（电磁场与微波技术专业论文）卫星多波束天线研究.pdf

摘要 多波束抛物面天线能够以高增益来覆盖较大的地面区域，而且又能根据需要 调整波束形状，它不仅可以馒有限的频谱资源德到鸯效的利用，而奠可以促使地 面站的设备小型化。阵馈多波束天线以及成形多波柬天线相对结构较简单、质量 较轻、加工制造和卫摄发射方丽的费用较低，因此受到了广泛应用。 本文第二章从基本电磁概念出发，推导了前馈反射面天线的基本计算公式， 列举了阵馈反射面以及成形殷射面的设计方法，考虑了两种旗本馈源阵列的方向 图特健。 第三章内容是多波束卫凝遥信天线的核心。作者应用物理光学方法设计嫠分 析了两种用予聚束雷达的多波束阵馈抛物面必线。程阵镄标准抛物蘅计算的基础 上，处理了任意切割的抛物面口径面，对反射面上呶流积分求得其次级方向图， 并与及麓面分析软锌g r a s p 8 0 计算缩采作了阮较戳验证其正确性。褥裉据所霈各 波束的波束宽度以及波束指向，确定了各馈源单元的尺寸以及偏焦位置。最后， 总结了馈源必寸、阕鞭及电流分布对反射面遴场方商强的影响。 第四章以前馈抛物面天线和传统双镜天线的研究为基础，介绍了环焦天线的 设计与分耩方法，并疆一个，j 、鍪静环焦天线为铡，绘疆了箕设计步骤，诗算了其 远场方向图，最后，对高性能馈源波纹喇叭用a n s o f t 软件进行了仿真。 第五搴绘国了软箨计算络暴良及部分实验结采。 关键调：黪镬多波束擞狻嚣天线携壤光学方法任意形蠖擞狻嚣叠袋嚣 a b s t r a c t m u l t i l ： l e - b e a mp a r a b o l i ca n t e m l a s c a r lc o v e rl a r g ea r e aw i t hh i l 薛g a i na n dm o d i f y t h ef o r m so fb e a m s n 0 to n l yc a n i tm a k et h el i m i t e df r e q u e n c yr e s o u r c eo fe f f i c i e n tu s e ， b u ta l s oc a r l q u i c k e nt h e m i n i a t u r i z a t i o no ft h es t a t i o ne q u i p m e n t m u r i p l e b e a m a n t e n n aw i t hf e e d a r r a y a n dt h e s h a p e d r e f l e c t o ra n t e n n ah a v eg o tm a n ya c t u a l a p p l i c a t i o n s b e c a u s eo f t h es i m p l e n e s so f s t r u c t u r e ，t h el i g h t n e s so f q u a n t i t ya n dt h el o w e x p e n s e so f p r o c e s s a n de m i s s i o no fs a t e l l i t e i nc h a p t e r2 ，t h eb a s i cf o r m u l a sb a s e do nt h eg e n e r a le l e c t r o m a g n e t i cc o n c e p t so f t h es i n g l ep a r a b o l i ca n t e n n a 、埔mf e e da r r a ya l ei n t r o d u c e d t h ed e s i g n i n gm e t h o do f t w o t y p e so fm u l t i # e - b e a ma n t e n n a si sg i v e na n d t h e p a t t e r nc h a r a c t e r i s t i c so f t h ef e e d a r r a y a r ea n a l y z e d c h a p t e r3 i st h em a i nc o n t e n to ft h ep a p e r as - b a n da n dac - b a n dp a r a b o l i c a n t e n n au s e df o rr a d a ri sd e s i g n e da n da n a l y z e du s i n gp om e t h o d b a s e do nt h e c a l c u l a t i o no ft h es t a n d a r dp a r a b o l i ca n t e n n aw i t hf e e da r r a y , t h ea r b i t r a r ya p e r t u r eo f t h er e f l e c t o ri sd e