專利名稱：整形反射器多波束天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及天線，特別地，涉及整形反射器多波束天線的設(shè)計。
背景能夠在各個方向上產(chǎn)生獨立的波束、同時波束能夠在天線內(nèi)的表面上重疊或者重新使用的天線，長久以來一直是天線研究應(yīng)用領(lǐng)域的一個目標。關(guān)于這方面研究的一類天線就是具有饋源陣列(arrayof feed)的反射器天線，其中一個饋源(feed)用于每一個波束。這種天線能夠在有限的方向范圍內(nèi)產(chǎn)生高增益、低旁瓣的波束。人們已經(jīng)做了大量的工作來確定特殊反射器構(gòu)型的多波束性能或者優(yōu)化反射器表面的尺寸和形狀以產(chǎn)生理想的波束群。
1981年11月3日授予Sletten，C.J.的美國專利No.4,298,877，標題為“利用特殊整形反射器表面的偏移饋給多波束跟蹤系統(tǒng)”(Offset-fed multibeam tracking system utilizing especially shapedreflector surfaces)，描述了一種反射器整形處理過程。這一反射器整形處理過程僅涉及兩個波束方向。該天線使用兩個分離的副反射器，一個用于每一個波束，且波束的方向與饋源和副反射器偏移在同一平面內(nèi)。在整形過程中，主反射器和其中一個副反射器首先整形以獲得均勻相、低輻射圖旁瓣和最大口徑效率或波束增益的口徑分布。然后第二副反射器整形作為相校正副反射器以產(chǎn)生第二波束。這一程序通過將附加饋源放置在兩個副反射器的焦點區(qū)域內(nèi)而產(chǎn)生了多于兩個的波束，并無須修改反射器表面的形狀。然而，這一方法在期望的應(yīng)用中，即需要大量的波束和大范圍的波束方向時，會不利地導致非常低劣的性能。特別地，隨著附加饋源的加入，最大增益會迅速下降，而旁瓣會迅速上升，因為反射器表面并沒有整形為使所有波束的性能最大化。
概述根據(jù)本發(fā)明的第一方案，提供了一種電磁學設(shè)計整形反射器多波束天線的方法。該方法包括如下步驟提供反射器和饋源的初始構(gòu)型，其中反射器用反射器整形處理過程整形，而饋源用于給定波束方向的多波束天線，該反射器整形處理過程是一個迭代優(yōu)化的處理過程以提高從給定波束方向入射到多波束天線上的光線的聚焦；優(yōu)化饋源的輻射圖；和優(yōu)化多波束天線反射器的表面形狀和尺寸。后者的優(yōu)化步驟是迭代的處理過程以獲得多波束天線波束增益輻射圖所需的上下限，并且可以執(zhí)行一次或者多次的迭代。
優(yōu)選地，反射器是一對，一個反射器稱為初級或主反射器，其由第二反射器或副反射器照射，而第二反射器又由饋源照射。
優(yōu)選地，提供步驟包括如下步驟確定波束方向和增益輻射圖的需要；規(guī)定反射器和應(yīng)用初始反射器整形處理過程；規(guī)定具有標稱設(shè)計的饋源；將饋源放置在聚焦點上；和用物理光學方法或衍射的幾何或物理理論計算多波束天線波束的增益輻射圖。
優(yōu)選地，饋源輻射圖的優(yōu)化步驟包括整形饋源輻射圖，以降低波束在多波束天線的一個或多個反射器處的溢失。
優(yōu)選地，饋源輻射圖的優(yōu)化步驟包括整形饋源輻射圖，以彌補反射器對波束形狀的變形效果(distorting effect)或提高波束在多波束天線一個或多個反射器處的旋轉(zhuǎn)對稱性。
優(yōu)選地，反射器表面形狀和尺寸的優(yōu)化步驟包括優(yōu)化反射器以提高波束在多波束天線一個或多個反射器處的旋轉(zhuǎn)對稱性或降低波束的溢失。
優(yōu)選地，該優(yōu)化步驟包括用一系列可變參量表示饋源或反射器的尺寸或形狀，并對這些參量中的一個或多個進行優(yōu)化。
優(yōu)選地，該優(yōu)化步驟包括對反射器和饋源參量進行梯度搜索，從而使增益輻射圖誤差的加權(quán)和相對于多波束天線波束增益輻射圖所需的上下限最小。
優(yōu)選地，該優(yōu)化步驟包括用物理光學方法或衍射的幾何或物理理論計算多波束天線波束的增益輻射圖。
根據(jù)本發(fā)明的第二方案，提供了一種用于電磁學設(shè)計整形反射器多波束天線的裝置。該裝置包括用于提供反射器和饋源初始構(gòu)型的裝置，其中反射器用反射器整形處理過程整形，而饋源用于給定波束方向的多波束天線，該反射器整形處理過程是一個迭代優(yōu)化的處理過程以提高從給定波束方向入射到多波束天線上的光線的聚焦；用于優(yōu)化多波束天線饋源輻射圖的裝置；和用于優(yōu)化多波束天線反射器的表面形狀和尺寸的裝置。后者的優(yōu)化步驟是一個迭代優(yōu)化的處理過程以獲得多波束天線增益輻射圖所需的上下限。
根據(jù)本發(fā)明的第三方案，提供了一種用于電磁學設(shè)計整形反射器多波束天線的計算機程序產(chǎn)品，其具有記錄了程序的計算機可讀的介質(zhì)。該計算機程序產(chǎn)品包括用于提供反射器和饋源初始構(gòu)型的計算機程序編碼模塊，其中反射器用反射器整形處理過程整形，而饋源用于給定波束方向的多波束天線，該反射器整形處理過程是一個迭代優(yōu)化的處理過程以提高從給定波束方向入射到多波束天線上的光線的聚焦；用于優(yōu)化多波束天線饋源輻射圖的計算機程序編碼模塊；和用于優(yōu)化多波束天線反射器的表面形狀和尺寸的計算機程序編碼模塊。后者的優(yōu)化步驟是一個迭代優(yōu)化的處理過程以獲得多波束天線增益輻射圖所需的上下限。
附圖簡述下文將參考附圖對本發(fā)明的實施例進行說明，其中

圖1是雙反射器多波束天線的框圖，用其可以實施本發(fā)明的實施例；圖2A和2B是分別圖解單波束和多波束雙反射器天線中溢失的框圖3A是多波束天線初始設(shè)計的+18°波束在10.7GHz下其反射器上接收模式射線的簡圖；圖3B是多波束天線初始設(shè)計的+18°波束在10.7GHz下其輻射模式反射器照射的簡圖，其中等高線相對于最大照射的能量密度為-3、-10和-20dB；圖4(a)-4(f)是圖解多波束反射器天線饋源的簡圖，其分別包括(a)旋轉(zhuǎn)對稱性喇叭，(b)橢圓口徑喇叭，(c)透鏡校正喇叭，(d)具有波導饋源的整形反射器，(e)單反射器潛望鏡和(f)雙反射器潛望鏡；圖5是多波束天線最終設(shè)計的+18°波束在10.7GHz下其反射器照射的簡圖，其中等高線相對于最大照射的能量密度為-3、-10和-20dB；圖6是圖解根據(jù)本發(fā)明實施例的多波束天線設(shè)計程序的流程圖；圖7是多波束天線喇叭饋源輪廓的簡圖；和圖8是多波束天線喇叭饋源輻射圖的簡圖；和圖9是電磁學設(shè)計整形反射器多波束天線方法的流程圖。
發(fā)明詳述本文公開了用于電磁學設(shè)計整形反射器多波束天線的方法、裝置和計算機程序產(chǎn)品。在隨后的說明中，提出了許多特殊的細節(jié)。然而根據(jù)本發(fā)明，對于熟悉本技術(shù)的人而言，顯然可以對實施例加以改變而并不背離本發(fā)明的范圍和精神。特別地，該方法、裝置和計算機程序產(chǎn)品尋求使旁瓣最小化并降低溢失，特別是主反射器后的溢失，從而提高多波束天線的整體性能。這使得能夠更好地控制波束的對稱性、聚焦和輻射圖。
1.介紹整形反射器多波束天線的設(shè)計目標是比先前所考慮的具有更多的波束和更苛刻的輻射圖要求。這便導致出現(xiàn)了新的天線性能、更多的關(guān)于這類天線輻射圖性能的知識和改進的設(shè)計技術(shù)。
