本發(fā)明涉及衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種混合賦型大軸比橢圓波束天線及其設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

在衛(wèi)星通信領(lǐng)域中，賦型雙反射面天線技術(shù)是目前研究的主流方向，這種天線可以形成橢圓波束，具有低剖面、高效率的特點。

現(xiàn)有技術(shù)中的賦型雙反射面天線主要有四種具體類型：橢圓波束雙偏置格利高里天線、高效率賦型雙偏置橢圓波束天線、橢圓波束變焦環(huán)焦天線，以及橢圓波束卡氏天線。這四種天線的共同點是采用圓對稱饋源，便于加工、成本低廉，并采用特殊賦型的副反射面使圓波束轉(zhuǎn)化成橢圓波束，無能量漏失，便于實現(xiàn)較高效率。但是，由于天線形式等固有的特點，這些天線均存在以下應(yīng)用缺陷：

1、前兩種雙偏置結(jié)構(gòu)的橢圓波束天線由于避開了副反射面的遮擋，導(dǎo)致天線縱向尺寸和橫向尺寸的增大，不利于實現(xiàn)低剖面和小型化且交叉極化性能較差。

2、變焦距橢圓波束環(huán)焦天線雖然有著優(yōu)良的駐波特性和饋源遮擋小的優(yōu)點，但由于其特殊的幾何結(jié)構(gòu)，目前只能做到1.5:1軸比的橢圓波束。

3、賦型橢圓波束卡塞格倫天線可以實現(xiàn)大軸比橢圓波束，但饋源遮擋較大，這約束了饋源的設(shè)計并減小了主反射面的反射效率，制約著天線性能的提升，且由于其幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)致駐波性能欠佳。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提出一種混合賦型大軸比橢圓波束天線及其設(shè)計方法，其能夠簡單高效地控制面和面兩平面的口面能量分布，消除饋源遮擋，實現(xiàn)高效率、低旁瓣、低駐波的低剖面大軸比橢圓波束天線。

基于上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：

一種混合賦型大軸比橢圓波束天線，其包括主反射面和副反射面，主反射面包含第一外環(huán)部分和第一內(nèi)環(huán)部分，副反射面包含第二外環(huán)部分和第二內(nèi)環(huán)部分，第一外環(huán)部分和第一內(nèi)環(huán)部分的分界線以及第二外環(huán)部分和第二內(nèi)環(huán)部分的分界線均為橢圓，第一外環(huán)部分和第二外環(huán)部分構(gòu)成橢圓賦型卡賽格倫天線結(jié)構(gòu)，第一內(nèi)環(huán)部分和第二內(nèi)環(huán)部分構(gòu)成橢圓賦型環(huán)焦天線結(jié)構(gòu)，第二外環(huán)部分和第二內(nèi)環(huán)部分在分界線處一階連續(xù)。

此外，本發(fā)明還提供一種上述混合賦型大軸比橢圓波束天線的設(shè)計方法，其包括以下步驟：

(1)在短軸平面內(nèi)設(shè)計主反射面和副反射面的第一組母線，第一組母線包含外環(huán)部分的卡賽格倫結(jié)構(gòu)曲線以及內(nèi)環(huán)部分的環(huán)焦結(jié)構(gòu)曲線；

(2)在長軸平面內(nèi)設(shè)計主反射面和副反射面的第二組母線，第二組母線包含外環(huán)部分的卡賽格倫結(jié)構(gòu)曲線以及內(nèi)環(huán)部分的環(huán)焦結(jié)構(gòu)曲線，第二組母線中的環(huán)焦結(jié)構(gòu)曲線的頂點與第一組母線中的環(huán)焦結(jié)構(gòu)曲線的頂點重合；

(3)根據(jù)第一組母線和第二組母線構(gòu)造不同的過渡函數(shù)，并使過渡函數(shù)在短軸平面和長軸平面處的導(dǎo)數(shù)為零；

(4)根據(jù)過渡函數(shù)計算出所有面的副反射面坐標(biāo)，進而得到整個副反射面的曲面；

(5)根據(jù)反射定律和等光程原理獲得整個主反射面的曲面。

可選的，上述步驟(1)和步驟(2)中設(shè)計母線的具體方式為：

(x01)確定外環(huán)部分主反射面直徑、外環(huán)部分副反射面直徑、饋源照射角度、內(nèi)環(huán)最大照射角以及外環(huán)部分焦徑比；