a l tw i t h ，t h es i z ea n dt h el o c a t e dp o s i t i o no fa l lf e e d sa r ee v a l u a t e d a c c o r d i n gt ot h e3 d bb e a mw i d t ha n dt h ea n g l e st h eb e a m sl e a n e df r o mt h ea x i s ，t h e p a t t e r n so f t h er e f l e c t o ra r eg i v e na n dc o m p a r e dt ot h er e s u l t so f g r a s p 8 o ( t h es p e c i a l s o f t w a r ef o r r e f l e c t o r ) f i n a l l y , t h ei n f l u e n c e o fs i z e ，l o c a t e d p o s i t i o n a n dc o n e n t d i s t r i b u t i o no f f e e d a r r a y o nt h e p a t t e r no f r e f l e c t o r i sa n a l y z e d 。 i nc h a p t e r4 t h ea 兀3a n t e n n ai si n t r o d u c e do nt h eb a s i so ft h et r a d f f i o n a ld u a l r e f l e c t o ra n dt h e p a t t e r no f c o r r u g a t i o n h o r ni sa n a l y z e d u s i n g a n s o f t s o m eu s e f u lr e s u l t so f t h ee x p e r i m e n ta n dt h es i m u l a t i o na r eg i v e ni nc h a p t e r5 k e y w o r d s ：m u i t l p l e - b e a m p a r a b o l i ca n t e n n a sp om e t h o d a r b i t r a r ya p e r t u r e 创新性声明 慧吣8 ；6 本大声锈掰呈交鹣论文麓我个入在导繇撬导下遴行熬磷究工 睾及取褥酌疆究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和数谢中所罗列的内容以外，论文中不 雹含莛氇大已经发表藏撰写道静磅究残莱；氇不篷含为获季譬疆安毫孑搴车技大学或 其他教育机构的学位溅证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 懿饪霭贡献稳基在论文孛散了明确载滋龌著袭示了 奏| 意。 本人签名雷确日期细夏i ，j 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校 奏毅绦整送交论文鲍复印l 牛，克诲查耀和偌阙论文；学校霹以公毒谂文懿全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩影或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在 勰密愿遵守姥规定) 本人舔名： 导师镰名： 需翟角 笸堡型 日期帅3 、j 1 1 7 - 日凝枷3 ff 笙二茎堕堡一 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 以星载合成孔径雷达( s a r ) 为代表的传输型微波成像对地观测卫星，由于全天 候、全天时工作、能大面积成像、具有穿透能力、已成为对地观测的重要手段， 在灾害监测、资源调查、海洋研究、军事侦察、测绘等领域显示出广泛的应用价 值和巨大的潜力，受到了各国的广泛重视。它的研究与应用已成为显示一个国家 综合国力和科学技术水平的标志之一。由于系统复杂，星载合成孔径雷达往往体 积大、造价昂贵。而且随着系统功能的不断提高，其体积、重量、功耗都在不断 增大。所以小卫星合成孔径雷达系统及其星座工程的发展势在必行。 小卫星合成孔径雷达同时具有小卫星和星载合成孔径雷达的特点与优势。它 的重量轻、体积小、成本低、研制周期短、发射灵活、空间分辨率高、能全天时、 全天候工作。多个小卫星合成孔径雷达组成星座，可同时获得高空间分辨率和高 时间分辨率。小卫星合成孔径雷达是合成孔径雷达技术领域发展的一个前沿和热 点。开展“小卫星合成孔径雷达系统及其星座工程”研究，突破小卫星合成孔径 雷达的关键技术，将为我国成像雷达情报侦察提供有效的手段。 星载合成孔径雷达天线分系统是小卫星合成孔径雷达系统的关键分系统之 一。雷达系统高分辨力对星载s a r 天线提出高增益、宽带宽要求。