圖9是電磁學設(shè)計整形反射器多波束天線方法900的流程圖。處理過程從步驟910開始。在步驟912，提供反射器和饋源的初始構(gòu)型，其中反射器用反射器整形處理過程整形，而饋源用于給定波束方向的多波束天線。該反射器整形處理過程是一個迭代優(yōu)化的處理過程以提高從給定波束方向入射到多波束天線上的光線的聚焦。在步驟914，優(yōu)化饋源的輻射圖。在步驟916，優(yōu)化多波束天線反射器的表面形狀和尺寸。優(yōu)化步驟914和916都是迭代的處理過程以獲得多波束天線波束增益輻射圖所需的上下限，并且可以執(zhí)行一次或者多次的迭代。處理過程在步驟918結(jié)束。方法900進一步的細節(jié)將在下文進行說明。
2.天線和應(yīng)用概念圖1圖解了具有多個饋源130A-130D的雙反射器多波束天線100，每個饋源產(chǎn)生相應(yīng)的波束140A-140D。全部四個波束140A-140D使用了主反射器110表面112的大部分，且鄰近的波束在副反射器120的表面上部分重疊122A-122D。重疊部分122A-122D的尺寸隨著波束方向范圍的增加而增加。盡管圖1顯示了四個波束，但對于熟悉本技術(shù)的人而言，鑒于本公開，顯然可以實現(xiàn)其它的波束數(shù)目。
為了在波束方向上較大的一維區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生多個波束，特別是為了能夠基于地球使用沿著對地靜止弧的臨近部分運行的通訊衛(wèi)星，本發(fā)明的實施例使用了如圖1所示的緊湊構(gòu)型。在圖1中，波束140A-140D的方向位于與副反射器120從主波束軸偏移方向相垂直的平面內(nèi)。
3.初始構(gòu)型及其限制初始反射器整形處理過程和饋源的初始規(guī)定得到了多波束天線的初始構(gòu)型。圖6是圖解多波束天線設(shè)計處理過程600的流程圖。處理過程從步驟610開始。在步驟612中通過迭代優(yōu)化過程初始規(guī)定了反射器110和120的表面形狀，其目的在于使從所需波束方向入射到多波束天線上的光線的聚焦最大化。在1985年的IEEE天線和傳播協(xié)會國際討論會(IEEE Antennas and Propagation SocietyInternational Symposium)第357-360頁，Albertsen，N.Chr.，Pontoppidan，K.和S rsensen，S.B.通過相互參照合編而成的題為“用于改進掃描性能的雙反射器天線的整形”(Shaping of dual reflectorantennas for improvement of scan performance)一文中，提出了一種反射器整形程序。在步驟612中使用了前述的反射器整形程序或處理過程，以獲得圖6中處理過程的起始點。
Albertsen等提出的多波束雙反射器反射器整形技術(shù)，參考上面與步驟612有關(guān)的部分，首先使用梯度搜索來尋找使均方根(rms)誤差最小的反射器表面形狀，通過它兩個反射器將每組沿著理想波束方向系列內(nèi)的方向入射到主反射器上的平行光線聚焦在焦點上。然后將饋源放置在焦點上，并用物理光學方法進行輻射圖分析以預(yù)測波束的輻射圖。這一簡單的方法在許多情況下都產(chǎn)生了令人印象深刻的結(jié)果；見1987年的Electronics Letters第23卷第15期789-791頁，Hay，S.G.的題為“改進卡塞格倫天線多波束性能的副反射器整形”(Subreflector shaping to improve the multiple-beam performance ofCassegrain antennas)；1987年的Electronics Letters第23卷第17期888-890頁，Hay，S.G.的題為“使用圓對稱性主反射器的偏移雙反射器多波束天線”(Offset dual-reflector multiple-beam antennasusing circularly symmetric main reflectors)；和1990年的Electronics Letters第26卷第4期228-230頁，Bird，T.S.和Sprey，M.A.的題為“用于多衛(wèi)星訪問的整形雙反射器天線的掃描限制”(scan limitations of shaped dual-reflector antennas for multiplesatellite access)等文獻。結(jié)果波束的最大增益比用那些未經(jīng)優(yōu)化的反射器表面所獲得的要大得多。
在步驟614，初始規(guī)定了多波束的饋源。多波束天線的饋源可以初始規(guī)定為旋轉(zhuǎn)對稱的具有線性或正弦平方輪廓的波紋喇叭。在Peter Prergrinus有限公司(倫敦)1984年出版的Clarricoats，P.J.B.和Olver，A.D.的題為“用于微波天線的波紋喇叭”(Corrugatedhorns for microwave antennas)一書中對這種喇叭進行了說明，其在步驟614中使用。
在步驟616，用物理光學方法和衍射的物理理論計算多波束天線初始構(gòu)型的波束輻射圖。然后在判定步驟618中，將所計算的輻射圖與應(yīng)用的要求作比較以確定設(shè)計的適宜性。在上面提到的物理光學輻射圖分析中，包括溢失波瓣的完全分析需要總和三個方面由饋源自身引起的、由副反射器電流引起的和由主反射器電流引起的。這一性能用商業(yè)上可以得到的軟件在一定時間內(nèi)可以實現(xiàn)，其在1993年的TICRA Engineering Consultants S-359-03，Pontoppidan，K.的題為“GRASP7和GRASPC技術(shù)說明”(Technical description ofGRASP7 and GRASPC)一文中有所說明。物理光學軟件通過附加衍射的物理理論而得到了擴展，其提高了邊緣衍射預(yù)測的精度，見牛津科學出版社(Oxford Science Publications)出版的“1996-1999年U.R.S.I.無線電科學回顧”(Review of Radio Science 1996-1999，U.R.S.I.)一書第81-117頁，Bird，T.S.和James，G.L.的題為“20世紀90年代反射器天線與饋源系統(tǒng)的設(shè)計與實踐”(Designand Practice of Reflector Antennas and Feed Systems in the 1990s)一文?，F(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出了能夠自動運行分析程序處理的附加軟件和附加場部件，見2000年8月21-25日在日本福岡召開的“進程2000天線與傳播國際討論會“(Proc.2000 Int.Symposium on Antennas&Propagat.)第49-52頁，G.C.James，T.S.Bird，S.G.Hay，F(xiàn).R.Cooray和C.Granet的題為“用于衛(wèi)星應(yīng)用的反射器與饋源天線的混合分析方法”(A hybrid method of analysing reflector and feed antennasfor satellite applications)一文。
