CN102800993B

CN102800993B - 一种双频段波束等化侧馈偏置卡塞格伦天线及其实现方法

Info

Publication number: CN102800993B
Application number: CN201210252350.8A
Authority: CN
Inventors: 张卫兵; 丁伟; 谢苏隆; 王旭东; 陶啸; 陈博
Original assignee: China Academy of Space Technology CAST
Current assignee: China Academy of Space Technology CAST
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2032-07-20
Also published as: CN102800993A

Abstract

本发明涉及一种双频段波束等化侧馈偏置卡塞格伦天线及其实现方法，该天线包括四副标准侧馈偏置卡塞格伦天线，每副天线包括主反射器、副反射器和馈源组件，其中四副侧馈偏置卡塞格伦天线为标准形式，收发共用，每个馈源组件由多个样条赋形光壁喇叭馈源组成，每个样条赋形光壁喇叭馈源由样条赋形光壁喇叭、方圆过渡、圆极化器、方方过渡和正交模耦合器顺序连接形成，其低频发射方向图的主瓣、高频接收方向图的第一旁瓣照射反射器，馈源组件的相位中心置于应位于反射器的焦平面上，且指向等效反射面的中心，本发明使天线收发方向图具有相等的波束宽度，且结构简单、轻便、设计容易、性能优良、实用性强等优点，并且具有良好的抗同频干扰能力。

Description

一种双频段波束等化侧馈偏置卡塞格伦天线及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种双频段波束等化侧馈偏置卡塞格伦天线及其实现方法，属于天线技术领域。

背景技术

随着卫星宽带多媒体业务需求的快速增长，使相对空闲的Ka频段代替C频段和Ku频段，成为全球各地特别是欧美地区高清电视及宽带多媒体双向业务的首选频段。目前，Ka频段宽带多媒体通信卫星大多使用高增益多波束天线，采用多色复用形式实现大容量和广覆盖特性。此外，为了获得高效传输，要求多波束天线具有低旁瓣特性，以减小同频波束之间的干扰。

星载高增益低旁瓣多波束天线主要有直射相控阵天线和反射面+阵列馈源天线两大类。直射相控阵天线波束形成网络复杂，当形成多个波束时通道组件成倍增加，最终导致整副相控阵天线重量、功耗和热耗都比较大，并且其工作频率带宽有限。单口径单馈源子波束形成多波束，其效率较低，旁瓣较高；单口径多馈源优化合成多波束，当系统所需波束数目较多时馈电网络复杂，需要大量的移相衰减组件和控制组件，实现难度较大；多口径单馈源子波束形成多波束，每副口径天线可以选择较大口径的喇叭馈源，不同口径天线对应的馈源阵形成的波束间隔排列，无需复杂的馈电网络就能实现高增益和低旁瓣无缝覆盖。

目前，星上使用的Ka频段多口径单馈源多波束天线主要有两类：收发分开和收发共用。收发分开形式收发频段各使用一套天馈系统，收发天线口径电尺寸相当，从而获得收发波束宽度的一致性；收发共用形式收发频段使用一套天馈系统，采用双频馈源，反射器边缘采用二色性材料或者阶梯圆环，使高频电磁波在反射器边缘透射或者抵消，从而使收发天线口径电尺寸相当，获得收发波束宽度的一致性。前者质量和体积较大，结构也较为复杂；后者反射器加工较为困难。

由于现有卫星平台的限制，对天线的包络尺寸、结构特性有严格的要求，因此收发分开多波束天线难以满足要求；而目前采用二色性材料和阶梯圆环反射器的收发共用多波束天线，其反射器加工工艺复杂，并且热变形情况下天线电性能急剧恶化，因此也很难满足要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种双频段波束等化侧馈偏置卡塞格伦天线，通过使用馈源低频发射方向图的主瓣、高频接收方向图的第一旁瓣照射反射器，使天线收发方向图具有相等的波束宽度，具有结构简单、轻便、设计容易、性能优良、实用性强等优点，并且具有良好的抗同频干扰能力。

