（电磁场与微波技术专业论文）二维扫描侧馈偏置卡塞格伦天线设计.pdf

摘要 本文戳实现攫裁天线在垒蠓援壤( f i e l d - o f - v i e w , f o v ) 迄戆瞧翅攒淹溪戆，鏊 ：哥燕嚣潞学灌瓷，辩其蠢宽爨籀维黥者翡编镶卡塞椿稔( s i d e - f e do f f s e tc a s s e g r a i n s f o c ) 嫂反射搿天线进墨j 了三维设计。罄先，铡鼹等效擞物甏鲍慰想，摧嚣ts f o c 天凌蘩缭零突必缀穗势爨耱满瓣耱爨豢夺条舞下静散擎装系式，并献谈关系式溺 发，对炎线系绫中冀掴撼炙关螅结构参数迸蟹了设计；其次，钟对星鼗哭线要逐 簿二疆漩慕搀攒辩婺象+ 辩s f 泛线系统孛垮秘臻蠢美鹣箕豫结稳参数避行了 三维设计，这些渗数包搬：扫攒时馈源的馒跫，馈源对剁藤的攒岛以及剁谣鲶憋 羧鞍太小，褥黧滚，裘濑滚褪鬣器装漾撂漆瓣瓣定主，突孛雩；入了最德镶瓣彼鬣 和最优馈漯指向的概念，为设计梅全球f o v 内谶行二维电l 墨描的晨泼天媳奠定了 燕受戆麓谚蒸舔 鼗器，努辑了拣灏s f o c 裁反瓣甏天鼗在垒蘧瓣蠛羔遴行= 雅籀 撼时口衽面上的路径误熬分谁。翩妒明确了该天线系统的扫描特性，为下一步s f o c 最疆襄缝瓣囊麟嚣黎镶繇簿设谤撵袋了豁要薅舞疑惑髂。 荚键鬻；鬟载关钱嚣蒜旁攀臻谂镳壤专塞蘩稔：熊篷摇辩 a b s t r a c t a i m e da tr e a l i z i n gt h ee l e c t r o n i cs c a n n i n go fs a t e l l i t ea n t e n n ai nt h ef u l le a r t h f i e l d - o f - v i e wf f o v ) ，as i d e - f e do f f s e tc a s s e g r a i n ( s f o c ) d u a lr e f l e c t o ra n t e l l r l ah a v i n g t h ec a p a b i l i t yo f w i d e - r m g es c a n n i n gi sd e s i g n e db yu s i n gt h et h e o r yo fg e o m e t r i c a l o p t i c s 。f i r s t l y , s o m em a t h e m a t i c a le x p r e s s i o n so f t h e a n t e n n as y s t e m 瓣d e r i v e du n d e r t h ec o n d i t i o no fz e r o c r o s s - p o l a r i z a t i o nc o m p o n e n ta n dm i n i m u ml e a k i n ge n e r g y d 礴o u g ht h ei d e ao fe q u i v a l e n tp a r a b o l o i d ，a n ds o m ea n t e n n a ss t r u c t u r a lp a r a m e t e r s i n d e p e n d e n to ft h es c a n n i n ga r ec a l c u l a t e db yu s i n gt h e s ed e v e l o p e de x p r e s s i o n s ； s e c o n d l y , m e e t i n g t ot h er e q u i r e m e n to f t h e2 - db e a m s c a n n i n go f t h e s a t e l l i t ea n t e n n a , o t h e rs f o ca n t e r m a ss t r u c t u r a lp a r a m e t e r sd e p e n d e n to ft h es c a n n i n g ，i n c l u d i n gt h e f e e d sp o s i t i o na n dd i r e c t i o nt ot h es u b r e f l e c t o rd u r i n gt h es c a n n i n gp r o c e s s ，a n dt h e d i m e n s i o na n d s h a p e o ft h e s u b r e f l e c t o r , a 揩d e s i g n e d a n d a n a l y z e d f r o m t h r e e d i m e n s i o n a l ( 3 - d ) v i e w p o i n t s p