多波束天線波束輻射圖的要求可以采用各種形式。對于衛(wèi)星通訊中地球站的應(yīng)用，要求的通常形式包括覆蓋一定頻率范圍的波束增益輻射圖共極化(co-polarized)和交叉極化(cross-polarized)分量的上下限。為了獲得足夠的信號強度，該界限包括每個波束在其理想方向內(nèi)的共極化增益的下限，并且為了允許獨立使用正交極化，通常要給每個波束主波瓣子集的交叉極化增益設(shè)置上限。為了與其它系統(tǒng)隔離開，規(guī)定波束旁瓣的上限，例如 其中，G是總增益(也就是共極化與交叉極化的總和)，以dBi表示，θ是偏離波束軸的角度度數(shù)。也為天線噪音溫度設(shè)置上限，其采用天線增益圖與環(huán)境溫度定向分布乘積的積分形式。關(guān)于后者分布的明確位點數(shù)據(jù)還不能夠獲得，但能夠采用近似的模型，為設(shè)計目標給出有用的估計，如在1980年的IEE Proceedings，Part H第127卷第1期52-53頁，James，G.L.的題為“輻射圖和整形雙反射器天線G/T分析”(Analysis of radiation pattern and G/T for shaped dual-reflector antennas)一文中所說明的。
如果所有的旁瓣都需要處于上述形式的包絡(luò)內(nèi)，那么分別位于圖2A和2B的單波束和多波束雙反射器天線200，240的輻射圖之間會存在顯著的差異。在圖2A和2B中，箭頭202和282分別表示天線200和240的波束方向。如圖2B所圖解的，在多波束實例240中，饋源輻射270的一些旁瓣會被大副反射器250反射回來，并且可能通過主反射器260的邊緣溢出到280而進入到旁瓣包絡(luò)非常嚴厲的輻射圖區(qū)域內(nèi)。對比地，在圖2A的單波束實例200中，該來自于饋源230的輻射可允許通過副反射器210的邊緣溢出232而進入旁瓣包絡(luò)較不苛刻的區(qū)域內(nèi)。對于給定的饋源輻射圖和副反射器，多波束天線240的這些背面溢出波瓣僅能通過將主反射器260的尺寸增加到超過足以滿足所有其它需要的尺寸才會降低。這種增加會影響天線240的成本。
圖3A和3B圖解了上文所說明的設(shè)計方法在波束方向范圍為+/-20°時的應(yīng)用。這產(chǎn)生了不尋常的副反射器表面，即表面為部分的鞍形面。圖3A中顯示了對于18℃偏離軸線的波束接收模式射線與主、副反射器的相交點。該技術(shù)有效地將所有從所規(guī)定的+/-20°波束方向的范圍內(nèi)入射到主反射器上的平行射線組引入到焦點上，但是隨著射線組會聚在焦點，射線組的旋轉(zhuǎn)對稱性顯著喪失。結(jié)果如圖3B所示，當用通常的旋轉(zhuǎn)對稱性喇叭饋源照射反射器時，物理光學分析的結(jié)果顯示，天線具有主反射器的高度的橢圓照射，而主反射器后面的區(qū)域則或者照射效率低或者溢出波瓣高。后者的效果增加了前文所述的溢出波瓣。而且在遠場內(nèi)，主波束具有橢圓的剖面，而主軸位于波束方向的平面內(nèi)，這減小了具有給定最大增益的鄰近波束的最小間距。
在這種天線中，主反射器照射的改進可以通過各種方法實現(xiàn)。一個方法是簡單地減小所規(guī)定的天線波束方向的范圍，并使用大量的這類天線來獲得所需的總波束覆蓋度。人們已經(jīng)考慮了用多個多波束天線之間優(yōu)化分割所需的波束覆蓋度的問題，但還需要通過參考波束旋轉(zhuǎn)對稱性的損失效應(yīng)進行進一步的分析。另一個方法是優(yōu)化饋源的輻射圖或反射器的表面尺寸和形狀。
4.饋源輻射圖的優(yōu)化另一種改進主反射器照射的方法是用如下的饋源代替旋轉(zhuǎn)對稱性饋源，即其輻射圖整形為能夠補償副反射器的變形效應(yīng)。圖4(a)-4(f)分別圖解了可能的饋源結(jié)構(gòu)410-460的范圍。整形口徑喇叭410是一種可能，而用于此目的的橢圓口徑喇叭420的使用在先前已經(jīng)提出，見1984年IEEE天線與傳播協(xié)會國際討論會(IEEEAntennas and Propagation Society International Symposium)第474-477頁，Sletten C.J.和Carrillo，S.E.的題為“掃描多波束通訊天線”(Scanning multibeam communication antennas)一文。圖4(c)顯示了透鏡校正喇叭430。該喇叭可以用鋁鑄件機械加工而成，且通過分析天線的聚焦區(qū)域場能夠獲得一些對最佳口徑形狀的認識。矩形口徑喇叭能夠用標準鋁板機械加工而成，該方法經(jīng)常用于制造饋源系統(tǒng)的波紋波導起偏器。另一種可能的饋源是小偏移饋給反射器440，其中對反射器的表面進行整形從而能夠產(chǎn)生整形輻射圖以提高主反射器的照射。該選擇可以提供額外的優(yōu)勢，即成本較低。這一概念的一個擴展就是潛望鏡饋源或喇叭反射器天線450，460，其在使饋源輻射圖旁瓣最小化方面或在其機械設(shè)計方面具有更多的優(yōu)勢。
在本發(fā)明的實施例中，旋轉(zhuǎn)對稱性波紋喇叭饋源輪廓的最佳整形已經(jīng)用于減少整個所需工作頻率范圍內(nèi)的溢出旁瓣。該輪廓用少量的參量表示，并采用梯度搜索使偏離軸線角度大于規(guī)定值的喇叭輻射圖的最大增益最小化。該處理過程在2002年加拿大蒙特利爾召開的“ANTEM 2000第9屆天線技術(shù)與應(yīng)用電磁學國際討論會”(ANTEM 2002，9th International Symposium on AntennaTechnology and Applied Electromagnetics)第307-310頁，Granet，C.和Bird，T.S.的題為“通過樣條輪廓優(yōu)化波紋喇叭輻射圖”(Optimization of corrugated horn radiation patterns via a spline-profile)一文中有所說明。圖7圖解了在特殊情況中發(fā)現(xiàn)的最佳輪廓和相應(yīng)的輻射圖，該情況中最小旁瓣區(qū)域偏離軸線的角度為11°。圖8對該最大旁瓣水平與用喇叭長度和口徑直徑相同但使用先前推薦輪廓(包括線性和正弦平方類型)的波紋喇叭所獲得的最大旁瓣水平進行了比較。該經(jīng)過優(yōu)化的輪廓在多波束天線主反射器后面的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了更低的輻射圖旁瓣和更低的溢出波瓣。
5.反射器優(yōu)化另外一種改進天線性能的方法是通過使用更有效的反射器優(yōu)化技術(shù)。Albertsen等的反射器整形技術(shù)(參考上文)使象差最小化但未考慮照射，且結(jié)果代表某些改進的小象差可以通過應(yīng)用如下程序而獲得，即直接參考輻射圖的要求并允許在待發(fā)現(xiàn)的象差與照射之間進行最佳的折衷。
原則上，更有效的反射器整形程序在梯度搜索最佳反射器形狀的過程中使用基于數(shù)字電流積分的物理光學輻射模式輻射圖分析。先前在CSIRO內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出了這一性能，見1992年的Esoft，CSIRODivision of Radiophysics，Hay S.G.的題為“程序DRASYS”(Program DRASYS)一文，并且已經(jīng)應(yīng)用于例如設(shè)計電波望遠鏡的雙反射器饋源，見1997年的IEEE Transactions on Antennas andPropagation第45卷1366-1373頁，Granet，C.，James，G.L.和Pezzani，J.的題為“一種新的用于Nancay電波望遠鏡的雙反射器饋源系統(tǒng)”(A new dual-reflector feed system for the Nancayradiotelescope)一文。然而，該方法的計算負擔很大從而阻止了其在如下多波束天線中的應(yīng)用，即反射器相對于波長較大且大量波束的輻射圖必須在每一步迭代處理過程中都進行估計。