s 波段小卫星 合成孔径雷达天线采用金属网多波束反射面天线方案。该天线是引进俄罗斯的成 熟技术，在前苏联和俄罗斯多次成功地用于星载合成孔径雷达系统。 卫星多波束天线f l 、2 。1 能够以高增益覆盖较大的地面区域，而且又能根据需 要调整波束形状，因而受到了各国的广泛重视。1 9 7 5 年，i n t c l s a tv i a 首次实现 了卫星多波束天线的商业应用。此后在卫星上，阵馈单反射面多波束天线、成形 反射面天线、镜象反射面多波束天线以及阵列多波束天线等均得到了广泛应用【4 ”。卫星上使用多波束天线有很多优点，它可以使波束空间隔离并极化隔离，达 到多重频率复用，从而加大可用带宽，使通信容量大幅度增加，有限的频谱资源 得到了有效的利用。使用多波束还可集中几个窄波束实现对几个较小区域的覆 盖，从而增加卫星向地球上这些区域的辐射功率通量密度，使用户可以采用较小 口径的天线，促使地面站的设备小型化。这可以大大降低系统成本，提高用户使 用卫星的效益。 多波束天线有三种基本类型：反射式、透镜式以及直接辐射相控阵式。前两 种多波束天线重量轻、结构简单、设计技术成熟，最先得到广泛应用；相控阵多 卫星多波束天线研究 波束天线随着m m i c 技术与固态功率放大技术的发展也应用于卫星天线，它有较 高的口面效率、无泄漏损失、无口面遮挡、可靠性高，但是它重量较重、结构与 制造工艺复杂、功率损耗较高。反射式与透镜式多波束天线具有相似的结构，通 常由聚束器件( 反射镜或透镜) 、初级辐射器阵列( 喇叭或其它天线阵列) 以及 其它有关组件( 如馈源阵相位振幅控制器、束形成网络等) 。 根据不同的通信需要，点波束与总波束的关系大致可分为几种情况：固定区 域点波束覆盖、非固定区域点波束覆盖以及赋形波束覆盖。 固定区域点波束覆盖是指所有的点波束彼此独立地照射地面上不同的固定区 域，总的波束则覆盖有关国家与地区。这种点波束往往用于同步卫星通信系统。 例如美国h u g h e s 公司的s p a c c w a y 系统中覆盖亚太地区的两颗通信卫星天线的多 点波束分布。赋形束覆盖是指点波束在地面上相互叠加，得到的辐射方向图形成 所需要的图形赋形束。任何形状的方向图都可以通过设计反射面的形状，在光学 口面上产生所需的振幅与相位分布来实现，而反射面形状的设计可用几何光学或 物理光学方法。实现方向图调整得到赋形束的另一方法是调整多波束天线的馈源 阵各辐射源激励的相位与振幅。例如由日本电报电话公司研制的多波段卫星通信 天线系统k u 波段覆盖日本全境的多波束天线，它通过调整7 个喇叭馈源的激励 系数来实现所需的方向图。非固定区域点波束覆盖是指所有点波束彼此相互连 接，总波束覆盖一定面积的区域，但覆盖区域随卫星的移动而移动。美国的 o d y s s e y 、欧洲航天局的m a g s s 一1 4 移动卫星通信系统就是采用这种点波束覆盖。 随着太空飞船、科学探测站、地球观测站、通信卫星、广播电视卫星等太空 技术的发展，多波束天线技术将面临着新的挑战。不难预料，在未来卫星通信系 统中，多波束天线无论是作为卫星有效载荷还是作为地球站共用设备，必将成为 一种特色产品，发挥出相当重要的作用。 1 2 研究问题及方法 多波束天线的多个波束可以由一个口面产生，也可以通过多个口面产生，分 别称为单口面设计和多口面设计1 6 、”。近年来，已经有不少作者对单口面设计和 多口面设计进行了比较研究。研究表明，尽管多口面多波束天线增益高、旁瓣电 平低、抗干扰性好，但其结构复杂、质量重、加工制造和卫星发射方面的费用较 高，还可能产生由于不同口面的瞄准误差不同所引起的覆盖失真。因此，在选择 使用这两种设计时，必须综合考虑各方面的因素。 采用单口面喇叭阵馈系统产生多波束有两种办法：一种是比较简单的基本成 束法，即每一波束来源于一个喇叭：另一种是较为复杂的增强型成束法。即每一 波束是由一组喇叭中的每个喇叭产生的波束叠加而成的复合束，它可以通过调节 第一章绪论 各喇叭馈源的功率与相位来实现所需要的方向图。另外，在单口面喇叭阵馈系统 中，如果采用偏置结构，则可避免馈源对反射面的遮挡以及反射面对馈源的反作 用，有利于提高天线增益、降低旁瓣电平、但是由于反射面不对称所带来的交叉 极化电平的升高也在所难免。 直接辐射相控阵天线应用于多波束天线原来一直受到束形成网络结构复杂、 损耗大、重量重、造价高等条件的限制。随着m m i c 技术的发展，固态功率放大 器、低噪声功率放大器等有源器件都可以做到辐射元的水平上，这就为有源相控 阵用于多波束天线创造了条件。 对于反射面的分析与综合，主要运用物理光学方法、几何光学方法以及几何 绕射理论方法| 9 4 “。馈源辐射的电磁波投射到抛物面内表面，在其上感应面电流， 抛物面内表面的每一面元，都成为辐射单元。据此可知，反射面天线的分析就转 变为抛物面口径面的处理问题以及求解馈源场的问题。阵馈多波束天线设计的重 点在于馈源阵列的设计，这是复杂而繁琐的，需要反复迭代反复试验。但是，应 用这三种方法结合而开发出的g r a s p 软件在欧洲及海外己形成标准。其相应软件 和t i c r a s 反射面天线成形软件，最近已分别用于电尺寸很小、难于优化的e i s c a t 天线与e s a 数据中继天线的设计中。 