一种反射面天线双波束赋形设计方法技术

一种反射面天线双波束赋形设计方法，通过在设计过程中创造性地引入双波束覆盖区形状特征分析环节，以制定针对性的初始波束获取方式以及对应天线结构配置策略。在应用共轭场匹配理论寻找平面波激励下反射面散射场聚焦点的基础上，利用了聚焦点两侧馈源纵向移动波束长轴方向旋转的规律，进行了波束覆盖匹配性设计。通过结合馈源位置调整进行沿轴向扭转整个反射面天线系统，改善了双波束的波束覆盖匹配性和抑制区性能，进而提高了优化后双波束覆盖区的增益。本发明专利技术根据波束形状特征关系、天线布局等，并结合馈源位置调整波束形状等设计原理，对双波束设计中的设计次序、参数选取准则以及技术细节进行了说明，实现了对双波束覆盖区增益的提高或改进。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微波天线
，涉及一种天线设计方法，特别是一种可以提高具有特殊波束关系的双波束赋形覆盖区增益(或天线效率)的天线设计方法。
技术介绍
随着卫星通信技术应用的不断深入，要求卫星的载荷功能越来越多，对天线集成度的需求也随之提高。对于通信卫星，常希望在频谱资源有限、天线布局受限的约束下实现更多的波束覆盖，即使用有限数目的天线实现尽可能多的波束。反射面的双(多)波束设计技术提供了一种在一副天线中实现同频波束覆盖不同区域的可能，且两个波束性能接近于一般独立天线实现的性能。利用波传播的独立性原理，通过不同馈源照射同一反射面，形成不同指向的波束覆盖，且由于波束间的空域隔离，能够满足在不同波束中使用相同的频率资源进行通信而不会由于之间的干扰影响通信。这样，在天线实现应用中就需要通过设计使得双波束性能尽可能地接近独立天线设计时所获得的性能，从而实现双波束高效率辐射，在可接受的性能损失和增加有限硬件的前提下在一副天线内获得原本需要两幅天线才能实现的天线功能。在通信卫星反射面天线中，双(多)波束设计技术是空间天线技术中的重要课题。对于双波束覆盖区，主要有三种形态与五种关系，见表1：双波束的三种形态为全为点波束、全为赋形波束以及点波束加赋形波束，而双波束中全为点波束的双波束关系为相似，应用传统的多波束天线(Multi-beamAntenna)技术能够满足设计要求，点波束加赋形波束的双波束关系为相关，可以应用传统焦平面共轭场匹配法进行设计，而在全为赋形波束的双波束中，波束形状类似或波束长轴方向接近一致，由于馈源小范围偏移的性能微扰特性，可以应用传统的双波束赋形进行该类双波束设计，但对于波束长轴方向接近正交的双波束设计，则需要解决双波束间的兼容性问题，目前暂没有高效的设计方法。表1双波束覆盖区形状特性组合在同一副天线中实现两个特征相异的波束，是进行空间反射面天线双波束设计的难题之一，如何提高两个波束间的独立性或利用两个波束的相关性，使两个波束性能接近一般独立天线的性能是该难题的技术核心点。若直接采用现有的设计手段进行双波束设计，无法实现接近于独立天线性能的双波束天线，存在辐射波束效率不高、波束覆盖匹配性差等问题，获得的天线波束增益损失很明显或天线波束抑制区(或副瓣)性能不佳，无法满足预期的天线设计要求，降低了反射面双波束设计的技术优势。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高效率的反射面天线双波束赋形设计方法，在反射器天线中利用馈源轴向移动引起的波束长轴方向发生变化的现象，通过选择合适的馈源位置来提高双波束性能的兼容性，能够进行反射面天线双波束匹配覆盖设计而不增加新天线，具有天线新增功能实现与双波束赋形的普适性。