物理光學輻射模式輻射圖分析能夠用以反射器表面接收和輻射模式場的校正為基礎(chǔ)的等價分析來代替，見Peter Prergrinus有限公司(倫敦)1980年出版的Wood P.J.的題為“反射器天線的分析與設(shè)計”(Reflector antenna analysis and design)一書的第86-93頁。衍射的幾何理論能夠用于快速計算大量頻率下的接收模式場，其先前已經(jīng)提出并用作優(yōu)化單波束反射器表面形狀的基礎(chǔ)，見1977年的Proceedings of the IEEE第65卷1470-1504頁，Clarricoats P.J.B和Poulton，G.T.的題為“高效微波反射器天線——綜述”(Highefficiency microwave reflector antennas-A review)一文。該方法也用于發(fā)現(xiàn)陣列饋源的波束成型激勵，見1982年的IEE Proceedings，Part H第129卷第6期293-298頁，Bird，T.S.的題為“通過場校正用于陣列饋給反射器天線的成形波束的合成”(Contoured-beamsynthesis for array-fed reflector antennas by field correlation)一文。一個接收模式場用于輻射圖中的每一個點，所以在有限數(shù)目個臨界方向內(nèi)的、特別是在主波瓣周圍和溢出旁瓣前后的圖形，能夠比在輻射模式物理光學分析中迅速得多地進行估計。這一方法已經(jīng)用作梯度搜索滿足多波束天線各種波束輻射圖包絡(luò)要求的反射器形狀的基礎(chǔ)。快速分析還允許反射器的尺寸和邊緣的形狀隨著需要而加以改變，從而獲得滿意的設(shè)計。該程序可以用某些技術(shù)和假設(shè)而加以簡化，隨后用物理光學和衍射的物理理論進行的分析而加以檢驗。數(shù)學描述將在下文的第8部分中給出。
圖5圖解了通過應(yīng)用新程序而獲得的改進設(shè)計。圖5顯示改進后設(shè)計的波束比圖3B所示的初始設(shè)計的波束具有更大的旋轉(zhuǎn)對稱性等級。反射器尺寸的些許增加也使得改進后設(shè)計的溢出旁瓣減少到可以接受的水平。
6.流程6顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例的設(shè)計處理過程600的流程圖。該處理過程的目的在于控制多波束天線內(nèi)每一個波束的聚焦和對稱性。處理過程從步驟610開始。在步驟612規(guī)定了卡塞格侖反射器并且將Albertswen等的初始反射器整形處理過程(參考上文)應(yīng)用在這些反射器上。步驟612包括確定多波束天線波束的波束方向和增益輻射圖的應(yīng)用要求的處理過程。在步驟614，規(guī)定用于多波束天線設(shè)計的初始饋源。也就是說，選擇具有標稱設(shè)計的具體的饋源。在步驟616，計算多波束天線初始設(shè)計的波束增益輻射圖。
在判定區(qū)618，進行檢測以確定初始設(shè)計是否滿足了多波束天線的所有需求。如果判定區(qū)618返回值為真(是)，則處理過程在步驟624結(jié)束。否則，如果判定區(qū)618的返回值為假(否)，則處理過程繼續(xù)進行到步驟620。在步驟620中，對饋源輻射圖進行優(yōu)化以控制多波束天線的反射器照射。在本發(fā)明的實施例中，對喇叭饋源的輪廓進行優(yōu)化以減少旁瓣，從而調(diào)節(jié)多波束天線反射器的照射。圖7圖解了三種喇叭饋源的輪廓，包括根據(jù)本發(fā)明實施例的優(yōu)化喇叭輪廓。在步驟622中，對反射器的表面形狀和尺寸進行優(yōu)化。本發(fā)明實施例中的這一處理過程的細節(jié)在表1中進行了說明。盡管已經(jīng)顯示了步驟620和622的特殊次序，但是這些步驟的次序可以加以改變而不會背離本發(fā)明的范圍和精神。然后處理過程進行到步驟616。步驟616、618、620和622在迭代優(yōu)化處理過程中可以重復(fù)應(yīng)用以獲得滿足應(yīng)用要求的多波束天線令人滿意的設(shè)計。
例如，圖6的處理過程可以用于設(shè)計具有20個波束和饋源的多波束天線。也可以實現(xiàn)其它數(shù)目的波束和饋源而不會背離本發(fā)明的范圍和精神。
7.特殊天線設(shè)計根據(jù)本發(fā)明的實施例，為了使地球站能夠使用位于對地靜止軌道內(nèi)的通訊衛(wèi)星，設(shè)計了多波束雙反射器天線。天線在Ku帶工作，該處它在38°的視場范圍內(nèi)產(chǎn)生了最多達20個的波束，最小間距為2°。所有波束都具有超過50dBi的最大增益，小于-30dB的交叉極化和處于嚴厲包絡(luò)的旁瓣，這允許該天線既能夠以輻射模式也能夠以接收模式工作。
先前工作中使用的設(shè)計方法，在此情況中發(fā)現(xiàn)會產(chǎn)生具有不可接受的高溢出旁瓣的設(shè)計。根據(jù)圖6所示的本發(fā)明實施例，這些波瓣降低到了可以接受的水平，這是通過增加反射器的尺寸、整形反射器的表面以改善波束的旋轉(zhuǎn)對稱性和整形喇叭饋源的輪廓以降低饋源輻射圖中的旁瓣而實現(xiàn)的。對于反射器整形，基于利用衍射幾何理論(GTD)的接收模式分析的技術(shù)給該設(shè)計提供了一些改進，然而基于利用物理光學或GTD的輻射模式分析的技術(shù)，其使用會分別由于計算負擔和幾何光學(GO)的苛刻性而受到限制。
8.反射器整形程序圖6給出了用于設(shè)計多波束天線的處理過程的流程圖。該反射器整形程序的擴展將在下文進行說明。
天線的增益圖可以用天線在自由空間中產(chǎn)生的場來定義，如在天線處于靜止的坐標系統(tǒng)中所見到的。在該系統(tǒng)中，以r、θ、為點P的球坐標。如果r較大，那么P處的場采取如下的形式E1=e-jkrrK1,K1·r^=0]]>
H1=1ηr^×E1]]>其中，E1和H1分別是場的電分量和磁分量，矢量K1獨立于r，但依賴于θ和，η和k分別是自由空間的阻抗和波數(shù)。場的能量密度由下給出S1=12R{E1×H1*}]]>=r^1r212η|K1|2]]>且天線的增益圖定義為G1=1imr→∞|S1|P1/(4πr2)]]>=|F1|2]]>F1=4π2ηP1K1]]>其中P1是場源的功率。共、交叉極化增益圖可以定義為G1co=|F1·F^co|2]]>G1corss=|F1·F^cross|2]]>其中 和 是單位矢量，彼此正交并與 正交，代表了場的正交極化。增益圖G1等于G1co與G1corss的總和。
對于多波束天線，為每個波束或者場定義增益圖，該場是通過對每個饋源進行輸入同時所有其它饋源的端口都終接于匹配負載而產(chǎn)生的。天線的要求包括共極化增益的下限，其在所需的波束方向內(nèi)，交叉極化增益的上限，其在相應(yīng)共極化增益處于其峰1dB內(nèi)的區(qū)域內(nèi)，和總增益(即共極化和交叉極化的總和)的上限，其在偏離共極化峰大于1°的旁瓣區(qū)域內(nèi)。利用梯度搜索改變反射器表面的形狀來減小加權(quán)增益圖誤差的總和，并以試錯法(trial-and-error)的方式增加反射器的尺寸，便可以重復(fù)獲得令人滿意的設(shè)計。在梯度搜索中，增益圖僅在有限數(shù)目的方向內(nèi)加以計算，即在每個波束的主波瓣和前后溢出波瓣的附近。