(x02)根據(jù)饋源的輻射方向圖和指標(biāo)需求選取口面場；

(x03)應(yīng)用卡塞格倫天線的賦型方法計算得到外環(huán)部分的卡賽格倫結(jié)構(gòu)曲線；

(x04)根據(jù)卡賽格倫結(jié)構(gòu)曲線和環(huán)焦結(jié)構(gòu)曲線的相切關(guān)系確定內(nèi)環(huán)部分主反射面直徑、內(nèi)環(huán)部分副反射面直徑以及內(nèi)環(huán)部分焦徑比；

(x05)結(jié)合步驟(x01)中的內(nèi)環(huán)最大照射角，并選用與外環(huán)部分相同的光程、饋源輻射方向圖以及主反射面口面場分布函數(shù)，應(yīng)用環(huán)焦天線的賦型方法計算得到內(nèi)環(huán)部分的環(huán)焦結(jié)構(gòu)曲線。

可選的，上述步驟(5)的具體方式為：

(501)獲得副反射面的單位法向量；

(502)根據(jù)反射定律，得到經(jīng)副反射面反射后，指向主反射面的向量的單位矢量；

(503)由等光程條件得到主反射面的矢量，并由該矢量求得主反射面坐標(biāo)。

可選的，上述步驟(3)中的過渡函數(shù)由多項式、特殊函數(shù)或組合函數(shù)計算得到。

從上面的敘述可以看出，本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果在于：

1、本發(fā)明混合賦型大軸比橢圓波束天線克服了現(xiàn)有賦型橢圓波束天線的缺點，能夠揚長避短消除饋源遮擋，可以簡單有效地約束第一旁瓣，實現(xiàn)高效率、低駐波特性的大軸比橢圓波束天線，可以做到2:1軸比的橢圓波束。

2、本發(fā)明可以簡單有效地控制兩對稱平面中的口面場，易于控制整個橢圓口徑的能量分布。

3、本發(fā)明所選取的內(nèi)環(huán)和外環(huán)過渡函數(shù)不同，可以追求內(nèi)環(huán)區(qū)域內(nèi)合理的能量分布和外環(huán)主反射面的最大輪廓，從而進一步優(yōu)化控制兩對稱平面之間的能量分布，提升天線的整體性能。

總之，本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中各種賦型橢圓波束天線的缺點，具有高效率、低旁瓣、低駐波、低剖面、大軸比等等優(yōu)點，是對現(xiàn)有技術(shù)的一種重要改進。

附圖說明

為了更加清楚地描述本專利，下面提供一幅或多幅附圖，這些附圖旨在對本專利的背景技術(shù)、技術(shù)原理和/或某些具體實施方案做出輔助說明。需要注意的是，這些附圖可以給出也可以不給出一些在本專利文字部分已有描述且屬于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知常識的具體細(xì)節(jié)；并且，因為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員完全可以結(jié)合本專利已公開的文字內(nèi)容和/或附圖內(nèi)容，在不付出任何創(chuàng)造性勞動的情況下設(shè)計出更多的附圖，因此下面這些附圖可以涵蓋也可以不涵蓋本專利文字部分所敘述的所有技術(shù)方案。此外，這些附圖的具體內(nèi)涵需要結(jié)合本專利的文字內(nèi)容予以確定，當(dāng)本專利的文字內(nèi)容與這些附圖中的某個明顯結(jié)構(gòu)不相符時，需要結(jié)合本領(lǐng)域的公知常識以及本專利其他部分的敘述來綜合判斷到底是本專利的文字部分存在筆誤，還是附圖中存在繪制錯誤。特別地，以下附圖均為實例性質(zhì)的圖片，并非旨在暗示本專利的保護范圍，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通過參考本專利所公開的文字內(nèi)容和/或附圖內(nèi)容，可以在不付出任何創(chuàng)造性勞動的情況下設(shè)計出更多的附圖，這些新附圖所代表的技術(shù)方案依然在本專利的保護范圍之內(nèi)。

圖1是本發(fā)明實施例中一種混合賦型大軸比橢圓波束天線的主視圖；

圖2是圖1的俯視圖；

圖3是圖1中副反射面的放大圖；

圖4是圖2中副反射面的放大圖。

圖中包含：主反射面1，副反射面2，xoz平面(即的短軸平面)上主反射面母線的外環(huán)部分3，xoz平面上副反射面母線的外環(huán)部分4，xoz平面上主反射面母線的內(nèi)環(huán)部分5，xoz平面上副反射面母線的內(nèi)環(huán)部分6，yoz平面(即的長軸平面)上主反射面母線的外環(huán)部分7，yoz平面上副反射面母線的外環(huán)部分8，yoz平面上主反射面母線的內(nèi)環(huán)部分9，yoz平面上副反射面母線的內(nèi)環(huán)部分10。