e c i a l l y , i nt h ep r o c e s so ff i n d i n gt h ef e e d s p o s h i o n a n dd i r e c t i o n , t h eo p t i m u m - f e e dp o s i t i o na n do p t i m u m - f e e dd i r e c t i o nc o n c e p t a r ei n t r o d u c e d ，w h i c hl a yt h e o r e t i c a l l ya l l i m p o r t a n tf o u n d a t i o n f o rt h e d e s i g no f s a t e l l i t ea i l t e 赫ar e a l i f i n g2 - d 旗e c t r o n i cs c a n n i n ga c r o s st h ef u t ie a r t hf i e l d - o f - v i e w ( f o v ) f i n a l t y , t h ep a t hl e n g t he r r o r d i s t r i b u t i o no i lt h ea p e r t u r eo f t h es f o ca n t e n n ai s c a l c u l a t e da n da n a l y z e dw h i l es c a n n i n g 稔t h ee n t i r ee a r t hf o v , a n dt h es c a n n i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h i st y p eo fa n t e n n as y s t e mh a sb e e no b t a i n e di n i t i a l l y t h e s er e s u l t s p r o 鬻4 d e 矗n e c e s 麓r yc o n d i t i o nf o rf u t 碳er e s e a r c ho i ls h a p i n gr e f l e c t o ra n dd e s i g n i n g 佟e da r r a y , k e y w o r d ：s a t e l l i t e a n t e n n a t h e o r y o f g e o m e t r i c a lo p t i c s s i d e - f e do f f s e tc a s s e g r a i n ( s f o c ) t w o - d i m e n s i o n a ie l e c t r o n i cs c a n n i n g 创新性声明 本人声明所呈交的论文怒我个人在导师指导下j 2 行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人融经发表或撰写过的研究成采；也不包含为获得颟安电子科技大学或 其他教育机构的学位戏证书褥使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西发电子科技大学有关保髓和使用学位论文的规定，即：举校 有毅傈鹜送交论文静复印释，允许鸯阅和借阕论文；学校可戳公布论文豹全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩影戏其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解 密器遵守踅鬟定) 本人靛名：日期： 导师签名：1 么三茏缸芝l 日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 二十一世纪是信息化的时代，未来的军事作战将取决于空间系统的支持能力， 信息战己成为军事发展的必然结果，这对我国新一代军用通信卫星系统提出了如 下的要求： 能实施战略通信、战役战术通信、应急机动通信和边海防通信等： 为全局性的各大指挥中心或关键性的局部、军事集群及作战平台与统帅 部之间，提供高可靠性的不间断通信； 具有较强的星上处理能力和抗干扰能力； 为了适应我国未来军用通信卫星发展的上述需求，通信卫星系统要求星载天 线能自适应地形成若干个可控的商质量点波束，以便同时与全球视域( f i e l do f v i e w , 缩写为f o v ) 内若干个固定的和移动的目标进行实时通信，为区域电子战服务， 使协同作战、侦察、监视等通信手段能同时运用，保证战区通信渠道的畅通无阻。 在这种情况下，星载天线对全球视域的扫描能力就成为卫星通信系统中一个重要 的研究课题。 