為計算增益圖，場分量 用入射平面波在天線內(nèi)或周圍產(chǎn)生的場E1，H1和場E2，H2的聯(lián)合來表達
E2,i=F^2ejkr·r^]]>H2,i=-1ηr^×E2,i]]>在聯(lián)合積分中，表面S可以是任何包圍場E1，H1的源的封閉表面，而dS是S的法線并指向S的外部。也可以選擇采用場E2，H2作為，當S內(nèi)其任何分量消失后，平面波入射到天線上時所產(chǎn)生的場。原因是E2，H2兩種形式之間的差異是能夠用根據(jù)S內(nèi)的等價源代表的場，且當它們的源位于S的同一側(cè)，任何兩個場的聯(lián)合都是零。類似地，場E1，H1可以用S外無其任何組件的天線所輻射的場來代替。
表面S用于包圍饋源和副反射器，但不包圍主反射器。接收模式的場E2，H2用作由入射平面波和主反射器自身所產(chǎn)生的場，而輻射模式的場E1，H1用作由饋源入射場和副反射器自身所產(chǎn)生的場。這些場用衍射的幾何理論由其已知的入射分量計算而得，見PeterPeregrinus有限公司(倫敦)1986年出版的James，G.L.的題為“電磁波衍射的幾何理論”(Geometrical theory of diffraction forelectromagnetic waves)一書。這樣(E2，H2)＝U2，i(E2，i，H2，i)+(E2，r，H2，r)+(E2，d，H2，d)且(E1，H1)＝U1，i(E1，i，H1，i)+(E1，r，H1，r)+(E1，d，H1，d)其中，下標i，r和d分別表示場的入射、反射和邊緣衍射分量；如果沿著 方向從場點到無限遠的射線與主反射器相交，則系數(shù)U2，i為0，否則為1；如果從場點到饋源相中心的射線與副反射器相交，則系數(shù)U1，i為0，否則為1。
當入射平面波E2，I，H2，i從前半球傳來時，入射平面波存在于S上的所有點，且其與輻射模式場的聯(lián)合再現(xiàn)了副反射器和饋源的輻射圖。這一分量要分離地加以計算。當入射平面波從后半球傳來時，入射平面波保留在聯(lián)合積分所需要的位置處，且反射場分量在S上為0。這樣K1·F^2=rejkr(U1,iE1,i+E1,d)+2jkη4π∫S2((E2,r+E2,d)×H1,i)·dS2--z≥0]]>
=2jkη4π∫S2((E2,iE2,i+E2,d)×H1,i)·dS2---z<0]]>其中，S2是副反射器的表面，且S2處所使用的物理光學近似值H1，d＝0。
為了消除對主反射器上的反射點進行二維數(shù)字搜索的需要，涉及反射場的聯(lián)合積分用該反射器上的點進行估計。這樣∫S2(E2,r×H1,i)·dS2=∫S1(E2,r2×H1,i)·dS2|dS2||E2,r1|2cosθ1|E2,r2|2cosθ2U2,r|dS1|]]>其中，S1是主反射器的表面，下標1和2分別表示在主反射器和副反射器處的估計量，θ是主反射器的反射線與反射器表面的法線之間的夾角，且如果反射線與副反射器相交，則U2，r為1，否則為0。當U2，r為1時，反射線與副反射器相交的點能夠通過使用牛頓方法的一維搜索而發(fā)現(xiàn)。這種搜索也用于確定邊緣衍射場的邊緣衍射點。
兩個反射器表面都用z＝f(x，y)(x，y)∈A形式的等式加以規(guī)定，其中x，y，z是空間中點的直角坐標，A是凸多邊形，而函數(shù)f是表示二次曲面和雙三次樣條的函數(shù)的和。改變樣條的參量能夠優(yōu)化反射器的形狀。為了估計反射和邊緣衍射場，必須知道它們各自波陣面的主曲率。這些曲率用反射器表面特定的法線曲率和反射器邊緣的矢量曲率表示，見Peter Peregrinus有限公司(倫敦)1986年出版的James，G.L.的題為“電磁波衍射的幾何理論”(Geometrical theoryof diffraction for electromagnetic waves)一書。反射器曲率的表達式能夠得自于普通的公式，或者波陣面曲率的最終結(jié)果能夠直接通過求射線同余式(congruences)的微分而得到，見劍橋大學出版社1961年出版的Weatherburn，C.E.的題為“三維衍射幾何學”(Differentialgeometry of three dimensions)一書。主反射器表面處反射場的主曲率半徑ρ1，ρ2能夠由下得出ρ1ρ2=(1+fx2+fy2)24(fxxfyy-fxy2)]]>
ρ1+ρ2=(1+fx2+fy2)1/22r^·n^fyy[1+fx2-(r^·ex)2]+fxx[1+fy2-(r^·ey)2]-2fxy[fxfy-(r^·ex)(r^·ey)](fxxfyy-fxy2)]]>其中，ex=x^+fxz^]]>ey=y^+fyz^]]>且n^=(-x^fx-y^fy+z^)/(1+fx2+fy2)1/2]]>是與反射器表面垂直的單位矢量。在這些等式中，f是表示主反射器表面的函數(shù)，而f的下標表示通常方法中的偏導數(shù)。反射器邊緣的矢量曲率κ可以由下獲得κ=δx2fxx+δy2fyy+2δxδyfxyδx2+δy2+(δxfx+δyfy)2(z^-z^·t^t^)]]>t^=[δxx^+δyy^+(δxfx+δyfy)z^]/[δx2+δy2+(δxfx+δyfy)2]1/2]]>是與邊緣相切的單位矢量且δx＝x2-x1，δy＝y(tǒng)2-y1，其中(x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)是所考慮邊緣的兩個終點。
估計各個陰影系數(shù)U1，i、U2，i、U2，r的問題就是確定給定的射線(x0，y0，z0)+t(sx，sz，sz)t＞0是否與形體z＝f(x，y)(x，y)∈A的表面相交的問題，其中f是給定凸區(qū)域A上的給定函數(shù)。假定至多有一個相交點。根據(jù)此假設(shè)，當且僅當如下條件為真時，射線與表面相交。
(a) 射線與z軸平行，(x0，y0)∈A且f(x0，y0)-z0與sz的符號相同(b) 射線與圓柱體表面(x，y)∈A僅相交于一點，例如(x1，y1，z1)，且f(x1，y1)-z1與f(x0，y0)-z0的符號相反(c) 射線與圓柱體相交于兩點，例如(x1，y1，Z1)和(x2，y2，z2)，且f(x1，y1)-z1與f(x2，y2)-z2的符號相反區(qū)域A為多邊形，且射線與圓柱體表面的任何相交點通過初等分析幾何能夠容易地確定。
多波束天線的饋源位置能夠通過如Albertsen等的程序(參考上文)計算而得，使饋源相中心與由副反射器反射的接收模式射線之間的均方根距離最小化。然而，為了改進反射器的照射，需要對饋源點計算加以修改以防止饋源阻礙波束。這樣便施加了約束，使饋源點必須在規(guī)定的半空間內(nèi)。使用受此限制的、使接收模式射線的均方根距離最小化的饋源點，且其能夠由下給出p=p0-b0vt(I-M)-1v(I-M)-1v]]>p0＝(I-M)-1ub0＝(p0-l)tvu=1nΣi=1n[qi-(qits^i)s^i]]]>M=1nΣi=1ns^is^it]]>其中，qi+tis^i,ti>0,i=1,2,···n]]>是接收模式射線的同余式(congruence)，而(P-l)tv≥0是無妨礙約束。然而該程序也發(fā)現(xiàn)具有限制，由于從副反射器邊緣附近傳來的射線具有較大的誤差，所以對所計算的饋源點具有不適當?shù)挠绊?。在設(shè)計處理過程的最后階段，通過梯度搜索中的較小的改變而改進了饋源的位置。