具體實施方式

為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員對本專利技術(shù)方案的理解，同時，為了使本專利的技術(shù)目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，并使權(quán)利要求書的保護范圍得到充分支持，下面以具體案例的形式對本專利的技術(shù)方案做出進一步的、更詳細(xì)的說明。

需要說明的是，本專利中所采用的“第一”“第二”等用語僅僅是為了區(qū)分多個/組/類具有相同名稱的不同對象而使用的文字標(biāo)記，從而便于對技術(shù)方案作出準(zhǔn)確描述。顯然，這些標(biāo)記性質(zhì)的用語不具有任何排序或計數(shù)的含義，也不具有相當(dāng)于冠詞或指示代詞的語義內(nèi)涵。

一種混合賦型大軸比橢圓波束天線，其包括主反射面和副反射面，主反射面包含第一外環(huán)部分和第一內(nèi)環(huán)部分，副反射面包含第二外環(huán)部分和第二內(nèi)環(huán)部分，第一外環(huán)部分和第一內(nèi)環(huán)部分的分界線以及第二外環(huán)部分和第二內(nèi)環(huán)部分的分界線均為橢圓，第一外環(huán)部分和第二外環(huán)部分構(gòu)成橢圓賦型卡賽格倫天線結(jié)構(gòu)，第一內(nèi)環(huán)部分和第二內(nèi)環(huán)部分構(gòu)成橢圓賦型環(huán)焦天線結(jié)構(gòu)，第二外環(huán)部分和第二內(nèi)環(huán)部分在分界線處一階連續(xù)。

該實施例天線具有高效率、低旁瓣、低駐波、低剖面、大軸比等等優(yōu)點，是對現(xiàn)有技術(shù)的一種重要改進。

上述混合賦型大軸比橢圓波束天線的一種設(shè)計方法，其包括以下步驟：

(1)在短軸平面內(nèi)設(shè)計主反射面和副反射面的第一組母線，第一組母線包含外環(huán)部分的卡賽格倫結(jié)構(gòu)曲線以及內(nèi)環(huán)部分的環(huán)焦結(jié)構(gòu)曲線；

(2)在長軸平面內(nèi)設(shè)計主反射面和副反射面的第二組母線，第二組母線包含外環(huán)部分的卡賽格倫結(jié)構(gòu)曲線以及內(nèi)環(huán)部分的環(huán)焦結(jié)構(gòu)曲線，第二組母線中的環(huán)焦結(jié)構(gòu)曲線的頂點與第一組母線中的環(huán)焦結(jié)構(gòu)曲線的頂點重合；

(3)根據(jù)第一組母線和第二組母線構(gòu)造不同過渡函數(shù)，并使過渡函數(shù)在短軸平面和長軸平面處的導(dǎo)數(shù)為零；

(4)根據(jù)過渡函數(shù)計算出所有面的副反射面坐標(biāo)，進而得到整個副反射面的曲面；

(5)根據(jù)反射定律和等光程原理獲得整個主反射面的曲面。

該設(shè)計方法簡單易行，能夠?qū)μ炀€的性能做出良好優(yōu)化，具有極強的可操作性。此外，本實施例方法所選取的內(nèi)環(huán)和外環(huán)過渡函數(shù)不同，可以追求內(nèi)環(huán)區(qū)域內(nèi)合理的能量分布和外環(huán)主反射面的最大輪廓，從而進一步優(yōu)化控制兩對稱平面之間的能量分布，提升天線的整體性能。

可選的，上述步驟(1)和步驟(2)中設(shè)計母線的具體方式為：

(x01)確定外環(huán)部分主反射面直徑、外環(huán)部分副反射面直徑、饋源照射角度、內(nèi)環(huán)最大照射角以及外環(huán)部分焦徑比；

(x02)根據(jù)饋源的輻射方向圖和指標(biāo)需求選取口面場；

(x03)應(yīng)用卡塞格倫天線的賦型方法計算得到外環(huán)部分的卡賽格倫結(jié)構(gòu)曲線；

(x04)根據(jù)卡賽格倫結(jié)構(gòu)曲線和環(huán)焦結(jié)構(gòu)曲線的相切關(guān)系確定內(nèi)環(huán)部分主反射面直徑、內(nèi)環(huán)部分副反射面直徑以及內(nèi)環(huán)部分焦徑比；