本文中，作者需要应用物理光学方法完成小卫星合成孔径雷达多波束反射面 天线系统的设计与分析。多波束反射面天线口径面为任意切割形状，需产生一定 波瓣宽度和波束间隔的多个波束以满足聚束雷达的要求。为了验证所得方向图的 正确性，希望将计算方向图与g r a s p 8 0 软件作以比较。最后，作者介绍了环焦天 线的分析方法，并希望进一步研究高性能馈源波纹喇叭的方向图特性。 1 3 内容安排及主要工作 本文进行了卫星多波束天线的研究。 作为绪论，第一章首先概述了星载合成孔径雷达天线系统的研究背景，阐述 了研究多波束天线的意义，介绍了多波束抛物面天线的设计与分析方法，提出了 对多波束天线未来发展的展望。 第二章首先从基本电磁概念出发，推导了反射面天线的基本计算公式，列举 了阵馈反射面以及成形反射面的设计方法，最后，计算了矩形波导单元、喇叭单 元直线阵的方向图，这是分析馈源阵列各单元个数、间距、排列方式、输入功率 大小对反射面远场方向图的影响的基础。 第三章主要应用物理光学方法研究了多波束阵馈抛物面天线。首先在阵馈标 准抛物面辐射场的基础上，计算了抛物面口径面为任意切割的s 波段多波束抛物 面天线以及c 波段抛物柱面天线的辐射方向图，并将典型算例结果与反射面分析 卫星多波束天线研究 软件g r a s p 8 0 计算结果作了比较以验证其正确性。再根据所需各波束的波束宽度 以及波束指向确定了各馈源单元的尺寸及安放位置。最后，根据多组计算数据的 规律总结了各组馈源尺寸、间距及电流分布对反射面远场方向图的影响。本章内 容是多波束卫星天线的核心。 第四章中，以前馈抛物面天线和传统双镜天线的研究为基础，介绍了环焦天 线的设计与分析方法，并以一个小型的环焦天线为例，写出了设计步骤，用物理 光学方法计算了其远场方向图。最后，对高性能馈源波纹圆锥喇叭用a n s o f t 软件 进行了仿真。 第五章给出了软件计算结果以及测试结果。 第六章为结束语，对全文的工作加以总结，综述研究结果及结论，并提出有 待于进一步研究和解决的几个问题。 第二豢基零璞谂壤遴 第二牵基本逐论糕述 2 。l 蒸本电磁概念 蜜庭斯攀方程楚荚国翳擎家爱毙辫书檄器法拉繁禧蘸火曩予魄邋瑰浆辩窭骏 鬻槔剿建熬魄磁誉的纂拳定缝，它爱欧了宏溅奄磁现象的营遮飙律，是淑磁壤谂 翡基本方程。蒸徽分形式怒 v 露小詈 ( 圳 擎x 蚕z 一塑a t ( 2 - i 秘 审，嚣= 0 臻，l 妁 v 移= 妒 稼- l d ) 其中旁：蘑 ( 2 - 2 的 罨=嫡(2-2b) 投镤 妨跌銎矢蠹釜蕊v 审两= 巷，萼l 入蔽必搜量，满是雪。v x i 代入( 2 一l b ) 褥 带疆十挚；o ( 2 - 3 委祓舞美爨公式窜心辩= 0 ，亏| 入纛耘使萨，瀵跫 君= 坷一詈 器珥) 瓤魏群斑，只樊求出磁炙位盖等毫禄搜妒，就由弦心筑求穗电磁场。煎是 这鬟鹃孟、庐是不嚷一黪，爨京毹意憷。霞鼗，我 】瑟弓 入一稀规藏条徉来蕊定 与麓位磁必氆五与电禄位舻静方程。 将 、2 5 ) 4 奄a ( 2 - l a ) 、( 2 - t d ) ，辫予均匀蔷向同姓媒矮，蠢 嘲撼十瓣v 詈一筝) ( 2 - 鞫 卫星多波束天线研究 v 巾+ 一旦( e - s e b ) 优 应用矢量公式v v j = v ( v j ) 一v 2 j ，上式整理后得 ( v 2 一占嘉) j = 一州v j + a c 署t # ) ( 2 - 6 a ) ( v 2 一s 景) 一詈一言( v j + 肛擎 ( z 舢) 应用l o r e n t z 规范条件v 7 4 + 肛譬：0 ，则对于角频率为叮的时谐场，矢位7 4 和 o t 标位满足( v 2 + j 2 ) j = 一 ( 2 7 ) ( 铲“2 ) 妒一詈 ( 2 8 ) 式中k 2 = 刃2 a s 于是，电磁场量的表达式为 = - j n r j 4 + 1v ( v j ) 】( 2 - 9 ) 2 2 反射面天线基本概念 反射面天线基本模型如图2 1 。馈源辐射的电磁波投射到抛物面内表面，在 其上感应面电流，抛物面内表面的每一面元，都成为辐射单元。分析计算它的远 场方向图，与2 1 所述电磁概念有关。由源电流7 ( 尹) 产生的远区电场为 图2 1 反射面天线基本模型 第二章基本理论概述 五( i ) ：一，厕( f ) + 士v v j ( i ) 】( 2 - 1 0 ) j e a e 式中i 为源位置矢量，i 为观察点矢量，磁矢位 j ( f ) = 护( i ) g ( i i 。) a x 自由空间的格林函数 式( 2 - 1 2 ) 满足 一业j f f 。l g ( 珊) _ 高 ( 2 1 1 ) r 2 1 2 ) ( v 2 + j j 2 ) g f f ) = 一占( f f ) ( 2 1 3 ) 实际上，远区电场可由源电流来表示 豆( ，) = 一j k , l d + v v ) 胪( f ) g f f ， + ) 出。( 2 - 1 4 ) 其中：| j 为自由空间波数，7 为自由空间波阻抗。 罗 可求褥镄源放置在任意位嚣时反射甏天线静场。