9.計算機實現(xiàn)本發(fā)明的實施例優(yōu)選地用計算機實現(xiàn)。特別地，圖6和9的處理過程或功能性以及上面第8部分中所說明的處理過程要用軟件或計算機程序來運行計算機而實現(xiàn)。用于電磁學設(shè)計整形反射器多波束天線的方法或處理步驟可以通過軟件中的指令而實現(xiàn)，該軟件含有用計算機執(zhí)行的相關(guān)數(shù)據(jù)。模塊是通常執(zhí)行特殊功能或相關(guān)功能的計算機程序的一部分。此外，如上文所述，模塊也能夠是用于和其它組件或模塊一起使用的封裝功能性硬件單元。
在軟件方面，模塊是通常執(zhí)行特殊功能或相關(guān)功能的處理過程、程序或其一部分。該軟件可以用例如C、C++、ADA、Fortran實現(xiàn)，但是也可以用大量其它程序語言/系統(tǒng)中的任何一種或其組合而實現(xiàn)。在硬件方面，模塊是設(shè)計用于與其它組件或模塊一起使用的功能性硬件單元。例如，模塊可以用離散的電子組件實現(xiàn)，或者它能夠形成整個電子回路的一部分，這些電子回路如場可編程門陣列(FPGA)、特定用途集成電路(ASIC)和類似的回路。物理實現(xiàn)也可以包括例如FPGA的構(gòu)型數(shù)據(jù)或ASIC的設(shè)計圖。更進一步，物理實現(xiàn)的說明可以用EDIF網(wǎng)表(netlisting)語言、結(jié)構(gòu)VHDL、結(jié)構(gòu)Verilog或類似的語言。還存在大量其它的可能事物。熟悉本技術(shù)的人可以理解，系統(tǒng)也能夠作為硬件和軟件模塊的組合而實現(xiàn)。
特別地，軟件可以存儲在計算機可讀的介質(zhì)中。相關(guān)存儲設(shè)備包括軟盤、硬盤驅(qū)動器、磁性光盤驅(qū)動器、CD-ROM、磁帶或任何其它的為熟悉本技術(shù)的人所熟知的大量永久性存儲設(shè)備。軟件優(yōu)選地從計算機可讀的介質(zhì)裝載到計算機內(nèi)，然后用計算機執(zhí)行。計算機程序產(chǎn)品包括計算機可讀的介質(zhì)，該軟件或計算機程序記錄在其上面且其能夠用計算機加以執(zhí)行。計算機程序產(chǎn)品在計算機內(nèi)的使用優(yōu)選地產(chǎn)生有利的裝置，它用于根據(jù)本發(fā)明實施例的整形反射器多波束天線電磁學設(shè)計。
軟件可以編碼在CD-ROM或軟盤上，或者選擇地，能夠通過例如連接在計算機上的調(diào)制解調(diào)器設(shè)備從電子網(wǎng)絡(luò)上讀取。更進一步，軟件可以從其它計算機可讀的介質(zhì)裝載到計算機系統(tǒng)內(nèi)，該介質(zhì)包括磁帶、ROM或集成電路、磁性光盤、計算機與其它設(shè)備之間的無線電或紅外線傳輸信道、計算機可讀卡如PCMCIA卡、和包括電子郵件傳輸和記錄在站點上的信息的互聯(lián)網(wǎng)與內(nèi)聯(lián)網(wǎng)，以及類似物。前述僅僅是相關(guān)計算機可讀介質(zhì)的實例。其它的計算機可讀介質(zhì)也可以使用而不背離本發(fā)明的范圍和精神。
計算系統(tǒng)可以包括計算機、視頻顯示器和一個或多個輸入設(shè)備。例如，操作者能夠使用鍵盤和/或指示設(shè)備如鼠標(或例如觸摸板)向計算機進行輸入。計算機系統(tǒng)可以具有許多其它輸出設(shè)備中的任何一種，包括行式打印機、激光打印機、繪圖機和其它連接在計算機上的復(fù)制設(shè)備。計算機系統(tǒng)能夠通過通訊界面用適當?shù)耐ㄓ嵭诺廊缯{(diào)制解調(diào)器通訊路徑、計算機網(wǎng)絡(luò)、無線LAN或類似物與一個或更多個其它的計算機相連。計算機網(wǎng)絡(luò)可以包括例如局域網(wǎng)(LAN)、廣域網(wǎng)(WAN)、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)和/或互聯(lián)網(wǎng)。
計算機可以包括一個或多個中央處理單元(下文簡稱為處理器)、可能由隨機存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)構(gòu)成的存儲器、輸入/輸出界面、視頻界面、和一個或多個存儲設(shè)備。存儲設(shè)備可以包括如下設(shè)備中一種或多種軟盤、硬盤驅(qū)動器、磁性光盤驅(qū)動器、CD-ROM、DVD、數(shù)據(jù)卡或內(nèi)存條、磁帶或任何其它的各種為熟悉本技術(shù)的人所熟知的永久性存儲設(shè)備。出于本說明書描述的目的，存儲單元可以包括一個或多個記憶和存儲設(shè)備。
計算機的每個組件典型地通過一個或多個總線與一個或多個其它的設(shè)備相連，總線依次包括數(shù)據(jù)、尋址和控制總線。熟悉本技術(shù)的人都能夠很好地理解，計算機或其它電子計算設(shè)備如PDA或便攜式電話可以有多個總線，包括一個或多個處理器總線、存儲總線、圖形卡總線和外圍總線?？梢岳煤线m的網(wǎng)橋連接這些總線之間的通訊。盡管說明了具有處理器的系統(tǒng)，但熟悉本技術(shù)的人應(yīng)當理解，其它能夠處理數(shù)據(jù)和執(zhí)行操作的處理單元也可以使用而不背離本發(fā)明的范圍和精神。
前述的計算機系統(tǒng)僅僅是出于說明的目的而提供的，也能夠采用其它的配置而不背離本發(fā)明的范圍和精神。能夠?qū)崿F(xiàn)本實施例的計算機包括IBM-PC/AT或兼容機、PC蘋果(TM)家族中的一種、Sun Sparcstation(TM)、工作站或類似物。前述僅僅是能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明實施例的計算機類型的實例。典型地，本實施例的處理過程存儲為軟件或記錄在作為計算機可讀介質(zhì)的硬盤驅(qū)動器上的程序，其可用處理器讀取和控制。程序的中間存儲和中間數(shù)據(jù)以及從網(wǎng)絡(luò)獲取的任何數(shù)據(jù)可以用半導體存儲器實現(xiàn)。
在上文中，公開了用于電磁學設(shè)計整形反射器多波束天線的方法、裝置和計算機程序產(chǎn)品。盡管只說明了少量的實施例，但是對于熟悉本技術(shù)的人而言，顯然根據(jù)本公開能夠進行各種改變和/或修改而不背離本發(fā)明的范圍和精神。
權(quán)利要求