本发明的另外一个目的在于提供一种双频段波束等化侧馈偏置卡塞格伦天线的实现方法。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种双频段波束等化侧馈偏置卡塞格伦天线，包括四副分布在卫星上的标准侧馈偏置卡塞格伦天线，每副标准侧馈偏置卡塞格伦天线包括主反射器、副反射器、馈源组件、第一展开机构和第二展开机构，其中主反射器、与副反射器之间通过第二展开机构连接，主反射器通过第一展开机构连接在卫星上，所述馈源组件包含n个样条赋形光壁喇叭馈源，每个样条赋形光壁喇叭馈源指向副反射器，每个样条赋形光壁喇叭馈源的相位中心置于标准侧馈偏置卡塞格伦天线焦平面，且指向等效反射面的中心，每个样条赋形光壁喇叭馈源由样条赋形光壁喇叭、方圆过渡、圆极化器、方方过渡和正交模耦合器顺序连接形成，且样条赋形光壁喇叭的Ka频段方向图第一旁瓣与K频段方向图主瓣-12～-15dB均位于标准侧馈偏置卡塞格伦天线的馈源照射角θ_a处，其中n为正整数，n≥8。

在上述双频段波束等化侧馈偏置卡塞格伦天线中，样条赋形光壁喇叭根据标准侧馈偏置卡塞格伦天线的馈源照射角θ_a和样条赋形光壁喇叭馈源的最大口径D_f设计得到，所述样条赋形光壁喇叭馈源的最大口径D_f根据卫星通信覆盖区域及四色复用规划计算得出。

在上述双频段波束等化侧馈偏置卡塞格伦天线中，样条赋形光壁喇叭的Ka频段1.6GHz工作频带内方向图第一旁瓣与K频段1.6GHz工作频带内方向图主瓣-12～-15dB均位于标准侧馈偏置卡塞格伦天线的馈源照射角θ_a处。

在上述双频段波束等化侧馈偏置卡塞格伦天线中，四副标准侧馈偏置卡塞格伦天线中的馈源组件包含的样条赋形光壁喇叭馈源的数目可以相同或不相同。

一种双频段波束等化侧馈偏置卡塞格伦天线的实现方法，包括如下步骤：

第一步：根据卫星平台所要求的天线尺寸，设计四副标准侧馈偏置卡塞格伦天线，得到馈源照射角θ_a；

第二步：根据卫星通信覆盖区域及四色复用规划，计算出馈源最大口径D_f；

第三步：根据第一步得到的标准侧馈偏置卡塞格伦天线的馈源照射角θ_a与第二步得到的馈源口径D_f，设计样条赋形光壁喇叭，使样条赋形光壁喇叭的Ka频段方向图第一旁瓣与K频段方向图主瓣-12～-15dB均位于θ_a处；

第四步：将第三步得到的样条赋形光壁喇叭与方圆过渡、圆极化器、方方过渡和正交模耦合器顺序连接，得到样条赋形光壁喇叭馈源，n个样条赋形光壁喇叭馈源形成一个馈源组件，共形成四个馈源组件，其中n为正整数，n≥8

第五步：将第四步得到的馈源组件安装在第一步得到的标准侧馈偏置卡塞格伦天线中，每副标准侧馈偏置卡塞格伦天线安装一个馈源组件，并使每个样条赋形光壁喇叭馈源的相位中心置于标准侧馈偏置卡塞格伦天线焦平面，且指向等效反射面的中心。

在上述双频段波束等化侧馈偏置卡塞格伦天线的实现方法中，第三步中样条赋形光壁喇叭的Ka频段1.6GHz工作频带内方向图第一旁瓣与K频段1.6GHz工作频带内方向图主瓣-12～-15dB均位于标准侧馈偏置卡塞格伦天线的馈源照射角θ_a处。

在上述双频段波束等化侧馈偏置卡塞格伦天线的实现方法中，第四步中四个馈源组件中包含的样条赋形光壁喇叭馈源的数目可以相同或不相同。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明创造性地使用馈源低频发射方向图的主瓣、高频接收方向图的第一旁瓣照射反射器，使天线收发方向图具有相等的波束宽度，实现了收发共用，与收发分开天线系统相比具有结构简单、轻便的优点，与目前收发共用天线系统相比具有原理简单、加工方便、容易实现的优点，在技术上具有很大的进步性；

(2)本发明使用标准侧馈偏置卡塞格伦天线，回避了现有收发共用天线二色性材料和阶梯圆环反射器设计难度大和加工工艺复杂等问题，且反射面加工简单，热变形情况下对电性能影响小；