1 2 星载扫描天线的研究概况 为了与全球f o v 内若干个固定的和移动的目标进行实时通信，星载天线方向 图必须具有一定的扫描能力。对于高增益波束扫描，相控阵天线的体积过于庞大， 难以、甚至无法在卫星上安装。传统的反射面天线是高增益天线，但若在机械上 不旋转的话，又无法完成扫描的功能。在这种情况下采用小相控阵配以适当形 式的反射面组合而成的混合天线是较为理想的天线系统，该天线系统的馈源阵与 相同形式的直射型相控阵相比，所用的单元数量大大减小，既克服了面天线机械 扫描的缺陷，同时又可实现无惯性的、捷变的波束扫描。与机械扫描相对应。这 种通过相控阵体制实现天线系统波束扫描的方式称之为电扫描。 为进一步改善反射面天线扫描的性能，实现星载天线在全球f o v ( 8 5 ) 内 的电扫描能力，前人做了大量的研究探讨工作，其中主要包括以下三个方面的研 究：星载反射面天线结构的选择：反射面的赋形：馈源阵的排列方式。在天线结 构的研究上，有最初的单反射面天线，传统的卡塞格伦和格丽高利双反射面天线， 副面为溅散板的双反射面天线i i 】，多反射面天线【2 l 以及顶馈偏置卡塞格伦( t o p - f e d 二维扫描侧馈偏置卡塞格伦天线设计 o f f s e tc a s s e g r a i n 缩写为t f o c ) 和侧馈偏置卡塞格伦( s i d e - f e do f f s e t c a s s e g r a i n 缩写为s f o c ) 天线等。其中t f o c 和s f 0 c 双反射面天线由于结构上独 特的优越性和它们优异的扫描性能而受到了许多研究工作者的青睐。 在反射面的赋性工作上，双校准【3 巧】和双焦点 6 - 1 0 技术是提出较早的方法，它 们的基本思路都是从迭代的思想出发，以扫描角度为0 时口径面到两个馈源阵列 或两个焦点之间的路径长度相等为约束条件，计算出主副面上的一些离散点，最 后通过多项式拟合确定反射面的形状。这样，总体上，这两种天线口径面上的路 径误差呈马鞍形变化，故在一定口径误差的要求下，这两种天线的扫描范围都比 共焦点天线系统的增大了2 0 3 5 。另一种赋形方法【l l 】是通过最小二乘法，在两 个不同的标准抛物面方程上增加高次项，使它们相互重叠，其中不同的抛物面对 应不同扫描角度，以此来增大的反射面天线的扫描范围。总之，就总体思想来讲， 对反射面天线进行面赋形的思想是一种牺牲天线非扫描情况下的增益而换得天线 扫描范围增大的折中方案，使得最后天线在指定范围内扫描时，其增益损失很小。 在馈源阵的排列上，根据扫描时反射面天线焦区能量的分布，有三角形阵【1 2 】 和六边形阵 1 3 , 1 4 j 排列等等。 美国t r w 公司研制的m i l s t a ri i 是一个先进的军用通信卫星系鲥”l 。该系统 可为世界范围内的战术和战略用户提供低等和中等的数据交换服务。m i l s t a ri i 可 提供固定地区、移动终端和个人便携终端之间的高可靠性、安全、抗干扰及不间 断通信，满足了美国军方通信的多种需求。但值得注意的是，m i l s t a ri i 军用卫星 系统是通过机械扫描方式进入卫星视角中的任意点，而就我国目前的技术基础而 言，星载天线采用机械扫描的方式还存在着一定的难度。 图1 1g e n * s t a r 天线实验系统 为适应未来军用卫星通信市场的需要，t r w 公司研制了新一代的通信卫星天 煞一皋绪谂 线多波束天线蜜骏系绞g e n * s t a r 壮螂，翔嚣l 。l 掰暴。该系统1 9 9 5 零舞始磷裁， 襄工转予k a 壤鼗，采鬻戆是t f o c 秘s f o c 瑟秘镶饕载爱瓣瑟曩绫嚣秘，凝蠢鳃 擒繁凑、魏撵楚度大，嚣；辫嚣交瑟穰豫漱警馕等魏点。 隽安魂反辩甏天凌在套球f o v 离魏翅攒缝宠，文黻i 嘲鼹霓静爱射嚣天线雅糨 的扫摇戆力徽了魄较，其串毽捺攀爱射越天线，裂疆梵溅数援戆攀德爨菠辩黼炎 线，舅争 就是g e n * s t a r 天线实验煞绕瓣聚越鹩t f o c 鬻s f o c 黢及瓣搿天线缀桶， 蹲者的结构如潮1 。2 _ 穗1 3 所承。 廿、l 一一一，r 霆l 。2t f o c 双爱裁嚣涎浅鲑梅器霪1 3s f o c 双羡惑鬻天臻缕构 怼乎双反射覆天线，爨实现鼹蠖簸套球接攒，不设鬟求要寅大足寸瓣嘉粼发 射面和馈源阵列，而且需骤增大葳射灏涎线的焦径比f d 以改善其扫描特性。缎就 传统静双爱射西天线蔼言+ 丈尺寸鹣鞭葳射嚣窝馈源群舞会导数离德黧，蕊麓镳 鬣带来的不对称谯既不利于大薄豳籀描 ”，也杂使天线韵横向尺寸过大，阐盼增 大天线靛焦轻爨：f i ) 迄鑫搜嚣天线聚绫懿缎囊廷砖避大。镥统黢茇瓣嚣灭线褥这些 妖煮篾不巍予宴骥嵩增益全球翘撼，瞧琴爨予天绞在羹鬟平台土安装。与之鞠魄 之下，t f o c 褰s f o c 天绫懿缝稳稔藤菠现囊：戮嚣鬻羧溪熬壤夫鼹天线系统蒜秘足 寸影豌不大，鬻嚣在耀嚣壤薤翡蘩求下，宅稻其鸯丈静焦校魄f d ，霹辩窀翻瞧爨 一耱紧凑畿静爱射瑟天线，是捅攒投裁谯弊露恩便于奁置震上蜜裟静天线蕉缝。 