1.一種電磁學設(shè)計整形反射器多波束天線的方法，該方法包括如下步驟提供反射器和饋源的初始構(gòu)型，其中反射器用初始反射器整形過程整形，而饋源用于所需波束方向的多波束天線，所述反射器整形過程是一個迭代優(yōu)化過程以提高從每一個波束方向入射到該多波束天線上的光線的聚焦；優(yōu)化該饋源的輻射圖，該優(yōu)化是一個迭代過程以滿足所需的多波束天線的波束的增益輻射圖的上下界；和優(yōu)化該反射器的表面形狀和尺寸，該優(yōu)化是一個迭代過程以滿足所需的所述多波束天線的該波束的該增益輻射圖的上下界。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該反射器是一對，一個反射器為初級或主反射器，其由另一個作為副反射器的反射器照射，而副反射器由饋源照射。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中每一個饋源都包括輻射元件或與一個或多個反射器或透鏡結(jié)合的輻射元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該提供步驟包括如下步驟確定該波束方向和增益輻射圖的要求；規(guī)定該反射器并應(yīng)用該初始反射器整形過程；規(guī)定該具有標稱設(shè)計的饋源；將饋源放置在焦點；和計算該多波束天線的波束的增益輻射圖，該計算使用物理光學方法或衍射的幾何或物理理論。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該優(yōu)化饋源的輻射圖的步驟包括整形該饋源的輻射圖以降低該波束在該多波束天線一個或多個反射器處的溢失。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該優(yōu)化饋源輻射圖的步驟包括整形該饋源的輻射圖，以補償反射器在該波束形狀上的變形效果或者提高波束在多波束天線一個或多個反射器處的旋轉(zhuǎn)對稱性。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該優(yōu)化反射器表面形狀和尺寸的步驟包括優(yōu)化該反射器以提高該波束在該多波束天線一個或多個反射器處的旋轉(zhuǎn)對稱性或降低其溢失。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述各優(yōu)化步驟包括按照一系列可變參量表示該饋源或者該反射器的尺寸和形狀，并對這些參量中一個或多個進行優(yōu)化。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述各優(yōu)化步驟包括對該參量執(zhí)行梯度搜索從而使增益輻射圖誤差的加權(quán)和相對于所需的該多波束天線的波束的增益輻射圖的上下界最小化。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述各優(yōu)化步驟包括使該反射器或該饋源的尺寸最小化，同時滿足該多波束天線的增益輻射圖的要求。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中該饋源的輻射圖的優(yōu)化步驟包括如下步驟將喇叭饋源的輪廓參量化；和應(yīng)用梯度搜索使對于超過預(yù)定值的離軸角各個饋源輻射圖的最大增益最小化。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該兩個優(yōu)化步驟執(zhí)行一次或多次迭代以滿足該多波束天線的增益圖的要求。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述各優(yōu)化步驟包括計算該多波束天線以波束的增益輻射圖，該計算使用物理光學方法或衍射的幾何或物理理論。
14.一種用于電磁學設(shè)計整形反射器多波束天線的設(shè)備，該設(shè)備包括提供反射器和饋源的初始構(gòu)型的裝置，其中反射器用初始反射器整形處理過程整形，而饋源用于所需波束方向的多波束天線，該反射器整形處理過程是一個迭代優(yōu)化處理過程以提高從每一個波束方向入射到該多波束天線上的光線的聚焦；用于優(yōu)化該饋源輻射圖的裝置，該優(yōu)化是一個迭代處理過程以滿足所需的所述多波束天線的波束的增益輻射圖的上下界；和用于優(yōu)化該反射器表面形狀和尺寸的裝置，該優(yōu)化是一個迭代處理過程以滿足所需的所述多波束天線波束增益輻射圖的上下界。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中該反射器是一對，一個反射器為初級或主反射器，其由另一個作為副反射器的反射器照射，而副反射器由該饋源照射。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中每一個饋源都包括輻射元件或與一個或多個反射器或透鏡結(jié)合的輻射元件。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中該提供裝置包括用于確定波束方向和增益輻射圖要求的裝置；用于規(guī)定反射器并應(yīng)用該初始反射器整形處理過程的裝置；用于規(guī)定具有標稱設(shè)計的饋源的裝置；用于將饋源放置在焦點上的裝置；和用于計算多波束天線波束增益輻射圖的裝置，該計算裝置使用物理光學方法或衍射的幾何或物理理論。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中該優(yōu)化饋源輻射圖的裝置包括用于整形該饋源的輻射圖以降低波束在該多波束天線一個或多個反射器處的溢失的裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中該優(yōu)化饋源輻射圖的裝置包括用于整形該饋源的輻射圖，以補償反射器在該波束形狀上的變形效果或者提高波束在多波束天線一個或多個反射器處的旋轉(zhuǎn)對稱性的裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中該優(yōu)化反射器表面形狀和尺寸的裝置包括用于優(yōu)化該反射器以提高該波束在該多波束天線一個或多個反射器處的旋轉(zhuǎn)對稱性或降低其溢失的裝置。
21.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中該兩個優(yōu)化裝置每一個都包括用于按照一系列可變參量表示該饋源或者該反射器的尺寸和形狀，并對這些參量中一個或多個進行優(yōu)化的裝置。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的設(shè)備，其中該兩個優(yōu)化裝置包括對該參量執(zhí)行梯度搜索從而使增益輻射圖的誤差的加權(quán)和相對于所需的該多波束天線的波束的增益輻射圖的上下界最小化。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的設(shè)備，其中該兩個優(yōu)化裝置包括使該反射器或該饋源的尺寸最小化，同時滿足該多波束天線的增益輻射圖的要求。
24.根據(jù)權(quán)利要求21的設(shè)備，其中該饋源的輻射圖的優(yōu)化裝置包括用于將喇叭饋源輪廓參量化的裝置；和用于應(yīng)用梯度搜索使對于超過預(yù)定值的離軸角度各個饋源輻射圖的最大增益最小化的裝置。
25.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中該優(yōu)化裝置執(zhí)行一次或多次迭代以滿足該多波束天線的增益圖的要求。
26.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中該兩個優(yōu)化裝置每一個都包括用于計算該多波束天線的波束的增益輻射圖的裝置，該計算裝置使用物理光學方法或衍射的幾何或物理理論。
27.一種具有計算機可讀介質(zhì)的計算機程序產(chǎn)品，其中介質(zhì)內(nèi)有記錄了用于設(shè)計整形反射器多波束天線的計算機程序，該計算程序產(chǎn)品包括用于提供反射器和饋源的初始構(gòu)型的計算機程序編碼裝置，其中反射器用初始反射器整形處理過程整形，而饋源用于所需波束方向的多波束天線，該反射器整形處理過程是一個迭代優(yōu)化處理過程以提高從每一個波束方向入射到該多波束天線上的光線的聚焦；用于優(yōu)化該饋源輻射圖的計算機程序編碼裝置，該優(yōu)化是一個迭代處理過程以滿足所需的所述多波束天線的波束的增益輻射圖的上下界；和用于優(yōu)化該反射器表面形狀和尺寸的計算機程序編碼裝置，該優(yōu)化是一個迭代處理過程以滿足所需的所述多波束天線的波束的增益輻射圖的上下界。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的計算機程序產(chǎn)品，其中該反射器是一對，一個反射器為初級或主反射器，其由另一個作為副反射器的反射器照射，而副反射器由該饋源照射。
