[发明专利]偏馈抛物面多波束天线馈源阵列的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种偏馈抛物面多波束天线馈源阵列的设计方法，适用于卫星通信系统中。

背景技术

卫星无线电系统是从空间获取信息的重要技术手段，具有不可替代的作用。卫星通信系统能够做到及时、准确、全面可靠，同时又能克服在地理位置覆盖上的种种限制从卫星运行的轨道上对地面、空中和海上进行各种观测和联系。卫星通信系统中，无论是地面车载、船载通信设备，或是地面大型控制中转站，还是空间轨道中的各种通信卫星，都装有各种频段的转发器和天线，它们转发来自地面、海上、空中和星上的无线电信号，传输各类数据。然而，同步轨道上能放置的卫星数量有限，多功能扩展就成了这些卫星的主要发展方向，期望卫星能与地面多个终端同时通信，或是能同时覆盖地面上一定的热点地区；对地面卫星通信工作站、车载船载通信系统而言，也希望能同时与多个空中目标通信，或同时均匀覆盖空中一定的搜索范围。这样，就对天线提出了多波束的要求。

天线是卫星通信系统中重要的分系统，随着卫星系统的性能提高和功能扩展，天线从覆盖固定区域的赋形波束发展到多点覆盖的波束。多点波束天线有以下明显优点：1.多点波束天线可以使用空间隔离和极化隔离，实现多次频率复用，从而增加了使用的带宽，使通信容量大为增加。2.多波束天线可以进行波束扫描、波束重构，使系统有很大的灵活性。这在多用途、抗干扰、增强系统分辨率等方面都有重要意义。3.多波束可以使原来单个波束大面积的覆盖变成由多个窄波束的多个小区域覆盖。波束变窄提高了天线的方向性，能捕获更多信息；4.多波束天线的方向图形状和辐射方向可控，在发射时将信号按要求方式分配到各波束端口，在接收时，将每一路接收信号进行加权后再相加到接收机输入端口。多波束天线子系统增强了卫星系统潜在的灵活性和多样性。

使天线实现多波束性能现已有不少方法。目前大体可分为相控阵多波束体制和固定多波束体制。相控阵多波束体制相位控制十分复杂、成本高。固定多波束体制又可分为反射面式和透镜式，其中透镜多波束天线结构较为复杂、造价高、笨重，不适用于大型口径卫星通信系统中；而目前的反射面多波束天线，一般一个馈源对应一个波束，所产生的点波束少且规模小，不能对指定空间角度实现均匀覆盖。反射面多波束天线包括反射面，馈源阵列区域，馈源后面的波束合成网络、开关矩阵、控制电路等，其中馈源阵列布局分布与组合的设计往往是反射面多波束天线中的核心技术与主要难点。合理地设计馈源阵列，对于减少星上或者地面站上设备有效载荷部分的重量、尺寸和体积，提高系统的可靠性来说是十分有意义的。

发明内容

本发明的目的是为了克服以下缺点：

(1)相控阵多波束体制相位控制复杂；

(2)透镜多波束天线结构复杂、笨重，而不适用于卫星通信系统；

(3)一般的反射面多波束天线所产生的点波束少且规模小，不能覆盖指定空间角度。

本发明针对以上缺点提出了一种偏馈抛物面多波束天线馈源阵列的设计方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

偏馈抛物面多波束天线馈源阵列的设计方法，包括如下步骤：

步骤1.确定偏馈抛物反射面天线的主面直径。

本发明所述偏馈抛物面多波束天线主反射面为旋转抛物面与一个圆柱体相截后的一部分，馈源不在正对母抛物面的几何中心，而是偏置一定角度照射所截取的抛物面的中心。反射面的偏置结构消除了馈源及其支架对反射面的遮挡，从而改善了反射面天线由于遮挡造成副瓣电平升高的问题，同时改善了天线的驻波比。根据目标探测或者通信链路中对增益的要求，及从整个装备体制、运行环境、结构配合等多方面综合考虑来确定抛物反射面的口面直径。由于用途和作用距离的不同，通信系统对天线增益的要求存在区别，而增益是与天线口径息息相关的；整个设备的规模大小，系统的重量载荷等也是选择主面直径的重要因素。

步骤2.确定偏馈抛物反射面天线的焦径比。

焦径比的选择是反射面天线设计中一个较重要的参数。焦径比过小，降低馈源偏焦工作的性能，交叉极化电平也会恶化；焦径比过大，会导致馈源照射角变小，反射面截获效率变低，也会增加天线占用空间。焦径比的选择要兼顾馈源照射电平及最终的多波束性能。

步骤3.馈源单元的设计

在反射面天线的设计中，馈源是反射面天线的核心。馈源的设计要结合工作频段、极化要求、工作环境、尺寸重量等，合理选择角锥喇叭，圆喇叭，螺旋等。馈源的设计要细心考虑馈源的照射角，反射面天线设计中要求反射面边缘锥削电平值在-10dB左右，可见步骤3的设计与步骤2要紧密联系起来。

步骤4.设计偏置抛物反射面的偏置距离