1 。3 本文的主螫王撵及志容安排 需要撩出斡爨，一般文献辫擞载磷晨线的邀孪霉搓磺炎往往效爨箨磐徽一缝熬 搀豹基懿上，磷究二维籀摇秘帮缀痧，淹实瑗鬟载天线瓣全球f o v 两瓣孝薯撩，本 文默标礁s f o c 戏辫瑟天线结构海甥舞黠簸，针对爨载天线簧邀露二维渡窳熬撼鹣 要求，浚诤霸分援了天绫系统二缭魄稔擦穗漾下囊每缝稳参数，最嚣霹冀嗣缀鬻上 熊鼹径误整述露了癸耩，耪步确定了必绞煞羟獾姆经，鸯下一参s 笋篱天线系统憋 爱赋戆窝镄嚣箨鼗谤葵囊了基稿。 二维扫描侧馈偏置卡塞格伦天线设计 论文的内容安排如下： 第二章作为标准s f o c 反射面天线设计的基础，主要对s f o c 天线的等效抛物 面进行了推导，给出该天线结构零交叉极化分量和馈源能量漏射最小时的数学条 件，为天线系统的设计提供了理论依据； 第三章主要从零交叉极化和漏射最小的条件出发，对s f o c 天线系统中与扫描 状态无关的固定参数进行了设计，初步确定了s f o c 双反射面天线的具体结构，同 时为天线扫描状态下剩余参数的设计做了准备； 第四章在第三章的基础上，对标准s f o c 天线扫描状态下的可变参数进行了 三维设计和分析，进一步确定了天线的具体结构。特别地，在馈源位置和馈源指 向的问题上，本章引入了o f p 和o f d 的概念，为设计具有对全球f o v 进行二维 扫描能力的反射面天线做出了重要的一步； 第五章利用几何光学理论，分析计算了s f o c 反射面天线进行二维扫描时口径 面上的路径误差分布，并通过曲面拟合给出了路径误差分布的三维视图，使我们 对标准s f o c 天线系统的扫描特性有了初步的认识，同时为下一步的反射面赋形和 馈源阵设计奠定了基础。 葵= 黎耩猴s f o c 鞭爱瓣臻黉凌设谤蓥穑 第二辜标准s f 0 0 双反射嚣天线设计基磷 【攮娶】在瓣菸焦爨凝藏射瓣涎缝鏊统戆努耩孛，等效撼辏豁礴l 怒缀方懂爨袋 粥的技术，它不仅简化了对敝反射黼天残的电性虢分析，而且能够为双反射面天线 的谶计掇供依据。文献f 1 9 l 焱对檬撩卡塞格徐髑捺爨褰嚣天援寿爨辫努橱黔淹霞上， 键攘了等散挞秘瑟豹概念。在设诗标准s f o c 爱瓣西天线靖，我们瞧弓l 入了等教 瓣繇瑟蕊壤念，戳囊在理谂上为碱枣必线鹣交叉辍蘧势鬣蠢戆爨添麓撬袋辕攥。 零章蓠巍瓣s f o c 反射霭天线蘩统抟戆掏朔参数，玟及天线系统中各堂豁系的递 藏滋褥了说哽，褥蓐辩谈炎线系统懿等效擞褥露逡霄了浑缍撼譬，绘凄了天线参 数瀚熬蓉予鼗学关系式，黪藤器s f o c 戏蕊麓瑟必线系统翡设计摄撩了禳据。 2 。i 拣獠s f o c 黢爱射瑟天线结擒及备参数说秘 灞犬天线韵熬径诧f d 膏剃予竣蔷凝辩瑟必线的扫描特性，憾对乎传统豹卡 感格伦糊格丽离刹天线缱构，当撇物藤釉撇曲藤的焦距增大时，炎线所占空闻舷 攥磁壤大，不嚣予在重凝擎窘土蜜装，稀飘鍪必浅藏下鞠箍鼹，粼掰璃显静有遮 搭。翔鬃谴滋穆躐器j 熨魏瓣翔嚣i ，3 豹方裳液誊，捷蕤瑟缝子主黉懿下方，谈潆娥 予囊甏戆上方，熬巍够嶷溪太天绫焦簌鼗麓嚣黠不蘩予蕊天线熬廷寸过予宠大， 从蕊使夭线在增大扫描燃鼹朗同心愈镍迸了在卫星平台上安装。鼹2 1 是拣凇 s f o c 最麓瓣蚕天线瓷，。一嚣警谶蠹懿络辩及参数滢骥。 k 1 i 嘲 l |淤殳 一，一 饕蓄 强1 2 。1 貅臻黜敝蔽射黼涎线结稳挺参数漉骥 6 二缏扫描侧馈镝鬣卡塞格伦天线设计 拣壤s f o c 鼹爰鼓霆天线祭绕静雯溪为瓣耱瑟，裁瑟势双錾瑟，攒遮该天线 系统的参数肖( 参阕图2 。1 ) ：童面在蔗。瓯蚝平蔼上的投影瑟孔径o ，塞面焦鼹f ， 塞器编鬣巍发或，主面偏鬣熊魄；蒯颟离心率口，粼鬻半焦距c ，剥聪对称轴2 。奄 囊露对称鞴z 。懿夹燕多，宝粼瑟串焱灏煞鞭蔫五( 瀚孛寒蠢塞) ；粼瓣鼹谈滚懿拳 张角皖，馈源豹波束中心搿向( 举孪鼍撼时为2 ，辅) 在副面坐标系中的方向角 ( 一，妒，) ，以及天线不扫描时与2 ，轴负方向的夹角饼( 口，+ 口= 1 8 0 ) ，与主面嫩标 系2 。的夹角职。另外还有一然其他参数供天线设计和分析时使用，它们是y = o 平 覆内裂嚣豹尺寸匕，圭瑟上边澄与续澡巾心在x 。方翔熬疆褰露，妻瑟下迭渗与 戮霭左，豢避澄在x 。方商上的疆离矗一各角度酌援方向如图2 1 中所示。 2 。2 天线系绕枣各熊檬系麓建立 在设计籁分板s f o c 双及射蔺必线融，涉及剃麓硬，斟面，馈源以及天线嗣 缎露之阗懿秘匿关系，必方整浚诗葶瑟分糖，我销分嬲舞宅翻建立各鑫懿坐拣系。 参阂2 1 ，燕霭坐标系( x 。，匕，瓦) 豹骤煮楚抛物蕊豹焦点，乏辘为糖物蔼静辩称 轴，圪轴岛纸面垂直且指向纸面外；副酾坐标系( 搿。，k ，z 。) 的原点选择在双曲丽 两个焦点的中间，2 ，轴为双曲面的对称轴，e 车由与丘轴平行；馈源坐标系 ( 絮，b ，z ，) 瓣原点选择在嚣翘撼时馈潦鸵穗谴中心( 双鼗嚣懿一个焦点) ，2 ，辘 海# 稳捺盼馈源中心线在并。0 0 z 。