因诧t 当确定了 每个馈源相位中心的坐标，就可得到所形成的多个波束。 3 2 任意切割抛物颇形状场的求解 由3 1 所述方法可以比较方便地求出阵馈旋转抛物面天线的方向图，佩是在 实塔应蠲中，受了敬怒所要求懿远嚣方囱鬻，拣准爱射瑟慈零被甥裁或特定鹣豆 何形状。对于任意形状抛物面辐射场的求解，本文中采用了对口径面分块积分的 办法。首先慰甥割挞物露天线载口授嚣霜撵逸形近似模拟，薅确定镣一部分数积 分边界从而求得整个抛物西天线 兹疆袈场。 如图3 3 六边形抛物面髓径平 嚣，疆影区域戈某分块送域。口 径丽上任意点坐标为 ，y ，) ， 则 x | = p s i n e f c o s 耷| y f = p s i n 够s i n 办 我们以阴影区域为例来求积 势迭赛，交嗣径嚣爨终尺寸诗雾 可得 万口 $ ，： l 冉掰c 魄i 一8口 够： 圈3 3 六边形抛物面口径面 嗷瓦而面编 所以，阴影区域的辍射场 g o ( 刨) ：一砌丽e - j i r ( 卜- 硒伽( 芦) p 肼r d o f d ：( 3 - 1 2 ) 见彩一砌丽u 地弘班秘肛8 求出各部分的辐射场后，再求和即得抛物面辐射场。 卫星多波束天线研究 3 3 s 波段阵馈切割抛物面天线计算结果 根掘特定设计要求，某s 波段抛物面天线口面形状为切割六边形，如图3 4 。 取焦径比f d 为o 3 6 ，确定口面轮廓尺寸为6 4 a 3 0 丑，焦距为2 3 2 。此天线需产 生 组波瓣宽度分别为2 2 2 0 、2 5 4 0 、2 7 5 0 、3 1 5 0 、3 2 1 0 ，波束间夹角分别为1 7 8 0 、 2 0 8 “、21 3 0 、2 5 5 0 的主扫描波束，馈源采用六喇叭馈源阵列且沿3 0 2 向依次排列， 阵列总尺寸为5 4 9 a o 7 9 a ，如图3 5 ，每相邻两组馈源形成一个波束，共形成 五组波束。馈源极化形式为线极化。 图3 4s 波段抛物面天线口面形状图3 5s 波段抛物面馈源阵列 计算过程如下： 1 、求出单个喇叭馈源辐射场，用3 2 方法进行积分求出次级方向图，并研究方 向图波瓣宽度、偏焦角度的规律。 2 、以等功率、等相位激励，使相邻两组馈源形成一组波束，按照第一步的规律 不断调整馈源尺寸使次级方向图指标符合要求。 3 、以等功率、等相位激励，并记入喇叭遮挡，研究次级方向图的变化。 4 、变化馈源振幅及相位激励系数，研究次级方向图的变化。 经多次计算后，确定了馈源阵列中各馈源的尺寸，得出符合所要求的波瓣宽 度及偏焦角度的五组波束。 馈源方向图如图3 6 、3 7 、3 8 、3 9 ，数据如表3 1 、3 2 。 表31 单个馈源方向图表 123456 e 平面3 r i b 波瓣宽度( 度) 43 54 0 64 3 54 3 55 b 8 66 9 4 e 平面副瓣点平( d b ) 一2 4 22 4 7- 2 4 22 4 22 1 3无 h 平面3 d b 波瓣宽度( 度) 7 7 8 第三章阵馈单反射面多波束天线分析 2 1 图3 5 a 单个馈源e 面方向图 图3 5 b 单个馈源日面方向图 图3 6 a 相邻馈源e 面方向图 卫星多波束天线研究 表3 2 相邻馈源方向图表 图3 6 b 相邻馈源日面方向图 12345 e 平面3 d b 波瓣宽度( 度) 2 3 82 4 22 5 62 7 23 1 4 e 平面副瓣点平( d b ) 一15 4- 14 916 116 618 8 h 平面3 d b 波瓣宽度( 度) 6 5 8 由图3 5 、3 6 看出，喇叭h 面方向图不变，e 面方向图波瓣宽度随喇叭尺寸 增大而展宽。求出馈源总场后，根据物理光学方法求出抛物面上的感应电流，对 电流积分可得抛物面天线次级方向图。 计算抛物面天线次级方向图之前，首先作者对3 1 方法进行了验证。我们 在焦平面内、关于z 轴对称位置，沿x 轴安置两个给定尺寸喇叭作为馈源( 图3 5 中3 、4 喇叭) 并进行计算后，与g r a s p 8 0 反射面天线分析软件( 5 0 4 所提供) 计 算结果比较，如3 7 、3 8 所示，吻合良好，从而说明了本文方法有效。 1 0$4- 2024 6 b o 角度 图3 7e 面方向图比较 4o5 角虞 图3 8h 面方向图比较 笙三望堕堡璺星壁煎查垫塞墨垡坌塑 兰 另外，旋转反射面天线的馈源阵列以殿支撑结构会遮挡抛物谢口径的部分辐 射，一般憾况下使剿瓣电平嚣高，口径遮挡的严格分孝厅是一个困难豹闽题，通常 采用近似方法处理。假设馈源阵列遮挡辐射口径部分等于它的物理面积，在积分 时，积分域为抛物蕊口径嬲的投影面积减去馈源阵列的物邂面积，这是分析口径 遮捎的一种简易可行的方法。如图3 9 3 1 3 。 e 面方向图特性h 筒方向图特性 i 渡寨宽度渡寒徨蕊副瓣毫乎 副瓣电孚渡束竟度副瓣电平 ( 度)角度( 度)左( d b )右( d b )( 度) ( d b ) l 下馕波束i 3 2 l一2 4- 2 7 4 l一2 2 3 0i 4 62 e 。