(3)本发明使用的馈源由样条赋形双频段光壁喇叭、方圆过渡、圆极化器、方方过渡和正交模耦合器顺序连接形成，其中样条赋形双频段光壁喇叭与现有喇叭馈源相比，工作带宽很宽，收发各1.6GHz，具有对称性好、交叉极化电平低等优点，此外还具有加工一致性良好的优点；

(4)本发明天线通过在焦平面内调整馈源喇叭，使其指向等效反射面中心，实现覆盖区边缘波束与中心波束的等化性，且操作方便易行；

(5)本发明天线具有高增益低旁瓣特性，具有良好的抗同频干扰能力，仿真表明其的C/I(载波-同频干扰比)优于14dB；

(6)本发明解决了收发波束等化、低旁瓣高增益和偏焦后天线电性能保持问题，可以应用于Ka频段收发共用天线、多口径多波束天线、单口径多波束天线、宽角扫描天线等领域，具有广阔的应用领域；且该天线基于自身方案特点，具有原理简单、设计容易、性能优良、应用方便和实用性强等优点，在高性能宽带通信卫星、宽带多媒体卫星和宽角扫描侦察卫星中，有着很强的实用性和市场竞争力。

附图说明

图1为本发明四口径多波束天线结构示意图；

图2为本发明侧馈偏置卡塞格伦天线结构示意图；

图3为本发明样条赋形双频段光壁喇叭样条控制点示意图；

图4为本发明样条赋形双频段光壁喇叭结构示意图；

图5为本发明馈源接收波束照射反射面示意图；

图6为本发明天线覆盖区示意图；

图7为本发明样条赋形双频段光壁喇叭馈源方向图仿真曲线；

图8为本发明侧馈偏置卡塞格伦天线次级方向图仿真曲线；

图9为本发明样条赋形光壁喇叭馈源指向示意图；

图10a为本发明侧馈偏置卡塞格伦天线K频段偏焦特性仿真曲线图；

图10b为本发明侧馈偏置卡塞格伦天线Ka频段偏焦特性仿真曲线图；

图11为本发明侧馈偏置卡塞格伦天线C/I特性仿真曲线图；

其中，1.侧馈偏置卡塞格伦天线；2.主反射器；3.副反射器；4.馈源组件；5.样条赋形光壁喇叭馈源；6.样条赋形光壁喇叭；7.方圆过渡；8.圆极化器；9.方方过渡；10.正交模耦合器；11.第一展开机构；12.第二展开机构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明采用四口径侧馈偏置卡塞格伦天线来实现收发波束等化、覆盖区边缘波束与中心波束等化，其结构如图1所示，包括四副标准侧馈偏置卡塞格伦天线1(图1中A、B、C、D)，四副侧馈偏置卡塞格伦天线1为标准形式，收发共用。每副天线由主反射器2、副反射器3、馈源组件4、第一展开机构11和第二展开机构12组成，主反射器2与副反射器3之间通过第二展开机构12连接，主反射器2通过第一展开机构11连接在卫星上，每个馈源组件4包含n个(n≥8)样条赋形光壁喇叭馈源5。本实施例中四副标准侧馈偏置卡塞格伦天线1共有四个馈源组件4。四个馈源组件4中样条赋形光壁喇叭馈源5的数目可以相同或不相同，例如本实施例中四个馈源组件4分别包含10个、12个、10个、8个样条赋形光壁喇叭馈源5。本实施例中天线1A与天线1C的馈源组件4分别位于卫星的两个侧壁上(图1中仅仅可以看到天线1C的馈源组件4)，天线1B与天线1D的馈源组件4均位于卫星的顶部对角线上。如图2所示为本发明侧馈偏置卡塞格伦天线结构示意图。

本发明实施例中双频段波束等化侧馈偏置卡塞格伦天线的具体实现方法如下：

第一步：根据卫星平台所要求的天线尺寸，设计四副标准侧馈偏置卡塞格伦天线1，得到馈源照射角θ_a。

第二步：根据卫星通信覆盖区域及四色复用规划，计算出馈源最大口径D_f。

第三步：根据第一步得到的标准侧馈偏置卡塞格伦天线1的馈源照射角θ_a与第二步得到的馈源口径D_f，设计样条赋形光壁喇叭6，使样条赋形光壁喇叭6的Ka频段1.6GHz工作频带内方向图第一旁瓣与K频段1.6GHz工作频带内方向图主瓣-12～-15dB均位于θ_a处。

