一种基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法，该设计方法针对多馈源合成多波束天线馈源阵(喇叭阵列+极化器阵列+合成网络)，通过对合成网络的拓扑结构、无源器件、波导连接结构及各自的优化变量变化范围进行约束定义及优化设计，解决了多馈源合成多波束天线波束幅相激励系数设置与波束性能间的矛盾，在满足了合成网络的设计合理性的同时实现了高增益高C/I波束性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法
本专利技术属于星载多波束天线
，具体涉及一种基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法。
技术介绍
多波束天线技术作为大容量通信卫星普遍采用的一种载荷技术，可以针对拟定服务区提供大量高增益点波束覆盖，通过采用频率极化复用技术实现同频同极化波束间的物理隔离，然而为了提高频率利用效率进而提高卫星系统整体的通信容量，需要在提高频率复用次数的基础上通过天线设计获得高增益高C/I的波束性能。多馈源合成多波束天线由于采用了馈源簇的设计理念，一方面通过波束间的馈源共用提高波束间的交叠电平，另一方面通过多个馈源的幅度相位激励系数优化实现对波束性能特别是C/I性能的提升，实现了以一副反射器完成发射或接收多波束天线的设计，获得高增益高C/I覆盖性能的同时降低了天线对卫星平台的资源需求。但是针对该技术，目前没有有效的合成网络幅相优化设计方法，脱离网络拓扑结构和无源器件色散特性的设计，无法保证激励系数在整个工作频段内与设计值的一致性，进而最终影响整个天线的所有波束性能。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：该设计方法主要针对多馈源合成多波束天线波束幅相激励系数设置与波束性能间的矛盾，提出一种基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法，提出一种针对合成多波束天线馈源阵网络幅相优化设计方法，通过对合成网络的拓扑结构、无源器件、波导连接结构及各自的优化变量变化范围进行约束定义及优化设计，满足合成网络的设计合理性的同时实现高增益高C/I波束性能。本专利技术的技术方案包括：一种基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法，所述方法应用于合成多波束天线，天线包括反射器和馈源阵列，其中馈源阵列由喇叭阵列、极化器阵列和波束形成网络组成，波束形成网络由多个无源耦合器、移相器及波导连接结构共同构建实现拓扑网络及优化的幅度相位激励系数值，所述方法具体步骤包括：(S1)根据设计指标要求确定多馈源合成多波束天线配置，包括主反射器的口径D、主反射器焦距F和馈源阵偏置H；(S2)根据服务区的形状和设计指标要求，确定波束对应馈源簇位置、单波束合成馈源数量排布方式、波束间共用馈源数量及对应的馈源口径d；(S3)根据步骤(S2)中确定的馈源喇叭的内径d，利用Champ软件对馈源喇叭口径效率为目标进行设计，并利用GRASP软件计算在(S1)步骤所确定的天线配置参数下的所有馈源子波束性能；(S4)依据馈源阵波束规模、波束馈源对应关系及构成网络的无源器件类型，构建波束形成网络拓扑结构；(S5)在根据步骤(S4)对波束形成网络设计完成后，以步骤(S3)计算后的所有馈源子波束性能为输入条件，进行馈源阵合成网络的幅相激励系数的优化设计。在步骤(S1)中，主反射器的口径D、主反射器焦距F和馈源阵偏置H参数在选择方面保证馈源阵重量、体积及天线布局满足卫星平台包络限制；所述主反射器的口径D在1λ～1.8λ范围内。在步骤(S2)中：a)依据天线配置参数与波束覆盖位置，计算天线焦平面上各波束中心所对应的坐标值；b)采用7馈源数量作为单波束合成馈源数量，7馈源采用正六边形排布，且馈源外壁包络两两相切；c)波束与波束间的馈源共用数量控制在2个；d)通过已有的波束中心位置及合成馈源数量共用方式计算出馈源口径d。在步骤(S3)中，通过以下方式对馈源喇叭进行设计：根据内径d，在Champ软件中建立馈源喇叭的初始模型，然后将馈源的口径效率、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优化设计。在步骤(S4)中，通过以下方式构建网络拓扑结构：a)对于网络中每个波束所对应的7个馈源，采用基于波导结构的耦合器结构实现对幅度的分配；b)对于网络中每个波束所对应的7个馈源，采用基于波导结构的移相器实现对幅度的分配；c)对于所有耦合器及移相器采用分层形式设计，层间采用相同的周期型波导连接结构降低整个拓扑结构对于网络相位特性的影响。所述步骤(S5)的具体过程为：(S51)将参与波束合成的每一个通道的激励系数定义为优化变量Xa-b,其中a为波束号，b为馈源号，变量数组X所包含的总的变量数目由网络拓扑结构设计的通道数目所确定；(S52)在步骤(S51)中的优化变量数组X确定后，根据设计服务区的波束宽度要求范围，在各波束的相应位置布置观测站点，形成观测变量Y；(S53)将拓扑网络约束与网络结构所含无源器件的色散特性在全频带内进行提取并进行参数化近似，对所有优化变量依据不同设计频率进行修正；(S54)利用计算得到的天线子波束在不同频点下各个观测站点的天线性能与激励系数X，与设置要求进行对比构建目标函数F(X,Y)，并设置各个观测站点的增益、C/I要求和权值系数；(S55)采用全局优化算法对根据步骤(S54)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，结束优化；否则返回到步骤(S55)调整各个观测站点性能指标的权值系数，重新进行优化。