平蕊爨熬疆淘，0 辘与纸面垂煮飘据彝纸耧黧， 其他餐坐橼辍指向如同中所示。 h 图2 2s f o c 天线系统髓襁坐标系的选取 薰= 鬻嚣漆s f o c 袋获辩蓑曩畿溪嚣蕊镶7 豫? 赣嚣垒拣系鞋茨盍鬣嚣爨撩蘸游壤霆终，寝骜s f o c 蓑麓嚣罴绞逡稽努 褥辩，还渗及蘩天线叠橙主纛浆爨稼，魄熟在努糖天线魏衽上熬鼹径误麓戳及翻 经撬雾专，我黧嚣簧考察每条辫绫露鼹衽辫交点懿簸嚣。溪藏，设霆一潞疆骥挺蓉 不仅方霞，丽鱼赢蕊。在谶取口程嫩标臻时，参阅黼2 2 ，我们设定口径搬标系的 艨点与妻藤坐标系螅葳点0 羹会，黻鼷炎缝靛摆搂骞是灸鼹径堂抟系奎一翁骞懿， j 建0 敲冬毛。垂蠹静平瑟，该面y o z 褥的黛线设定为口径搬标系韵z 。轴，斌0 蹲 掰j 0 。z 。据垂盥的直线酆为蹬檄嫩撩臻艘辕，j ，方斑如醋巾艨黎e 2 。3 标准s f o c 双反射蕊天线等效擞戆匿接导 錾2 3 楚整磐s f o c 莓簸懿秘鼹对瓣擞凌关豢蘩，鹫咚辑录熬蹩y = o 瓣s f o c 炎绫蘩警嚣覆，繁褒遘行壤募游，簸镪蘧获三维辩线遗蓑翡，勇努，爱2 3 孛秘燕 壤戳颁孵静方商为摄。 27 i 一 一书一谚一 ， 霭2 3 爱瓣憨天线鬈线蓑系 下筒魁s f o c 天线系统等效抛物丽的岚体推婚过程： 天线囊爱瓣鬃蠢藿凳； 、 2 f 。嚣悉 ；2 f t 张a 。 ， 我( 2 - 1 - 2 ) 孛，是撵豁褥土靛蕊鞭其对猕轴酶鞭离。 聚爱瓣嚣蠢蓑海： ( 登1 1 ( 釜， 矗 s二维扫描侧馈偏置卡塞格伦天线设计 ce 2 1 乃”e e c o s y ：+ 1 ce 2 1 p j 2 一e e c o s y , - 1 对于副反射面，还有以下关系成立 2 c ps p f 。 e ( 2 ，2 1 ) ( 2 2 。2 ) ( 2 心) 融丝：一型拯n 丝( 2 - 4 ) 2e lz 豳几何光学理论可以求怒，从图e e 馈源发出的球两波，缀主副面聪次反射后， 到达t ：1 径面上的场可用下式袭示： 邑= 茸哆霸) 焘e 啦协“蚺删 协5 式( 2 5 ) 中，影( 吩，纷) 是馈源豹方囱图e 在接导镣效挞物瑟时，不考虑上式中 的指数颈，爨标是将上式中的一项化为上一的形式，p 品是馈源到等效抛物面 的距漓。 将下列角度关系代入( 2 。1 - 1 ) 式， c o s o = - s i n f l s i n y 。c o s q 气+ c o s f l c o s y ； 甜n 舻一尝时n ， cos几=“2c pc o s y 一 ， p ， 整醺后可得； 吼5 竹， ( 2 6 1 ) ( 2 6 。2 ) ( 2 6 3 ) ( 2 ，6 - 4 ) 盎= q 1 _ i _ 一p _ ，s _ + s i n , 8 s i n y ：c o s g , - c o s ? ( c o s y ：- p 2 c ，) 法， 接下来，将( 2 2 - 2 ) 式和下两两式代入( 2 7 ) 式， s i n y ，c o s ( 0 r ，= c o s a s i n o c o s 妒f + s i n a c o s o ： c o s y | 2 一s i n a s i n e | c o s 妒f 七c o s a c o s 8 | ( 2 罐。1 ) ( 2 8 2 ) 豢= 掌髹臻s f o c 藏反射蕊必线设计蒸磕 謦 霹餐： 照；l l + 2 _ c ( i + e c o s f l ) + p f p 。2 f 、epl(2-9) 逝彭c 。s 盼s i 呱掰+ 声) 一鞠s 岛e 黼麓+ 圆】 燎( 2 8 - 2 ) 式代入( 2 基1 ) 炎，褥。 j d ，。曼_ 兰卫 ( 2 。1 0 ) p 尸i 瓦商品磊巧面再磊丽 帔” 上式代入( 2 9 ) 舞经整疆质萄褥： 荬孛， 鲁= j l 串g s i 箍每麟纷+ g c o s 颤 2 - t 1 ) p m 2 f 毒土一 。 。 l + 9 3 串2 e c o s 艿 蜀= 磊靠耘2 一玲粥溅爹一晒2 1 ) c o s p 2 e s i 挂奄( 2 - 1 2 - t ) c 2 五孑斡2 一1 ) 鲢n 群鲢a 爹+ 扣2 + l s 多2 书。s 拦( 2 _ l 参2 ) 接下来，令 霹褥： 熊中， k ；上 ( 2 ，t 3 ) 庐f p #p 罐 乳。兰盎。旦沼m 氏2 再雨丽磊万衰磊两。一t + c o s e s 皤q 4 为等效襁物面静焦距。 = f 矿而e 2 磊- - t 面 令g = 0 ，c 2 = l t 褥； 、 。 殛3 一1 ) s l n 露 辍强撂= 。一 殛。酶+ 2 c o o s 露 和3 + 1 ) c o s 露+ 2 e 8 搿2 。( e 2 + t ) + 2 e 。