本专利技术的技术解决方案是：一种反射面天线双波束赋形设计方法，包括如下步骤：(1)对进行双波束设计的波束进行分析，对双波束间的增益要求苛刻程度排序，并将反射面口径法线方向指向优先级更高的波束中心；将双波束中优先级更高的波束记为赋形波束1，另一波束记为赋形波束2；(2)在步骤(1)的基础上，对赋形波束1进行单馈源照射反射面下单波束赋形优化设计，获得赋形波束1以及对应的反射面初始形面A；(3)在共轭匹配场的基础上，利用馈源在聚焦点轴向移动引起的波束长轴方向发生变化，设置来自赋形波束2覆盖区域中心的平面波对反射面进行照射，并分析计算焦平面场分布，据此分析结果确定与赋形波束2对应的天线馈源位置；(4)判定赋形波束2获得的初始波束与目标覆盖区是否存在夹角，若存在夹角则绕赋形波束2目标覆盖区波束中心轴向旋转整个反射面与双馈源，使天线获得的赋形波束2的初始波束与设计目标匹配，并同时调整赋形波束1对应的馈源位置使得赋形波束1指回原覆盖区；若不存在夹角则直接进入下一步；(5)设置每个馈源的边沿电平；(6)以双波束增益覆盖要求为目标建立双波束赋形设计模型，以初始形面A为初始值，通过应用反射面形面迭代优化算法，获得双波束覆盖性能以及对应的形面B。在型面B的基础上，添加覆盖区交叉极化要求以及抑制区要求，在双波束赋形设计模型中完成性能优化与提升工作，获得反射面形面C。在型面C的基础上，对优化中的残余站值进行分析，调整覆盖区内各点目标站值进行优化，提高覆盖区内的最小增益并增强波束与覆盖区的匹配度，获得最终反射面形面D。所述的步骤(2)中，进行单馈源照射反射面下单波束赋形优化设计时，对于东天线，先进行两个波束中偏西向波束的赋形设计，对于西天线，先进行两个波束中偏东向波束的赋形设计。所述的步骤(2)中，进行单馈源照射反射面下单波束赋形优化设计时，在单偏置反射面焦距的选择中，除参照卫星结构布局外，还要根据馈源轴向移动引起的波束长轴方向发生变化的规律，考虑新增馈源将沿馈源轴向前移还是后撤，若是前移则要选择较长的焦距，若是后撤，则应根据天线安装布局要求选择合适的初始焦距，为后撤时增加新馈源预留安装空间，并保证天线焦距值满足XPD性能的要求；在单偏置反射面的偏置量选择时，对于东天线，要实现对偏西向波束覆盖区的照射，应提高偏置量数值，对于西天线，要实现对偏东向波束覆盖区的照射，应提高偏置量数值。所述的步骤(5)中设置每个馈源的边沿电平时，离反射面相对较近的馈源的边沿电平较高，离反射面相对较远的馈源的边沿电平较低。所述的离反射面相对较近的馈源的边沿电平范围为-10～-14dB，离反射面相对较远的馈源的边沿电平范围为-18～-24dB。所述步骤(3)中，结合天线馈源轴向移动引起的波束长轴方向发生变化，采用天线整体旋转方式实现双波束初始覆盖区与目标覆盖区的匹配。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术方法通过基于双波束的形状特征分析，利用聚焦点两侧馈源纵向移动波束长轴方向旋转的规律，并结合反射面天线系统坐标系旋转，增强初始双波束对目标覆盖区的匹配性，进行双波束赋形设计，提高了波束覆盖区增益，填补了传统设计方法的不足，解决了设计盲目性问题，在技术上具有进步性，工程实现难度小，所应用的基本技术较为成熟，容易实现，便于工程化应用。而且本专利技术设计方法也可以应用到复杂波束关系多波束反射面天线设计和增加新的工作频率进行功能扩展应用，不会对天线布局提出新的要求，缓解了应用平台的天线布设空间的紧张，有利于天线紧凑性设计，不需增加新的天线布局空间，实现了原本需要两(或多)个天线才能完成的功能，在天线技术上也具有一定的进步性。(2)本专利技术方法设计功能强大、普适性强，填补了原有设计方法的不足，通过实施一系列的天线配置调整，提高初始波束对目标覆盖区的波束匹配性，进而提高了天线波束覆盖效率或增益，在设计效果上具有技术优势。该方法不仅能够满足复杂关系(特别是长轴方向正交)的双波束赋形设计，也能够通过步骤简化完成对一般简易波束关系的双波束、多波束赋形设计，具有借鉴意义和应用普适性。