在步骤(S54)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；F1(X,Ym)＝wm[D1(Ym)-Dco(X,Ym)]+wm1[C/I1(Ym)-C/Ico(X,Ym)]；上式中，wm是第m个观测站点的方向性权重系数，wm1是第m个观测站点的C/I性能权重系数，D1(Ym)是第m个观测站点设计要求的主极化方向性值，C/I1(Ym)是第m个观测站点设计要求的C/I值，Dco(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个观测站点的合成后的主极化方向性值，C/Ico(X,Ym)则是主极化的C/I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。与现有技术相比，根据本专利技术的多波束天线网络的幅相优化设计方法具有有益的技术效果：1、本专利技术采用的多馈源合成网络的幅相优化设计方法，提出通过馈源阵波束规模、波束馈源间对应关系、网络构建器件构建对应的拓扑网络，结合幅相优化前的器件色散特性提取，有效解决了激励系数与网络设计的对应关系，提升了设计结果的宽带适应性；2、提出了波导结构、耦合器、移相器共同组成的周期型结构连接，降低了网络色散特性对优化复杂度及波束性能的影响；3、优化过程中所提出的以C/I性能直接参与目标函数优化，相较于常规采用旁瓣直接优化的方式，提升了幅相激励系数设计的自由度与最优解的搜索范围，利于获得更优的波束设计结果。附图说明图1为根据本专利技术的方法对馈源阵合成网络进行幅相优化设计的流程图；图2为根据本专利技术的方法设计的多波束天线的配置及馈源波束对应关系示意图；图3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】
1.一种基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法，其特征在于：所述方法应用于合成多波束天线，天线包括反射器和馈源阵列，其中馈源阵列由喇叭阵列、极化器阵列和波束形成网络组成，波束形成网络由多个无源耦合器、移相器及波导连接结构共同构建实现拓扑网络及优化的幅度相位激励系数值，所述方法具体步骤包括：/n(S1)根据设计指标要求确定多馈源合成多波束天线配置，包括主反射器的口径D、主反射器焦距F和馈源阵偏置H；/n(S2)根据服务区的形状和设计指标要求，确定波束对应馈源簇位置、单波束合成馈源数量排布方式、波束间共用馈源数量及对应的馈源口径d；/n(S3)根据步骤(S2)中确定的馈源喇叭的内径d，利用Champ软件对馈源喇叭口径效率为目标进行设计，并利用GRASP软件计算在(S1)步骤所确定的天线配置参数下的所有馈源子波束性能；/n(S4)依据馈源阵波束规模、波束馈源对应关系及构成网络的无源器件类型，构建波束形成网络拓扑结构；/n(S5)在根据步骤(S4)对波束形成网络设计完成后，以步骤(S3)计算后的所有馈源子波束性能为输入条件，进行馈源阵合成网络的幅相激励系数的优化设计。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法，其特征在于：所述方法应用于合成多波束天线，天线包括反射器和馈源阵列，其中馈源阵列由喇叭阵列、极化器阵列和波束形成网络组成，波束形成网络由多个无源耦合器、移相器及波导连接结构共同构建实现拓扑网络及优化的幅度相位激励系数值，所述方法具体步骤包括：
(S1)根据设计指标要求确定多馈源合成多波束天线配置，包括主反射器的口径D、主反射器焦距F和馈源阵偏置H；
(S2)根据服务区的形状和设计指标要求，确定波束对应馈源簇位置、单波束合成馈源数量排布方式、波束间共用馈源数量及对应的馈源口径d；
(S3)根据步骤(S2)中确定的馈源喇叭的内径d，利用Champ软件对馈源喇叭口径效率为目标进行设计，并利用GRASP软件计算在(S1)步骤所确定的天线配置参数下的所有馈源子波束性能；
(S4)依据馈源阵波束规模、波束馈源对应关系及构成网络的无源器件类型，构建波束形成网络拓扑结构；
(S5)在根据步骤(S4)对波束形成网络设计完成后，以步骤(S3)计算后的所有馈源子波束性能为输入条件，进行馈源阵合成网络的幅相激励系数的优化设计。


2.根据权利要求1所述的基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法，其特征在于，在步骤(S1)中，主反射器的口径D、主反射器焦距F和馈源阵偏置H参数在选择方面保证馈源阵重量、体积及天线布局满足卫星平台包络限制。


3.根据权利要求2所述的基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法，其特征在于，所述主反射器的口径D在1λ～1.8λ范围内。


4.根据权利要求1所述的基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法，其特征在于，在步骤(S2)中：
2a)依据天线配置参数与波束覆盖位置，计算天线焦平面上各波束中心所对应的坐标值；
2b)采用7馈源数量作为单波束合成馈源数量，7馈源采用正六边形排布，且馈源外壁包络两两相切；
2c)波束与波束间的馈源共用数量控制在2个；
2d)通过已有的波束中心位置及合成馈源数量共用方式计算出馈源口径d。


5.根据权利要求1所述的基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法，其特征在于，在步骤(S3)中，通过以下方式对馈源喇叭进行设计：
根据内径d，在Champ软件中建立馈源喇叭的初始模型，然后将馈源的口径效率、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优化设计。


6.根据权利要求4所述的基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法，其特征在于，在步骤(S4)中，通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚琦，张龙，陈俢继，王旭东，何佳欢，万继响，梁瑞香，
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