6 9 下偏波束2 3 2 44 6 83 1 2 52 1 1 l1 0 32 4 5 5 l 中心波束 2 7 6o- 2 7 4 92 7 5 0l ，0 2- 2 8 5 8 l 上偏渡束i 2 5 22 0 42 6 3 73 6 0 71 0 0一2 2 9 8 l 上偏波束2 2 2 23 92 2 1 13 1 9 51 0 68 + 6 9 表3 4 考虑喇叭遮挡时次级方向图表 e 疆方患嚣蒋挂l 薤方蜜枣特性 波束宽度波束偏焦副瓣电平副瓣电平波束宽度副瓣电平 ( 度)盘发渡)左d 扮右( r i b )渡) f d 韵 下偏波束1 3 2 l- 2 4- 2 3 9 3- 2 0 2 41 4 62 2 4 4 下偏波束2 3 2 44 6 3- 2 6 。4 4一1 9 2 11 0 32 7 0 2 i 中心波束 2 7 60 o- 2 4 3 4- 2 4 3 s1 0 22 6 7 4 i 上偏波束1 2 5 22 0 4- 2 3 7 12 9 8 61 0 02 9 6 7 l 土谝波束2 2 2 23 9 8- 2 0 5 1- 3 8 5 81 0 6一1 3 5 9 图3 9 a 中心波束e 面方向图图3 9 b 中心波束h 面方向图 卫星多波束天线研究 图3 10 a 下偏波束1 e 面方向图 图3 1 l a 下偏波束2 e 面方向图 图3 10 b 下偏波束1 h 面方向图 图3 1 l b 下偏波束2 h 面方向图 图3 12 a 上偏波束1 e 面方向图 图3 1 2 b 上偏波束1 h 面方向图 笙三望堕堡璺星盟凰圭堕塞蠡垡坌盟2 图3 1 3 a 上偏波束2 e 面方向豳图3 1 3 b 上偏波皋2 h 面方向图 由图3 9 3 。1 3 、表3 - 3 、3 4 可嫩，所设计的s 波段切割抛物面天线的馈源阵列 基本簿舍要求。按等振幅激欺，五缀波束熬增益分别为3 9 8 d b 、4 0 。3 d b 、4 0 4 d b 、 4 0 9 d b 、4 1 1 d b ，即波束宽度越窄，增益越高，它所形成的五组波束波瓣宽度误 差分别为o 、0 7 9 、o 。3 6 、1 9 、0 9 3 ，各波衷翘夹建分别为1 8 6 0 、2 0 4 0 、 2 4 0 0 、2 2 8 0 ，两组下偏波柬的偏焦角度与所要求的偏焦角度略有偏差，我们希望 根据实际测攫结果来进一步调节馈源豹功率激励系数。另辨，由计算褥，调节馈 源之间的楣移并不能改变次级方向豳，也就是说，在波束成形网络中应用移相器 来微调波瓣宽度及馕焦角度是不可行的。调节各馈源激励系数应懿点调节馈源输 入功率之比。 3 4 阵馈抛物柱面天线分析与计算结果 主镜鸯谫韵据耪柱面麓天线缀肖发震前途，箕象镜加工简单，霹由把惫耩板 固定到具有所需轮廓的导向肋上构成，而懿不必防护雨雪的影响，因为雨鸳在垂 壹静天线爱瓣露上襻不住。它可敬在主平瑟上获褥各种宽度的方肉露，丽溺其它 轴对称镜面天线就念产生明显的增髓损失。它的主簧缺点就是照射器对柱颇场有 鞍大瓣反佟麓。这一章串，我键采鞠猕毽毙学方法采分橱标准糖耪柱面天线。 根据特定设计要求，聚束s a r 蔡求抛物面天线波束在方位向有士0 9 0 的扫描 能力，天线王落在c 波段，英盈瑟瑟足寸蔻1 6 0 2x 1 2 8 2 ，焦逛笼6 4 2 港 源采精波 导阵列，共2 0 个行元，而鼠在方位向上其阵列分为兰组，每组阵列包括1 6 个单 元，每疆个穗邻单元形成今波束，共形成1 3 缝波窳，仅鸯串阗的一个波索裙 位中心与焦点重合，其它均为偏焦照射，则夭线的方向图会步进扫描，从而满足 聚窳模式露天线渡燕撵惫豹簧求。蒸极耽形茂殇为爨耋辍琵。 抛物柱谳天线如图3 1 4 ，其馈源阵列如图3 1 5 ，同样，由( 2 2 4 ) 得抛物柱面 卫星多波束天线研究 次级辐射场为 ， ， ， ， ， 7 ， ， 7 ， ， ， 图3 14 抛物柱面天线示意图 图3 15 波导馈源阵列示意图 五( 口，) = 一弦”i e - 鬲j “( = 一晨j ) p ( f 弦却 出 抛物柱面天线单位法向 其中 由几何关系 z = _ _ 2 f 1 + 赢、z 一+ z x 2 + 2 2 = z 将z = r s i n o c o s ，y = r s i n 6 1 s i n 妒，z = r c o s o 代入式f 3 1 5 ) 并g n 抛物柱面积分面元 其中 ( 3 - 1 3 ) r 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) 尹2 ：i ；：_ 丽2 ( f 。) ：+ ( 。口) ： ( 3 _ 1 6 ) c o s 目+ ( s i n 口) 2 ( c o s ) 2 + ( c o s 口) 2 、 7 凼：r 2 s i n o d o d 妒 c o s 0 7( 3 - 1 7 ) c o s 儿洲2 丽舌筹鼍丽 p ( z 2 + y 2 + z 2 ) ( x 2 + ( z + z ) 2 ) 叫 第三章阵馈单反射面多波束天线分析 由于抛物柱面在z 方向可看作无限长，所以我们可把抛物柱面问题看作二维 抛物线问题。由于矩形波导阵列口面电场方向统一沿z 方向，则可把十六组矩形 波导近似为十六组磁流源，每四个一组形成波束，共形成十六组波束。