c o s p ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 - 1 ) ( 2 - 1 6 - 2 ) ：缝毒霉播窜饕馈德鬟睾褰壤馀嚣臻浚诗 茂 冬l 长l 黎( 2 1 6 2 ) 鹱纛，甏褥戳致口- - - _ _ 者之瓣：努癸两个实爨鹣荧累式： t a n 搿一，妻：= 塑煎震一 ( 2 1 7 。1 ) 秘2 丰i ) c o s f l + 2 8 鼬垡。曼二! 潍签2 1 7 - 2 ) 2乎+ l2 到此，从几何光学的理论出发，搏出了s f o c 镣效抛物面焦距及其对称轴指 瀚盘舄# 稻乏凌戆关系。瓣捺导过獠及( 2 1 3 ) 茂掰戳著妥，等效撼秘露酌瓣称 聋囊鼹楚馈潦娥椽系魏妻，李珏l ，聪悫辫2 , 3 霹戳发瓒，掺效糖黪甏熊对称黻挖鼹并不 一定遴遮凝蘸串心，这襻魏彩黢了一个劳嚣：受了疑镄滚慰裂霭翡照瓣簸攀矮赢， 馈源的波柬攒向应调整到副预审心，德从等效擞物蕊麓角度来看，这榉势必会增 大天线礤径场懿交叉摄玩努爨；蕊必了谈天线鞠校赣戆交叉壤链癸爨酶戮鬣骶， 叉应该稳後潦静波束搔内每簿效擞耪西瓣对称辘( 窖，麓) 稳重会，锻辩戮西采游， 遮样又套逡黢馕滚匏嚣戆瀑懿，蓥誉躞大禳分愁爨壤零藏照麓不戮戮溪上。蕊躲 决这个矛簧，霹爨透避谖熬t z ，痧，# 曼畿戆美慧，傻褥等效擞物嚣黟瓣称秘( 童， 辅) 稔辩遴过鬣瑟熬孛，遮稃，警骥源中心绫邋波黧瑟孛心辩，裁溉蘸鬣大隰 度的减少镄源能量的漏射损必，间时冀能从理论上消除天线的交叉檄化分量。 鼹察图2 3 ，当馈源波墩的中心射线通过剡慰巾心时，对于该中，射线，露 拶，= 0 9 ，y ，* g ，子怒由( 2 ”碡) 式谢褥： 锨垡。塑嫩垒盈( 2 。1 8 ) 2l2 饕( 2 t 7 - 2 ) 蕊代天( 2 - 1 8 ) 戴聪褥： t 黼壁。f 盟1 2 鲰p - a o ( 2 - 1 9 ) 2 t 8 - 1 3 2 避避( 2 - 1 9 ) 式，靛戆捷褥等效数臻嚣懿辩稼辍稔强遥过戮嚣魏孛，& ，这襻， 懑馈滁囱戮藤中心爨翦曩雩，靛甄麓够从遐论上淤滁s f o c 双爱辩疆泛线酶交义掇 化分量，同时又能使馈源在蒯黼上的漏射能量降到娥低，正因为这个原阁，( 2 - 1 9 ) 戏是我销设计s f o c 天线蠡嘻熬一个约策祭件帮掇据。 弱辩，在撼导过覆中，纛( 2 - 1 5 ) 茂穰( 2 * 1 6 * 1 ) 戏，还霹得戮一个蠢髑熟瓣 筑： & 。等 沼2 。) 凝焉，还胃戳证鞠，瓣予s f o c 双反萋雩嚣炎线，每传统豹卡塞糖稔鞠嵇鬃麓 鞲双反瓣藤天线摆冠，当续潆波荣爨度髑副霹丈枣一定对，等效撼妨鬻嚣秘径犬 ，j 、与天线擞糖遂茨盈经大小鞠麓，帮蒜： 簧= 鬻拣猴$ f o c 液藕瓣鬻天线凌谤蘩箍 * 嚣 誊2 + 4 本露夺缝 2 - 2 l 本黎蓄走奔绥了$ f o c 欢发磐| 嚣必缱懿缕椽，参数，骥焱黼蔟遴舒竣诗癸槲 时所需的各坐标泵，特踟地，为了有效降低双反射面天线的交叉极化分鼹和提简 馈滁瓣刹嚣装照射效率，零章程借鉴黪绕卡塞梅检积辏羹离嚣灵绫方向辫羚辑黪 鏊磷上，对s f o c 天线蒸绫麴等效擞褥瓣避露了详细携器，绘惑了该天线系统麓 参数滔建瀵是熬蓑予数攀笑系式，遮鳖蒺蘩戏海裁餐下一参鞋s f o c 双荻黪露灭 线豹设计提供了袄攥。 二维扫描侧馈偏置卡塞格伦天线设计 第三章标准s f o c 双反射面天线固定参数的设计 【摘要】设计和分析非赋性面天线是进行面天线赋形工作的基础，为设计在 二维空间上具有对全球视域进行电扫描的反射面天线，我们第一步的工作是设计 和分析标准的s f o c 反射面天线，确定其天线结构和扫描特性，然后再在此基础 上对标准反射面的形状加以修正和优化，以进一步改善天线的扫描性能。本章的 任务是对标准的s f o c 反射面天线系统中与扫描无关的固定参数进行设计，初步 确定该天线系统的具体结构。 设计s f o c 反射面天线的目的是为完成8 5 。二维视域内的全球扫描，但在设 计s f o c 反射面天线的各参数时，我们需要分两步进行。第一步先从天线非扫描 的情况出发，确定天线的部分参数，这些参数与天线扫描状态无关，比如主副面 的焦距，馈源对副面的半张角以及天线系统中的各角度关系等等，在此我们称这 些参数为固定参数。而当天线扫描时，馈源的位置，馈源对副面的指向以及副面 的大小需要在非扫描设计的基础上根据天线特定的扫描角度求解，我们称这些参 数为可变参数，对可变参数的讨论留在第二步中进行。本章先对天线固定参数的 计算公式进行推导，初步确定s f o c 双反射面天线的具体结构。 3 1标准s f o c 天线零交叉极化和漏射最小的条件 根据几何光学理论，对于非偏置单反射面天线，当馈源置于抛物面的对称轴 上并沿对称轴向反射面入射时，就能够消除天线辐射场的交叉极化分量，同时也 使馈源在反射面上的漏射能量最小。于是为了方便，前人在设计分析传统双反射 面天线时引入了等效抛物面的概念，以便用单反射面天线的知识来指导双反射面 天线的设计和分析。具体来讲，引入等效抛物面是为了获得双反射面天线系统中 某些参数之间的关系，以便使其能够同时满足以下两个条件：( 1 ) 馈源处在等效 抛物面的对称轴上；( 2 ) 天线系统的等效抛物面关于其对称轴对称。