(x05)結(jié)合步驟(x01)中的內(nèi)環(huán)最大照射角，并選用與外環(huán)部分相同的光程、饋源輻射方向圖以及主反射面口面場分布函數(shù)，應(yīng)用環(huán)焦天線的賦型方法計算得到內(nèi)環(huán)部分的環(huán)焦結(jié)構(gòu)曲線。

可選的，上述步驟(5)的具體方式為：

(501)獲得副反射面的單位法向量；

(502)根據(jù)反射定律，得到經(jīng)副反射面反射后，指向主反射面的向量的單位矢量；

(503)由等光程條件得到主反射面的矢量，并由該矢量求得主反射面坐標(biāo)。

可選的，上述步驟(3)中的過渡函數(shù)由多項式、特殊函數(shù)或組合函數(shù)計算得到。

一種更加具體的設(shè)計方法，其包含如下步驟：

(1)在直角坐標(biāo)系xoz平面(即的短軸平面)中設(shè)計天線的第一組主副反射面母線。

該母線由兩部分組成：外環(huán)部分的卡塞格倫結(jié)構(gòu)曲線和內(nèi)環(huán)部分的環(huán)焦結(jié)構(gòu)曲線。

首先，計算外環(huán)部分卡塞格倫結(jié)構(gòu)的主副反射面曲線。由實際工程需要和天線幾何結(jié)構(gòu)確定出面的外環(huán)部分(卡塞格倫結(jié)構(gòu))的初始參數(shù)：主反射面直徑dm＝600mm、副反射面直徑ds＝150mm、饋源照射角度θm＝36°、內(nèi)環(huán)最大照射角θc＝18°和焦徑比τ＝0.65，曲線和參數(shù)示意圖如圖2所示。根據(jù)實際饋源的輻射方向圖和指標(biāo)需求選取合適的口面場，應(yīng)用卡塞格倫天線的賦型方法計算得到外環(huán)部分的主副反射面曲線r0°,out(θ)，此時得到的曲線只有θ∈(θc,θm)是外環(huán)部分，副反射面母線的內(nèi)外端點(xsc,ysc,zsc)、(xsm,ysm,zsm)分別為(31.74,0,97.69)和(75,0,103.2)，主反射面母線的內(nèi)外端點(xc,yc,zc)、(xm,ym,zm)分別為(229,0,-155)和(300,0,-130)。

其次，計算內(nèi)環(huán)部分的環(huán)焦結(jié)構(gòu)的主副反射面曲線。由外環(huán)曲線和中切角θc確定出內(nèi)環(huán)部分環(huán)焦天線曲線的初始參數(shù)：內(nèi)環(huán)主副反射面直徑dm′＝2zc＝458mm、ds′＝2zsm＝63.4mm、內(nèi)環(huán)最大照射角θc＝18°和焦徑比τ′＝0.54。為滿足天線的寬頻特性，內(nèi)環(huán)環(huán)焦結(jié)構(gòu)的光程與外環(huán)部分的相同ck＝582mm；考慮整體的優(yōu)化設(shè)計，選與外環(huán)相同的饋源輻射方向圖為f(θ)和相同的主反射面口面場分布函數(shù)為f1(θ)，但θ∈(0,θc)。曲線和參數(shù)示意圖如圖3。接著，應(yīng)用環(huán)焦天線的賦型方法計算得到內(nèi)環(huán)部分的主副反射面曲線r0°,in(θ)。得到的曲線θ∈(θ0,θc)是內(nèi)環(huán)部分，副反射面母線的內(nèi)外端點p、(xsc,ysc,zsc)分別為(0,0,91.1)和(31.74,0,97.69)，主反射面母線內(nèi)外端點(x0,y0,z0)、(xc,yc,zc)分別為(75,0,-189),(229,0,-155)。

至此設(shè)計完成了第一組主副反射面母線r0°(θ)。

(2)選取長軸的初始參數(shù)dm＝1200mm、θm＝36°、θc＝18°和口面場分布函數(shù)f2(θ)，使用短軸平面中相同的光程ck＝582mm，同理步驟(1)，在直角坐標(biāo)系yoz平面(即長軸平面)中設(shè)計出天線的第二組主副反射面母線r90°(θ)。在此步驟中應(yīng)用優(yōu)化算法或牛頓逼近法選取一合理值ds＝177mm以保證該平面的環(huán)焦頂點和xoz平面中的頂點重合，這樣有利于之后對整個反射面曲面的構(gòu)造。