如此假设， 可使分析过程简便并节省计算时间。 如图3 1 6 ，我们可知无限长磁流的磁矢位 t ( p ) = 掣硎2 ( 女卜p 。1 ) ( 3 1 9 ) l 二 ， 7 p 当t i p p 。i 斗o 。时 图3 i 6 磁流源示意图 h 5 2 ) ( 咖p 1 ) * 叫1 = 居o ( 3 _ 2 0 ) y ：i p - p l ：( p ：+ p ”一2 p p c o s ( 一声。) ) 由曰= v x j ，雪= 一v x 户得 字：1 ( p _ p , e o s ( 妒一咖 o py 兰：一1 伊s i n ( 一) 赢2 歹伊8 1 n ( 一) 鼍咽p 。，摆( y - ；e - j 扣( _ l y - - j k ) ) 未p 鲁州p ) j 警i 妒例，等 r 3 - 2 1 ) ( 3 - 2 2 a ) ( 3 - 2 2 c ) 卫星多波束天线研究 得八射f = 巳场 三t f = g x e 叫石i 矽o f + ；( 一斋) = k ( p ) j 罢 p 万1y _ 铲l 冉c 一圭y 一一向嚣卜匆、i 一办c 一；y 一一业) 考】 ( 3 2 3 ) 又柱面上法线单位矢量 i = 一p c o s 等+ ；s i n 等( 3 - 2 4 ) 则柱面上电流密度 7 = 弘易肛砸，】- 扣c o s 詈“n 詈聃c o s 詈易】 ( 3 - 2 5 ) 在远场坐标系( p ，口，) 中，电流密度分量变为 j 砟2 j pc o s o rc o s ( r 一妒) + 以c o s o ，s i n ( 咖一妒) ， 2 一j ps i n ( ，一) + 山c o s ( c , 一声) ( 3 2 6 a ) ( 3 2 6 b ) 乃越= 羔( c 。s 带“n 痧) ( s i n 啡c 咧k + s i n o , s i n 办州3 - 2 7 ) 则辐射场可由电流在柱面水平投影线上积分可得，即： e 9 7 = j j o , e 炯a d t ( 3 - 2 8 a ) e rp ，e 懈。d i ( 3 - 2 8 b ) d 式中d ，= 以2 + d ，2 按设计要求，这七组波束波瓣宽度应相等，偏焦角度以0 1 6 0 步进，但是实 际应用中，为了提高扫描精度，需要设计一种方案来使步进偏焦角度更小。于是 我们改进了馈源结构，使之由整齐排列结构变为如下图结构： 图3 1 7 改进后波导馈源阵列示意图 第三章阵馈单反射面多波束天线分析 如果馈源阵列如此排列，共可形成2 6 组波束，步进偏焦角度为原来的一半。 但是其馈源形式已不能再看成无限长磁流源，所以不能再作为二维抛物线问题 来解。需要首先求出馈元阵列辐射总场，再对抛物柱面口径面进行积分，就可 得到抛物柱面辐射场方向图。图3 1 7 中分别为第一和第二组波束。 图3 1 8 a 改进后第一、二组波束 图3 18 b 改进后第三、四组波柬 本章中，提出了任意切割抛物面天线的口径积分方法，推导出阵馈抛物面天 线辐射场的详细公式。最后，在对分析方法用软件进行验证的基础上，给出了一 种s 波段阵馈抛物面天线以及一种c 波段抛物柱面天线的计算结果。 卫星多波束天线研究 第四章双反射面天线 4 1 传统双镜天线 近年来，在宇宙通信、无线电中继通信以及射电天文等领域中广泛采用了 双镜面天线。与单镜面天线比较，轴对称双镜面天线更容易实现主镜表面振幅 分布的最优化，从而可改善天线的电特性尤其是提高天线的口径利用系数，而 且双镜天线结构上较方便，馈线系统易于引入，接收设备可放在主镜顶点附近， 从而使照射器与收发设备之间的波导大大缩短。 双镜面天线的工作原理是通过具有适当轮廓的副镜与主镜的接连反射，把 初级馈源辐射的球面电磁波变成天线口径的平面波。古典双镜面天线主要包括 卡塞格伦天线和格里高利天线，如图4 1 。其利用了二次曲面反射球面波时的 几何光学性质，初级馈源以二次曲面任一焦点为相心发出的球面波经曲面反射 后变为以曲面另一焦点为相心的球面波。 由图4 1 可看出，在卡塞格伦天线中，抛物面母线的张角。的选择是不受 任何限制的。不管的数值多大，由小的副镜反射的射线都可无阻挡地到达主 镜再反射到自由空间。格里高利天线的情况则不同，当9 0 0 时，由半个副 镜反射的部分射线将碰到另外半个副镜，即被遮挡。在卡塞格伦天线中，入射 到半个副镜上的射线反射到相邻的半个主镜上，但在格利高里天线中情况相反， 即入射到半个副镜上的射线反射到对面半个主镜面上。在实践中，卡塞格伦天 线应用较为广泛。 厂 。一一一 i ：鹬一一 u 图4 1 双反射面天线基本模型 以卡塞格伦天线为例，其主要几何特性的公式为 第l 毽誊双藏隽| 露天线 漱( 譬玛 e = ”“。”。“。 s i n ( 坠产) 型。盈：塑 e 一1 d o ，一直竖 。 4s i n 投潮照 22 4 f = 玟豫孥 2 c 。d a os i n ( g o , + # 2 ) 2 s i n g os i n # 2 2 寤= 鲁t 去一毒 姆叁= ( e - 1 ) 2 熹。鲁嘲逊o 一0 1 2 0 臻e + 1 。