一种星载多馈源合成多波束天线波束优化设计方法技术

一种星载多馈源合成多波束天线波束优化设计方法，天线由反射器和馈源阵列组成，通过多馈源合成波束方式、天线参数配置、馈源阵列激励系数、波束形成网络拓扑结构进行覆盖区波束设计，解决了大规模多馈源合成多波束天线波束的快速、精确、优化设计问题，满足服务区域工作频段内高增益、高C/I、低交叉极化的波束性能，在高通量/甚高通量通信卫星领域内具有广阔的应用前景。阔的应用前景。阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种星载多馈源合成多波束天线波束优化设计方法


[0001]本专利技术涉及一种星载多馈源合成多波束天线波束优化设计方法，属于星载高通量多波束天线


技术介绍

[0002]为了适应高通量通信卫星的需求，满足广域覆盖、大规模多点波束天线的研究非常关键。相比于传统单馈源单波束的多波束天线，基于多馈源合成的多波束天线在整星布局、波束性能上具有无可比拟的优势，因此对于多馈源合成多波束天线技术的研究具有重要的意义，可以有效提高未来通信卫星的容量，达到Tera
‑
bps量级。
[0003]多馈源合成多波束天线主要通过馈源阵列及波束形成网络的工作原理，选取反射面天线的配置参数，优化对应馈源激励系数的幅度、相位分布，从而使得服务区域内各个波束的性能达到最优，其多个馈源的合成一方面可以增加反射面天线的波束扫描范围，另一方面可以兼顾服务区内增益性能和C/I性能。目前，对于宽频带、广域覆盖、大规模多馈源合成多波束的波束优化设计尚无有效的解决方法，且不能有效考虑波束形成网络对波束性能的影响，从而使得天线波束性能与理论设计偏差较大，无法满足通信多波束天线的设计需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术解决的技术问题是：针对目前现有技术中，对于宽频带、广域覆盖、大规模多馈源合成多波束的波束缺少有效进行优化设计的方法的问题，提出了一种星载多馈源合成多波束天线波束优化设计方法。
[0005]本专利技术解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
[0006]一种星载多馈源合成多波束天线波束优化设计方法，步骤如下：
[0007](1)根据任务指标需求确定波束合成方式、波束排布、波束复用方式；
[0008](2)根据天线中馈源阵列的馈电单元口径包络指标Rf及波束合成方式，对天线的配置参数进行优化；
[0009]所述天线包括馈源阵列、反射器，所述反射器为标准偏置抛物反射面，馈源阵列包括光壁赋形喇叭、双频双圆极化耦合器、波束形成网络，所述波束形成网络包括波导功分器、连接波导，波导功分器、连接波导构成拓扑结构并实现上行、下行合成波束要求的激励系数；
[0010]所述配置参数包括：反射器的口径D、反射器的焦距F、反射器的偏置距离H、馈源阵排布；
[0011](3)根据馈电单元口径包络Rf，对光壁赋形喇叭及双频双圆极化耦合器进行设计，确定馈电单元设计；
[0012](4)根据步骤(3)设计所得馈电单元、馈源阵排布、天线配置参数，计算上、下行次级子波束性能参数；
[0013](5)根据波束合成方式、波束排布、步骤(3)设计所得馈电单元构建上行、下行波束形成网络拓扑结构，确定激励系数约束条件；
[0014](6)根据步骤(4)所得上、下行次级子波束性能参数、步骤(5)中上行、下行波束形成网络拓扑结构，以覆盖区波束性能为目标，对波束形成网络的激励系数进行优化，完成波束形成网络设计。
[0015]所述步骤(1)中，通过波束合成方式、波束排布、波束复用方式选择以减少合成波束数量并保证覆盖区域内波束性能。
[0016]所述步骤(2)中，所述天线的配置参数根据馈电单元的口径包络Rf及反射器参数共同确定，所述馈源阵中，馈电单元蜂窝排布且外包络相切，馈电单元口径范围为32～40mm，反射器的口径D、焦距F、偏置距离H优化满足任务指标需求中合成波束与子波束的波束宽度、波束间距要求。
[0017]所述步骤(3)中，馈电单元设计需满足口径包络Rf要求，光壁赋形喇叭以上行、下行频段内口径效率、交叉极化电平、回波损耗、喇叭纵向长度为优化设计目标，双频双圆极化耦合器为两臂耦合结构，以端口隔离度、回波损耗为优化设计目标以实现上行、下行左右旋圆极化。
[0018]所述步骤(4)中，计算上、下行次级子波束性能参数需满足的计算条件如下：
[0019](a)所述子波束排布为蜂窝排布、波束间距满足任务指标需求；
[0020](b)子波束的交叠电平下行范围为3.0～4.5dB，上行范围为9.0～10.5dB。
[0021]所述步骤(5)中，网络拓扑结构的构建根据：
[0022](a)波束合成方式采用四馈源合成，子波束间的共用馈源数为2个；
[0023](b)上行、下行波束形成网络分层进行以提高上行、下行频段的隔离度；
[0024](c)对于波束形成网络中各波束对应的馈源采用基于波导结构的功分器进行激励系数幅度分配；
[0025](d)对于波束形成网络中各波束对应的馈源通过波导结构的非对称性对不等分功分器带入的相位差进行补偿。
[0026]所述步骤(6)中，完成波束形成网络设计的具体步骤如下：
[0027](6
‑
1)将覆盖区所有合成波束对应的子波束对应的激励系数定义为优化变量X；
[0028](6
‑
2)确定优化变量X后，根据覆盖区范围布置各个合成波束的观测站点，定义观测变量Y；
[0029](6
‑