(3)為確定步驟(1)和步驟(2)中兩個面之間的主副面引入過渡函數(shù)。因為面和面是天線主副反射面的對稱平面，所以要保證在對稱面中的入射線和反射線在各自的同一平面內(nèi)，故選取的過渡函數(shù)需要滿足在這兩平面處關(guān)于的導(dǎo)數(shù)為零。

具體來說，在時，在時，

過渡函數(shù)可以用多項式計算得到，也可以選擇滿足以上條件的特殊函數(shù)如或其組合函數(shù)如(其中c1,c2為系數(shù))。為了獲得較大的口徑和優(yōu)良的橢圓口徑能量分布，本設(shè)計方法選取的內(nèi)環(huán)和外環(huán)過渡函數(shù)分別為：系數(shù)v＝1.1和v＝0.9的超橢圓過渡函數(shù)：

其中，

用過渡函數(shù)可計算出所有面的副反射面坐標(biāo)，進而得到整個副反射面的曲面為：

(4)在三維空間中應(yīng)用反射定律和等光程原理即可求出主反射面。對于步驟(3)中確定的副反射面曲面，可以用曲面擬合也可以用數(shù)值計算得到該副反射面的單位法向量en。

由反射定律，可得到經(jīng)副反射面反射指向主反射面的向量s的單位矢量：

es＝er-2(en·er)en，

其中，er為副面向量r的單位向量。

由等光程條件可得到主反射面矢量為：

其中z為主反射面的z坐標(biāo)值。

由此便可求得主反射面坐標(biāo)。

至此，完成了混合賦型大軸比橢圓波束天線的計算。

需要注意的是，本專利權(quán)利要求書中所謂的“步驟”是指用于實現(xiàn)本專利方法的任一具體流程中的一個必要環(huán)節(jié)，并不包含對步驟執(zhí)行順序的限定，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員完全能夠在理解了本專利某一權(quán)項中各步驟間的內(nèi)在邏輯的基礎(chǔ)上，對這些步驟的具體執(zhí)行順序做出各種符合這種內(nèi)在邏輯的實際安排。因此，任何一種應(yīng)用了本專利某一權(quán)項中所有步驟的、符合這些步驟間的內(nèi)在邏輯的、用于實現(xiàn)本專利方法的，且具有特定執(zhí)行順序的具體步驟序列，均在本專利的保護范圍之內(nèi)。

需要理解的是，上述對于本專利具體實施方式的敘述僅僅是為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解本專利方案而列舉的個例性描述，并非暗示本專利的保護范圍僅僅被限制在這些個例中，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員完全可以在對本專利技術(shù)方案做出充分理解的前提下，以不付出任何創(chuàng)造性勞動的形式，通過對本專利所列舉的各個例采取組合技術(shù)特征、替換部分技術(shù)特征、加入更多技術(shù)特征等等方式，得到更多的具體實施方式，所有這些具體實施方式均在本專利權(quán)利要求書的涵蓋范圍之內(nèi)，因此，這些新的具體實施方式也應(yīng)在本專利的保護范圍之內(nèi)。

此外，出于簡化敘述的目的，本專利也可能沒有列舉一些尋常的具體實施方案，這些方案是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在理解了本專利技術(shù)方案后能夠自然而然想到的，顯然，這些方案也應(yīng)包含在本專利的保護范圍之內(nèi)。

出于簡化敘述的目的，上述各具體實施方式對于技術(shù)細(xì)節(jié)的公開程度可能僅僅達(dá)到本領(lǐng)域技術(shù)人員可以自行決斷的程度，即，對于上述具體實施方式?jīng)]有公開的技術(shù)細(xì)節(jié)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員完全可以在不付出任何創(chuàng)造性勞動的情況下，在本專利技術(shù)方案的充分提示下，借助于教科書、工具書、論文、專利、音像制品等等已公開文獻(xiàn)予以完成，或者，這些細(xì)節(jié)是在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的通常理解下，可以根據(jù)實際情況自行作出決定的內(nèi)容?？梢?，即使不公開這些技術(shù)細(xì)節(jié)，也不會對本專利技術(shù)方案的公開充分性造成影響。

總之，在結(jié)合了本專利說明書對權(quán)利要求書保護范圍的解釋作用的基礎(chǔ)上，任何落入本專利權(quán)利要求書涵蓋范圍的具體實施方案，均在本專利的保護范圍之內(nèi)。