29.根據(jù)權(quán)利要求27的計算機程序產(chǎn)品，其中每一個饋源都包括輻射元件或與一個或多個反射器或透鏡結(jié)合的輻射元件。
30.根據(jù)權(quán)利要求27的計算機程序產(chǎn)品，其中該用于提供的計算機程序編碼裝置包括用于確定波束方向和增益輻射圖要求的計算機程序編碼裝置；用于規(guī)定反射器并應(yīng)用該初始反射器整形處理過程的計算機程序編碼裝置；用于規(guī)定具有標稱設(shè)計的饋源的計算機程序編碼裝置；用于將饋源放置在焦點上的計算機程序編碼裝置；和用于計算多波束天線波束增益輻射圖的計算機程序編碼裝置，該用于計算的計算機程序編碼裝置使用物理光學方法或衍射的幾何或物理理論。
31.根據(jù)權(quán)利要求27的計算機程序產(chǎn)品，其中該優(yōu)化饋源輻射圖的計算機程序編碼裝置包括用于整形該饋源的輻射圖以降低波束在該多波束天線一個或多個反射器處的溢失的計算機程序編碼裝置。
32.根據(jù)權(quán)利要求27的計算機程序產(chǎn)品，其中該優(yōu)化饋源輻射圖的計算機程序編碼裝置包括用于整形該饋源的輻射圖，以補償反射器在該波束形狀上的變形效果或者提高波束在多波束天線一個或多個反射器處的旋轉(zhuǎn)對稱性的計算機程序編碼裝置。
33.根據(jù)權(quán)利要求27的計算機程序產(chǎn)品，其中該優(yōu)化反射器表面形狀和尺寸的計算機程序編碼裝置包括用于優(yōu)化該反射器以提高該波束在該多波束天線一個或多個反射器處的旋轉(zhuǎn)對稱性或降低其溢失的計算機程序編碼裝置。
34.根據(jù)權(quán)利要求27的計算機程序產(chǎn)品，其中該兩個用于優(yōu)化的計算機程序編碼裝置每一個都包括用于按照一系列可變參量表示該饋源或者該反射器的尺寸和形狀，并對這些參量中一個或多個進行優(yōu)化的計算機程序編碼裝置。
35.根據(jù)權(quán)利要求34的計算機程序產(chǎn)品，其中該兩個用于優(yōu)化的計算機程序編碼裝置包括用于對該參量執(zhí)行梯度搜索從而使增益輻射圖的誤差的加權(quán)和相對于所需的該多波束天線的波束的增益輻射圖的上下界最小化的計算機程序編碼裝置。
36.根據(jù)權(quán)利要求34的計算機程序產(chǎn)品，其中該兩個用于優(yōu)化的計算機程序編碼裝置包括使該反射器或該饋源的尺寸最小化，同時滿足該多波束天線的增益輻射圖的要求的計算機程序編碼裝置。
37.根據(jù)權(quán)利要求34的計算機程序產(chǎn)品，其中該用于優(yōu)化饋源輻射圖的計算機程序編碼裝置包括用于將喇叭饋源輪廓參量化的計算機程序編碼裝置；和用于應(yīng)用梯度搜索使對于超過預(yù)定值的離軸角度各個饋源輻射圖的最大增益最小化的計算機程序編碼裝置。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的計算機程序產(chǎn)品，其中該用于優(yōu)化的計算機程序編碼裝置執(zhí)行一次或多次迭代以滿足該多波束天線的增益圖的要求。
39.根據(jù)權(quán)利要求37的計算機程序產(chǎn)品，其中該兩個用于優(yōu)化的計算機程序編碼裝置每一個都包括用于計算該多波束天線的波束的增益輻射圖的計算機程序編碼裝置，該用于計算的計算機程序編碼裝置使用物理光學方法或衍射的幾何或物理理論。
40.一種用于電磁學設(shè)計整形反射器多波束天線的裝置，該裝置包括存儲單元，其用于存儲數(shù)據(jù)和計算機程序編碼從而可以被處理單元執(zhí)行；處理單元，其與該存儲單元耦連，該處理單元用該計算程序編碼編程以便提供反射器和饋源的初始構(gòu)型，其中反射器用初始反射器整形處理過程整形，而饋源用于所需波束方向的多波束天線，該反射器整形處理過程是一個迭代優(yōu)化處理過程以提高從每一個波束方向入射到該多波束天線上的光線的聚焦；優(yōu)化該饋源的輻射圖，該優(yōu)化是一個迭代處理過程以滿足所需的所述多波束天線的波束的增益輻射圖的上下界；和優(yōu)化該反射器的表面形狀和尺寸，該優(yōu)化是一個迭代處理過程以滿足所需的所述多波束天線該波束該增益輻射圖的上下界。
41.根據(jù)權(quán)利要求40的裝置，其中該反射器是一對，一個反射器為初級或主反射器，其由另一個作為副反射器的反射器照射，而副反射器由該饋源照射。
42.根據(jù)權(quán)利要求40的裝置，其中每一個饋源都包括輻射元件或與一個或多個反射器或透鏡結(jié)合的輻射元件。
43.根據(jù)權(quán)利要求40的裝置，其中該處理單元編程為確定該波束方向和增益輻射圖的要求；規(guī)定該反射器并應(yīng)用該初始反射器整形處理過程；規(guī)定該具有標稱設(shè)計的饋源；將饋源放置在焦點；和計算該多波束天線波束的增益輻射圖，該計算使用物理光學方法或衍射的幾何或物理理論。
44.根據(jù)權(quán)利要求40的裝置，其中該饋源輻射圖的優(yōu)化包括整形該饋源的輻射圖以降低該波束在該多波束天線一個或多個反射器處的溢失。
45.根據(jù)權(quán)利要求40的裝置，其中該饋源輻射圖的優(yōu)化包括整形該饋源的輻射圖，以補償反射器在該波束形狀上的變形效果或者提高波束在多波束天線一個或多個反射器處的旋轉(zhuǎn)對稱性。
46.根據(jù)權(quán)利要求40的裝置，其中該反射器表面形狀和尺寸的優(yōu)化包括優(yōu)化該反射器以提高波束在該多波束天線一個或多個反射器處的旋轉(zhuǎn)對稱性或降低其溢失。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于電磁學設(shè)計整形反射器多波束天線(100)的方法、裝置和計算機程序產(chǎn)品。為給定波束方向的多波束天線(100)的反射器(110，120)和饋源提供了的初始構(gòu)型，反射器用初始反射器整形處理過程(612)整形，而饋源具有初始規(guī)定(614)。初始反射器整形處理過程(612)是一個迭代優(yōu)化的處理過程以提高從給定波束方向(100)入射到多波束天線上的光線的聚焦。第二迭代優(yōu)化處理過程包括優(yōu)化(620)饋源(140A－140D)的輻射圖和優(yōu)化(622)反射器(110，120)的表面形狀和尺寸，并用于降低波束溢出、改進波束形狀和獲得增益輻射圖在所需上下限內(nèi)的波束。
文檔編號H01Q13/00GK1497780SQ0316019
公開日2004年5月19日 申請日期2003年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月1日
發(fā)明者斯圖爾特·G·哈伊, 克里斯托弗·瓊－馬克·格拉特, 特雷弗·S·伯德, 馬克·A·斯普雷, 斯蒂芬·J·巴克, 安東尼·R·福塞斯, J 巴克, R 福塞斯, S 伯德, A 斯普雷, 托弗 瓊-馬克 格拉特, 斯圖爾特 G 哈伊 申請人:聯(lián)邦科學和工業(yè)研究組織