3)基于波束形成网络的拓扑结构约束，进行优化变量X在工作频段内的量化，期中，各合成波束依据复用方式全局、分块进行优化；
[0030](6
‑
4)根据上行、下行次级子波束及优化变量X计算合成波束的性能参数，并构建多维度目标函数F(X,Y)，设置观测站点增益、C/I、交叉极化电平要求及优化权值系数；
[0031](6
‑
5)通过全局优化算法对多维度目标函数F(X,Y)进行优化，若优化结果满足任务需求指标，结束优化并完成波束形成网络设计，否则返回步骤(6
‑
4)并调整优化目标、权值系数，重新进行优化设计。
[0032]所述步骤(6
‑
5)中，根据任务指标需求，可返回步骤(2)调整天线配置参数并重新进行优化设计。
[0033]所述步骤(6
‑
4)中，多维度目标函数F(X,Y)具体为：
[0034]F(X,Y)＝[F1(X,Y1),F1(X,Y2),
…
,F1(X,Y
M
)]T
+
[0035][F2(X,Y1),F2(X,Y2),
…
,F2(X,Y
M
)]T
+
…
+
[0036][F
N
(X,Y1),F
N
(X,Y2),
…
,F
N
(X,Y
M
)]T
[0037]F
n
(X,Y
m
)＝a[G(Y
m
)
‑
G
n
(X,Y
m
)]+b[C/I(Y
m
)
‑
C/I
n
(X,Y
m
)]+
[0038]c[XPD(Y
m
)<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种星载多馈源合成多波束天线波束优化设计方法，其特征在于步骤如下：(1)根据任务指标需求确定波束合成方式、波束排布、波束复用方式；(2)根据天线中馈源阵列的馈电单元口径包络指标Rf及波束合成方式，对天线的配置参数进行优化；所述天线包括馈源阵列、反射器，所述反射器为标准偏置抛物反射面，馈源阵列包括光壁赋形喇叭、双频双圆极化耦合器、波束形成网络，所述波束形成网络包括波导功分器、连接波导，波导功分器、连接波导构成拓扑结构并实现上行、下行合成波束要求的激励系数；所述配置参数包括：反射器的口径D、反射器的焦距F、反射器的偏置距离H、馈源阵排布；(3)根据馈电单元口径包络Rf，对光壁赋形喇叭及双频双圆极化耦合器进行设计，确定馈电单元设计；(4)根据步骤(3)设计所得馈电单元、馈源阵排布、天线配置参数，计算上、下行次级子波束性能参数；(5)根据波束合成方式、波束排布、步骤(3)设计所得馈电单元构建上行、下行波束形成网络拓扑结构，确定激励系数约束条件；(6)根据步骤(4)所得上、下行次级子波束性能参数、步骤(5)中上行、下行波束形成网络拓扑结构，以覆盖区波束性能为目标，对波束形成网络的激励系数进行优化，完成波束形成网络设计。2.根据权利要求1所述的一种星载多馈源合成多波束天线波束优化设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中，通过波束合成方式、波束排布、波束复用方式选择以减少合成波束数量并保证覆盖区域内波束性能。3.根据权利要求1所述的一种星载多馈源合成多波束天线波束优化设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述天线的配置参数根据馈电单元的口径包络Rf及反射器参数共同确定，所述馈源阵中，馈电单元蜂窝排布且外包络相切，馈电单元口径范围为32～40mm，反射器的口径D、焦距F、偏置距离H优化满足任务指标需求中合成波束与子波束的波束宽度、波束间距要求。4.根据权利要求3所述的一种星载多馈源合成多波束天线波束优化设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中，馈电单元设计需满足口径包络Rf要求，光壁赋形喇叭以上行、下行频段内口径效率、交叉极化电平、回波损耗、喇叭纵向长度为优化设计目标，双频双圆极化耦合器为两臂耦合结构，以端口隔离度、回波损耗为优化设计目标以实现上行、下行左右旋圆极化。5.根据权利要求4所述的一种星载多馈源合成多波束天线波束优化设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中，计算上、下行次级子波束性能参数需满足的计算条件如下：(a)所述子波束排布为蜂窝排布、波束间距满足任务指标需求；(b)子波束的交叠电平下行范围为3.0～4.5dB，上行范围为9.0～10.5dB。
6.根据权利要求5所述的一种星载多馈源合成多波束天线波束优化设计方法，其特征在于：所述步骤(5)中，网络拓扑结构的构建根据：(a)波束合成方式采用四馈源合成，子波束间的共用馈源数为2个；(b)上行、下行波束形成网络分层进行以提高上行、下行频段的隔离度；(c)对于波束形成网络中各波束对应的馈源采用基于波导结构的功分器进行激励系数幅度分配；(d)对于波束形成网络中各波束对应的馈源通过波导结构的非对称性对不等分功分器带入的相位差进行补偿。7.根据权利要求6所述的一种星载多馈源合成多波束天线波束优化设计方法，其特征在于：所述步骤(6)中，完成波束形成网络设计的具体步骤如下：(6
‑
1)将覆盖区所有合成波束对应的子波束对应的激励系数定义为优化变量X；(6
‑
2)确定优化变量X后，根据覆盖区范围布置各个合成波束的观测站点，定义观测变量Y；(6
‑
3)基于波束形成网络的拓扑结构约束，进行优化变量...

【专利技术属性】
技术研发人员：张龙，张卫兵，成克伟，薛兆璇，施锦文，丁伟，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：