2 ( 4 - 1 a ) ( 4 - i b ) 其中玩、赢分掰趋主镜歉瓤镜鹩盥径； f 。为撇物线母线的张焦； 磊爨馈源辩澍镜边缘酌照射角 蘸为馈源对戮镜在等效抛物藤上的投影的边缘的照射角。 和卡塞格绝天线静分辨方法穗阉，撂翻商稠哭线主要凡霪将烂麴公式农这 隧不舜详述。分析这两种天线时，弼采取等效擞物丽的办法。在几侮蠢学遁钕 巾，双镜露天线霹簿效辫壹径及掰j 缒汤都霸它稳潜麓单镱瑟天线。囊计熨瑟得 卡寨穰伦天线和格纛离翻天线豹簿效焦鼷努羽鸯 峻= f 岩( 4 - 2 a ) 磊= f 聪* 2 b ) 可以蕾出，使用硬镜砥天线可以增大焦距，予楚就翁予提高口径莉用系数井 弼隧骶对馈源安装精度静萄猁要求。但怒，死簿光学定律是由局限靛的，特躅 怒取镜面天线的绕射效应( 交叉椴纯、远嚣副瓣电平等) 不可能糟等效静荦镜 瑟天线准确诗算。 秘 蝎 均 玲 谤 秘 洚 洚 洚 睁 睁 洚 里星多波褒天线磷究 双镜面天线的增益与天线阴径面积和口径利用系数有关，天线口径利用系 数包括酾径上掇幅分布均匀程废、副镜截获馈滚能量静能力、嗣径相位均匀程 度、交叉极化分量、馈源场在镜面的边缘及支撑结构上的绕射和散射、主镜和 副镜表黼粕工精确程度、镜面之间豹榴对位置安装的精确程度以及天线罩雩i 起 的增益损失。 4 2 环焦天线特性 在卡塞格伦天线和格里高利天线中，由副镜所产生的反射波总有一部分回 裂馈源测啖中去，放焉劣纯了镶深熬输入电压骏波毙穗瞧，若癸这秀秘天线实 现特别好的输入电压驻波比特性，则需采取相_ 陂的匹配措施。但这种匹配装置 不能保诞良好的宽频带藏配嚣羹枣露键玻嚣天线毂旁瓣特娃，瓣燕这是耪由 结构特点决定的欠缺。 抛物线焦辘镳移辘瓣豫双镜天线是主镜藿鸯线撼勃线鲮焦辘秘天线对称李蠢 不重合的新型天线，它没有这种严重的缺点。其焦点轨迹为一圆环，故也称作 环焦天线。这葶申将焦毒l l l 镰移的戏点是j l l e e 首建提出寒蛇。秘卡塞格馀天线稳 格里高利天线相似，环焦天线也有两种藻本的结构。 图4 2 为副镜母线为椭圆螅环焦天线。 p 困4 2割镜母线为椭圆的环焦天线 匿中，o 兔馕源喇戮懿翔位中，是l 夔瓣瓣一令焦点，宅燕手强焦天线瓣对狡 轴一爿上：艘p 是主镜抛物颇的母线；o 是抛物线的焦点。又是椭圆的另一个焦点： k ；是馈源嘲眺口馘中心；d 为环焦天线的日蘸妻径；。怒以砝兔毒l l l 、冬挞赣线 第四章双反射面天线 b j d 对称的另一抛物线口+ p 的焦点；7 1 是副镜的顶点：d 为副镜直径；p 是凹上 任一点与d 的连线与b o 夹角；是的最大值；妒是副镜上任一点与0 0 角： 以是副镜母线边缘点m 与0 的连线与州轴的夹角；是的最大值：以是0 0 与 州轴的夹角；椭圆的焦距为厂：抛物面的焦距为f ：椭圆的离心率为e 。 由图可见，从馈源发出的电磁波经副镜反射后，通过其主镜的焦点到达主镜， 再经主镜反射后平行于轴射出。天线中心有一个副镜反射场照射不到的区域，即 在和天线共轴的直径等于焦环的柱体内；由于副镜的倒转反射，波源方向图中心 部分的能量转送到主镜边缘，而边缘部分的能量正好相反；天线口径平面上的振 幅分布在边缘下降，因为这部分射线来自副镜尖顶部分的反射，而尖顶反射面积 等于零，因此这些射线的能流密度等于零。 环焦天线与其它双镜面天线相比有如下优点： 1 、由射线路径特性所决定，只要波纹喇叭馈源口径不大于副镜直径，喇叭遮挡 永远小于副镜遮挡，从而为改善环焦天线的近轴旁瓣开辟了新径。 2 、由于几何光学路径，副镜反射到馈源喇叭口面的能量很小，因此可改善电压 驻波比特性，但是，由于副镜尖顶和边缘的绕射使几何光学场有所畸变，环 焦天线也不能完全消除馈源对副镜的反作用，然而，研究结果表明，绕射影 响的量是不大的，比一般卡塞格伦天线和格里高利天线小得多。 3 、主镜的反射电波不再投在副镜上，所以环焦天线的遮挡损耗比一般卡塞格伦 天线和格里高利天线至少要低一半。 4 、从结构上来看，馈源喇叭与副镜可以靠得很近，并且可以用某种方式把副镜 直接固定在喇叭上，从而可实现紧凑的天线结构和较小的天线尺寸。 5 、最后，只要馈源喇叭口径不大于副镜口径，几何光学方法就允许通过改换馈 源使天线工作在更低的频段，从而可扩大天线的使用带宽。 4 3 环焦天线分析 环焦天线的特性决定了其广阔的发展前景，它在中小型卫星通信地球站中有 独特的位置。它可以克服初级馈源所引起的遮挡大于副镜造成的次级遮挡的缺 点，从而开辟了中小型天线低旁瓣化和高极化鉴别率的新径。 本文以环焦天线的几何特性为基础，采用物理光学方法对其进行分析。图4 3 为副镜母线为椭圆的环焦天线具体坐标。 图中厂为椭圆焦距，e 为离心率； f 为抛物面的焦距； p 。为波源到副镜任意一点的距离； p ，为椭圆另一焦点到副镜任意一点的距离； 卫星多波寒天线麟变 由图 p 。为此焦点到抛物丽任意一点的距离。 鬻。3 裂辘母线荛鹱翟戆鼙焦天线戆垡标 n 2 畿 留苎= 篙增c 譬， 把彼魏对应的边缘值y = 甄及庐= 氟带入式( 4 4 ) 得 可以证明 s i n 监 e ，一2 s i n ( 警+ 磊) 增鲁2磊商sin f s i n 聋1 五= a