(3)本专利技术方法由于其利用或改变波束相关性的设计思路，改善了双波束的兼容性，并通过旋转主反射器改善了波束抑制区性能，在改进初始波束覆盖匹配性的同时考虑了波束抑制区的设计，具有一定的技术优势。(4)本专利技术方法原理简单，设计容易，具有硬件代价低、应用方便、性能优良、明显的实用性等优点，回避了对复杂馈源阵合成网络的使用，而该反射面天线双波束赋形设计方法基于自身方案特点，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种反射面天线双波束赋形设计方法，其特征在于包括如下步骤：(1)对进行双波束设计的波束进行分析，对双波束间的增益要求苛刻程度排序，并将反射面口径法线方向指向优先级更高的波束中心；将双波束中优先级更高的波束记为赋形波束1，另一波束记为赋形波束2；(2)在步骤(1)的基础上，对赋形波束1进行单馈源照射反射面下单波束赋形优化设计，获得赋形波束1以及对应的反射面初始形面A；(3)在共轭匹配场的基础上，利用馈源在聚焦点轴向移动引起的波束长轴方向发生变化，设置来自赋形波束2覆盖区域中心的平面波对反射面进行照射，并分析计算焦平面场分布，据此分析结果确定与赋形波束2对应的天线馈源位置；(4)判定赋形波束2获得的初始波束与目标覆盖区是否存在夹角，若存在夹角则绕赋形波束2目标覆盖区波束中心轴向旋转整个反射面与双馈源，使天线获得的赋形波束2的初始波束与设计目标匹配，并同时调整赋形波束1对应的馈源位置使得赋形波束1指回原覆盖区；若不存在夹角则直接进入下一步；(5)设置每个馈源的边沿电平；(6)以双波束增益覆盖要求为目标建立双波束赋形设计模型，以初始形面A为初始值，通过应用反射面形面迭代优化算法，获得双波束覆盖性能以及对应的形面B。...

【技术特征摘要】
1.一种反射面天线双波束赋形设计方法，其特征在于包括如下步骤：(1)对进行双波束设计的波束进行分析，对双波束间的增益要求苛刻程度排序，并将反射面口径法线方向指向优先级更高的波束中心；将双波束中优先级更高的波束记为赋形波束1，另一波束记为赋形波束2；(2)在步骤(1)的基础上，对赋形波束1进行单馈源照射反射面下单波束赋形优化设计，获得赋形波束1以及对应的反射面初始形面A；(3)在共轭匹配场的基础上，利用馈源在聚焦点轴向移动引起的波束长轴方向发生变化，设置来自赋形波束2覆盖区域中心的平面波对反射面进行照射，并分析计算焦平面场分布，据此分析结果确定与赋形波束2对应的天线馈源位置；(4)判定赋形波束2获得的初始波束与目标覆盖区是否存在夹角，若存在夹角则绕赋形波束2目标覆盖区波束中心轴向旋转整个反射面与双馈源，使天线获得的赋形波束2的初始波束与设计目标匹配，并同时调整赋形波束1对应的馈源位置使得赋形波束1指回原覆盖区；若不存在夹角则直接进入下一步；(5)设置每个馈源的边沿电平；(6)以双波束增益覆盖要求为目标建立双波束赋形设计模型，以初始形面A为初始值，通过应用反射面形面迭代优化算法，获得双波束覆盖性能以及对应的形面B。2.根据权利要求1所述的一种反射面天线双波束赋形设计方法，其特征在于：所述的设计方法还包括：在型面B的基础上，添加覆盖区交叉极化要求以及抑制区要求，在双波束赋形设计模型中完成性能优化与提升工作，获得反射面形面C。3.根据权利要求2所述的一种反射面天线双波束赋形设计方法，其特征在于：所述的设计方法还包括：在型面C的基础上，对优化中的残余站值进行分析，调整覆盖区内各点目标站值进行优化，提高覆盖区内的最小增益并增强波束与覆盖区的匹...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明涛，张新刚，张坚，弓金刚，时政新，宋文超，
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