步坐标变换需满足的边界条件为：曲面反射器的反射面映射到曲面反射器口面，馈源口面保持不变；第二步坐标变换需满足的边界条件为：馈源口面映射到压缩后的薄平面反射器的口面，反射面保持不变。

【技术特征摘要】
1.一种空间压缩的薄平面反射器天线的设计方法，其特征在于该方法包括以下具体步骤：第一步：沿光轴方向运用坐标变换将曲面反射器变换为一个平面反射器；其中平面反射器的反射面为原曲面反射器的口面，平面反射器的口面为馈源口面，平面反射器的厚度为原曲面反射器的口面到馈源口面的距离；第二步：沿光轴方向进行二次坐标变换，将平面反射器压缩为薄平面反射器；变换过程中反射面保持不变；第三步：将原反射器天线的馈源紧贴压缩后的平面反射器，构成空间压缩的薄平面反射器天线；其中，第一步坐标变换需满足的边界条件为：曲面反射器的反射面映射到曲面反射器口面，馈源口面保持不变；第二步坐标变换需满足的边界条件为：馈源口面映射到压缩后的薄平面反射器的口面，反射面保持不变。2.一种空间压缩的薄平面反射器天线的设计方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗阳，黄寒雪，杨洋，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：上海;31