第四步：如图4所示为本发明样条赋形双频段光壁喇叭结构示意图，由图可知每个样条赋形光壁喇叭馈源5由样条赋形光壁喇叭6、方圆过渡7、圆极化器8、方方过渡9和正交模耦合器10组成。将第三步得到的样条赋形光壁喇叭6与方圆过渡7、圆极化器8、方方过渡9和正交模耦合器10顺序连接，得到样条赋形光壁喇叭馈源5，分别使用10、12、10、8个样条赋形光壁喇叭馈源5组成四个馈源组件4，分别用于A、B、C、D四副标准侧馈偏置卡塞格伦天线1(见图1)。如图3所示为本发明样条赋形双频段光壁喇叭样条控制点示意图。

第五步：将第四步得到的馈源组件4安装在第一步得到的标准侧馈偏置卡塞格伦天线1中，每副标准侧馈偏置卡塞格伦天线1安装一个馈源组件4，并使每个样条赋形光壁喇叭馈源的相位中心置于标准侧馈偏置卡塞格伦天线1焦平面，且指向等效反射面的中心。

本发明天线馈源采用样条赋形双频段光壁喇叭6，此类馈源具有对称性好、交叉极化电平低等优点，此外还具有加工一致性良好的优点。由于工作在Ka/K双频段，且收发频段均具有1.6GHz的大工作带宽，并且要求在整个频段内电性能一致，因此本发明样条赋形双频段光壁喇叭6与传统的喇叭有较大差异。通过优化样条函数、调节样条控制点等手段，使样条赋形双频段光壁喇叭6在工作频带内的电性能保持一致，最后得到馈源喇叭口径为94mm，纵向尺寸为300mm，K频段效率最低为70.5％，Ka频段效率最低为60.0％，如图7所示为本发明样条赋形双频段光壁喇叭馈源方向图仿真曲线。馈源的低频发射方向图的主瓣、高频接收方向图的第一旁瓣照射反射器，使收发频段反射器的有效电尺寸相当，从而使天线上下行方向图具有相等的波束宽度，如图5所示为本发明馈源接收波束照射反射面示意图。如图8所示为本发明侧馈偏置卡塞格伦天线次级方向图仿真曲线，由图8可知天线上下行方向图主瓣基本重合，即具有相等的波束宽度，且上下行旁瓣电平均优于25dB。

如图6所示为本发明天线覆盖区示意图，为了扩大通信容量、减小同频干扰，在覆盖区内采用四色复用，使用40个波束实现天线覆盖区的无缝覆盖。由于天线覆盖区较大，因此边缘波束对应的馈源横向偏焦较大，导致边缘波束产生畸变，使覆盖区边缘无法实现无缝覆盖，从而影响整副天线性能。为了解决该问题，本发明采用一种简单有效的措施：在焦平面内调整样条赋形光壁喇叭馈源5，将样条赋形光壁喇叭馈源5指向等效反射面中心，如图9所示为本发明样条赋形光壁喇叭馈源指向示意图。

如图10a所示为本发明侧馈偏置卡塞格伦天线K频段偏焦特性仿真曲线图，图10b所示为本发明侧馈偏置卡塞格伦天线Ka频段偏焦特性仿真曲线图，图10给出了馈源调整前后方向图扫描情况，调整后边缘波束与中心波束方向图相一致。

如图11所示为本发明侧馈偏置卡塞格伦天线C/I特性仿真曲线图，其中图11a、11b、11c、11d分别给出了本发明A、B、C、D四副标准侧馈偏置卡塞格伦天线1的C/I(载波-同频干扰比)特性仿真曲线，由图可知C/I优于14dB。