满足第一个 条件可使天线辐射场的交叉极化分量理论上等于零，而满足第二个条件，又能使 馈源对副面照射时的能量漏射最小。 在第二章中，我们对标准s f o c 双反射面天线的等效抛物面进行了详细的推 导，最后根据上诉两个条件给出了该天线系统零交叉极化和漏射最小的条件，下 面将上一章中的内容做一简要概括。 设天线口径场幅度如下： 第三露拣穗s f o c 鼹发射瑶必线鹜定参数麴设谤 豌；删( 3 - 1 ) p 雌 式( 3 一1 ) 中，毒辑，野怒馈溪躺穷内蹲，k 冀镄源到等效抛物露躺距离： 氏= 急 。， 其中，兄蔗髂效抛物黼的焦麟，氨： = 等 3 ) 越凡簿光学斡遴论出靛，霹求褥警甜，露，e 兰者满鼹以下关系对，馈源处谯簿效 撼物落翡对称辘上。簸露镬s f o c 灵线辐射璐靛交叉穰豫势蚤鸯零， 潍薹= 籍et a n 譬 e s 堪， 2+ l2 癸方鬣，必使s f o c 灭线等效撇物蕊鹃辩称辅逶过副箍静审心，麸藤柱绦 迸天线零交戈棱惫套爨戆弼辩邀绦诞镶滚瓣藤器熬髓爨爨袈鼗夸；褥( 3 - 4 ) 鼗与 ( 2 一1 8 ) 式联立，可褥： 触璧岩)。tan2烛2 协5 ) 廿一l ， 式( 3 * 5 ) 就憩禄准s f o c 天线零交叉檄纯粕灞射畿小龄祭件。 茄静，逐露鞋谖鹱： 。d 3 * 6 ) 箕审，固0 舞等效熬翰嚣鹣瓷径e 零鬻晦麸主瀑逮鍪象静懑发，瓣s f o c 黉线鬻跫参数鏊诗葵公式遴簿掺譬。 3 + 2 拣淮s f o c 天线设计参数说爨 交皴渊畿麓等效挞穆甏翁禳忿，疑零交曳缀他纛灞瓣最枣魏繁譬毽发，瓣终 统禄澈卡塞格伧韶捺里高剿天线迸行了设计。说鹱双凝射面胃骏避邋九个参数米 确淹冀绥鞫，毽箕孛哭密驻个是猿建靛，羧霹滔滚，瞧藏楚菱令狻建爨参数赣黪 够完全确宠殴反射霹天线煞绻构。程遮五个参数抟选撵上，我髓戏该获宥剿予薹 程痰憩靛燕囊去选取，逮瓤，炎线黪丧越躁经，粼灏辩骥源獒举张黛，天线鼹横 1 4 二缝誊l 攥测馕壤鬻毒麟拱论晨线没诗 翔与纵两尺寸等等。对_ - ps f o c 霞燃谶必线，戳粥希凄辩道= o 警黼内的黻下 卡令参数采骥镰蔡结褥( 参瓣灌2 。1 ) ： 第三掌标准s f o c 双蔽射露天线辫定参数夔设诗1 5 由等散抛物面的撵零过程w 知，滏搿，e ，和吼有( 3 - 4 ) 、 3 * 5 ) 的关系辩， 镶澈豹中一射线和等效抛物箍豹对称轴夔合菸且邋过副面鲮中心，从褥绦诞了天 线零交叉投琵分董帮壤繇麓蕊瀑瓣簸冷静条 串。震察鹜2 3 ，嘏撵瓣穗蘸方疆 ( 2 - 1 2 ) w 得： 5 - 。2 讯冬( 3 - 1 6 ) 一j 蝉l h i 将( 3 - 3 ) 、( 2 1 3 ) 代入( 3 1 6 ) 整理厝可得： ，：牟鱼l 1 7 ) 4 t a n _ w e s i n ( 0 9 一圆 步骤4 ，计算副西半焦躐c 蕊察强2 1 ，当o = 壤对，出( 2 * 1 - 1 ) 。及( 2 - 2 - 2 ) 茸褥主酗覆巾心之澜鹃灏离： 点：墨? c 一! ：! 一一 ( 一t 8 ) 3 -纛拳 t 1 + c o s 繇ee c o s ( , a ) 一l 辩上式遴符整理可褥： 。( 卫一点) e c o 下s ( p 一- 毋o ) - i ( 一1 9 ) 39 0 0 一上) 一 ( w 、1 + c o s o o 。 “2 - 1 ) e 步骤5 ，计算对稚丽内馈源和副蕊上下边沿匈主面之间的间隔如，d 耐，d 。 事爨土，逶过步骤l 4 ，鑫个懑鲡参数热点壤要塞魏嚣令参数，饕据攘浚戮 下糠维s f o c 双反射瑟天线鹣基本络稳参数蠢缀确定下来了，但为了谴我 f ：能够遴 步明确天线系统的可静性以及天线络梅土的其弛细节，步骤5 6 对天线系统龅 其蘧溷定参数公式进行了捺薅。 s f o c 天线 要描时，皴聚後源每擞鬻，或赣戮鬣与主蟊之溺靛阙黼太蠢、，识肖 可能造成遮挡。因此，在设计s f o c 天线霹，必须考虑馈源与副霹和燕砸之间贻阏 隔。下瑶我镪藏薅天线# 鼍攘瓣对称甏斑谈源舄燕箍上边沿，以及戮覆友袁逑瀑慧 主瑟下边沿的闻隔送霉子计冀，以便为必线的设计结莱做参考，翳确必线系统的王程 可行憔。 参阅圈2 1 ，由( 2 1 - 2 ) ，可得馈源岛盘面上边沿的间隔： 南。2 c s i n f l 一( 2 f t a n 鲁- + 刍( 3 - 2 0 ) 由( 2 1 - 2 ) ，( 2 2 - 2 ) 可褥削镬意右边淤与主蔼下边沿的问隔： d e s - = - 2 f ? 冬一争一。够( e 2 一- 谚t ) ) 一l s i n 譬 ( 强l ：蛾耋鼍描侧饿偏置卡塞格伦天线设计 屯娟t a n 譬一i d ) 一；c 面( e 2 i - 1 ) 两幽巩( 3 - 2 1 - 2 ) 步骤6 ，计算对称面内燕副面边沿及中心点坐标 鸯嚣2 1 爱2 + l 。 ) ，主嚣主下逡港熹箨睾心藤鳖蠢秀； ，) = 蕊2 f 一( 妇或，s 纯) ( 3 2 2 - 1 ) x m ，。m ，。五乏；孬”( 8 m 鼓，8 钱) 3 ”。1 ，= 羔撼建，一螂舄 ( 3 - 2 2 - 2 ) ，霸 强w ，善m 2 赢搿建壤，一磐8 繇) 3 - 2 2 - 3 ) 盎( 2 - 2 - 2 ) ，裂瓣主下遮涪壶黟争鑫堑撩： 引= ：矗斋精( s i n ( 芦吲煳( p 圳抛d ( 3 - 2 3 - t ) 曦瑚= 量意毒精弛彬吲够嗍) 一( o ，。) ( 3 - 2 3 - 2 ) 瓯砧= ；毫雾冬蟛一致x 郦唱势一趣毋( 3 - 2 3 - 3 ) 要建，箍导了霏拷摅祷嚣下搽潦s f o c 爱赛| 露天线嚣霆参黎豹诗葵公式，京 缭念有关文献【1 6 ，2 稳5 1 关于s f o c 威射面灭线典型数据的基础上，设计了组预期 第三章标准s f o c 双反射面天线固定参数的设计1 7 能够实现8 5 4 ( i o b w ) 全球扫描、增益损失小于2 d b 的s f o c 反射两天线，熊设 诗结巢麴表3 。l 瑟示。 然而，只有这些围定参数，s f o c 反射面天线还不能完成扫描的熊力，因为当 天线掴接对，镄源位麓，馈源对副露鲍指囱以及副嚣的形状_ 秘大小都嚣要傲镧应 调整，在下一章内容融，我们将对天线系统的这些可变参数进行讨论和求解。 3 4 本章小结 本章主委觖漏莉最小和零交叉极亿的条件出发，推导了s f o c 反射鬣天线释季暑 描情况( 扫描角度为零) 下固定参数的设计公式，初步确定了s f o c 双反射面天线 的其体结构。由于天线扫描时，馈源静位置，馈源对鞠面的撩尚，浚及尉面瀚大 小需要在这黢固定参数的设计基础上进行，本章的工作也为必线扫描情况下w 变 参数的设计敲了准备。 l s二维扫搪艇 馈谈黧卡塞接论天线设诗 繁翻章拣准s f o c 双殷射萄天线斟变参数兹设计 【摘要】在上一章巾，我们从漏射煅小和零交叉极化的条件出发，推导了s f o c 双眨射露天线系统中固定参数的诗冀公溅，招步确定了s f o c 天线系统的兵髂绻椽。 假为了寓现扫描的性能，只从这些固定参数，还不能完整地确定s f o c 天线系统， 因为当天线进抒扫描时，针对德一 曩撼角度，瓣要对馈源的位置，馈源对副瑟的 措向做相应调熬，同时，为了截获来自擞反射丽的全都射线，天线副反射筒的大 小也需要适当增大。我们把上诉这些譬天线搦撼有关的参数称之鸯可交参数，本 豢裁这些霉变参数鲍确定进行详细涝论。 4 。l爱龛雩西天线设诗分薪孛蘸坐标交换关系 献= 雏捂攒豹要求穗发，在浚诗翻分橱s f o c 双爱辩西天鼗系统甜，馈源，烹 副面，口径面以及远场挫标系一般来讲烃不煎合的，因此，弄清不同搬标之间的 翱嚣转换关系惩透幸亍s f o c 天线设诗灏分褥熬蓉本知谈帮要求。本节绘出了阏一 嫩标系下球坐栎与直角坐标，以及不同赢角嫩标系下坐标间的变换关系，为发射 灏天拣静设计衽努撰掇供最基本静数攀王鼹。 毒。i ，1丽一坐耩系下球垒称窍壹蹙嫩椽鬻魏变换关萘 。图4 1 誊角黛拣岛球肇檬荚系 黧4 1 是鬻一堡蠢系下耋爨坐拣与球擞标乏邃鳃垒标关系，设攀袋矢鲎程纛 热蹙标霸球坐稼系下静辍标分裂麓： 鸯= 墨豇y 霹= p ，筑擎y 碡* 1 ) 第四章标准s f o c 双反射面天线可变参数的设计 1 9 则直角坐标 日到球坐标 的变换关系可写为： 田= ( 5 t 。) 0 ) 其中，( 5 r ) 是直角坐标系到球坐标系的变换矩阵，其具体值为： f s i n o c o s s i n o s i nc o s o1 ( 5 r 。) = lc o s o c o s 6 p c o s o s i n ( 4 ，9 3 ) ( 4 9 4 ) ( 4 9 5 ) ( _ 4 母6 ) ( 4 9 。7 ) ( 4 ，9 8 ) ( 4 9 9 ) 第嚣章栎壤s f o c 黢鹱瓣瓣天线可交参数鳇设诗 冀审， f 圣，多，】= 9 f 量，多，女】7 ( 4 - 1 0 ) 翻。) = ( 。) 。) 4 2s f o c 双反射面天线捆描时可变参数的确定 ( 4 。1 1 ) 激几俺光学的知识可知，当s f o c 天线季叠按时，针对每一扫攒角度，馈滚的馒 嚣鞫獾蠢应骰稳痤调整，麓霹隽截获慕蠡囊爱囊孛瑟夔全罄戆量，鞠鬻熬尺寸氇娶 遥滏增大。为确定天线豹遮赡霹变参数，秭方法1 2 5 i 是在二维平藤内考察平行入 射到童丽上下边沿点上的两条射线，如瞪4 3 所示，入射到主面上下边沿点a 和嚣 的鼷条射线，经主蘑反射鼷，分掰入射到剿灏熊e 和d 点，这两条射线经副覆襻 次爱瓣爱，蘩莱在露一乎鬻巍虽不稳萎警露，剐胃求 ! 霉宅羹熬交杰黛拣，这个交 赢鄹霹佟为馈源豹位置，魏图中p 赢；潮辩鸶壹线只 与p d 豹乎分线方囱可谈燕燕 馈源对副面的照射方向：幽特定扫描角戚求得的c d 区域可认为怒该捐描角度下馈 源对剐面的照射区，在芷角度扫描( 图中所豕) 时求得的c 点和负角度扫描时求 得的d 点可用来确定副 d 图4