本发明的设计原理图下：

侧馈偏置卡塞格伦天线结构紧凑，副面和馈源尺寸的增大对天线系统总体尺寸的影响不大，在同等辐射增益和结构尺寸的前提下，具有大的焦径比，因而具有副瓣和交叉极化电平低、馈源偏焦后对电性能影响较小等优点。本发明根据卫星平台对天线包络尺寸的要求，使用标准侧馈偏置卡塞格伦天线，设计了四口径收发共用多波束天线。馈源使用样条赋形双频段光壁喇叭，此类馈源具有对称性好、交叉极化电平低等优点，此外还具有加工一致性良好的优点。通过优化样条函数、调节样条控制点等手段，使馈源喇叭在Ka/K收发频段各1.6GHz工作频带内电性能保持一致。通过优化馈源喇叭，使其低频发射方向图的主瓣、高频接收方向图的第一旁瓣照射反射器，即使收发频段的反射面有效电尺寸相当，从而使天线收发方向图具有相等的波束宽度。通过在焦平面内调整馈源喇叭，使其指向等效反射面中心，实现覆盖区边缘波束与中心波束的等化性。

本发明创造性地使用馈源低频发射方向图的主瓣、高频接收方向图的第一旁瓣照射反射器，使天线收发方向图具有相等的波束宽度，实现了收发共用，同时使用了标准反射器，回避了结构复杂的收发共用天线设计、加工难度大和技术风险较大的二色性材料和阶梯圆环反射器设计。

本发明解决了收发波束等化、低旁瓣高增益和偏焦后天线电性能保持问题，可以应用于Ka频段收发共用天线、多口径多波束天线、单口径多波束天线、宽角扫描天线等领域。该天线基于自身方案特点，具有原理简单、性能优良等优点，在高性能宽带通信卫星、宽带多媒体卫星和宽角扫描侦察卫星中，有着很强的实用性和市场竞争力。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知技术。

Claims

1.一种双频段波束等化侧馈偏置卡塞格伦天线，其特征在于：包括四副分布在卫星上的标准侧馈偏置卡塞格伦天线(1)，每副标准侧馈偏置卡塞格伦天线(1)包括主反射器(2)、副反射器(3)、馈源组件(4)、第一展开机构(11)和第二展开机构(12)，其中主反射器(2)、与副反射器(3)之间通过第二展开机构(12)连接，主反射器(2)通过第一展开机构(11)连接在卫星上，所述馈源组件(4)包含n个样条赋形光壁喇叭馈源(5)，每个样条赋形光壁喇叭馈源(5)指向副反射器(3)，每个样条赋形光壁喇叭馈源(5)的相位中心置于标准侧馈偏置卡塞格伦天线(1)焦平面，且指向等效反射面的中心，每个样条赋形光壁喇叭馈源(5)由样条赋形光壁喇叭(6)、方圆过渡(7)、圆极化器(8)、方方过渡(9)和正交模耦合器(10)顺序连接形成，且样条赋形光壁喇叭(6)的Ka频段方向图第一旁瓣与K频段方向图主瓣-12～-15dB均位于标准侧馈偏置卡塞格伦天线(1)的馈源照射角θ_a处，其中n为正整数，n≥8。

2.根据权利要求1所述的一种双频段波束等化侧馈偏置卡塞格伦天线，其特征在于：所述样条赋形光壁喇叭(6)根据标准侧馈偏置卡塞格伦天线(1)的馈源照射角θ_a和样条赋形光壁喇叭馈源(5)的最大口径D_f设计得到，所述样条赋形光壁喇叭馈源(5)的最大口径D_f根据卫星通信覆盖区域及四色复用规划计算得出。

3.根据权利要求1所述的一种双频段波束等化侧馈偏置卡塞格伦天线，其特征在于：所述样条赋形光壁喇叭(6)的Ka频段1.6GHz工作频带内方向图第一旁瓣与K频段1.6GHz工作频带内方向图主瓣-12～-15dB均位于标准侧馈偏置卡塞格伦天线(1)的馈源照射角θ_a处。

4.根据权利要求1所述的一种双频段波束等化侧馈偏置卡塞格伦天线，其特征在于：所述四副标准侧馈偏置卡塞格伦天线(1)中的馈源组件(4)包含的样条赋形光壁喇叭馈源(5)的数目可以相同或不相同。

5.一种双频段波束等化侧馈偏置卡塞格伦天线的实现方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步：根据卫星平台所要求的天线尺寸，设计四副标准侧馈偏置卡塞格伦天线(1)，得到馈源照射角θ_a；

第三步：根据第一步得到的标准侧馈偏置卡塞格伦天线(1)的馈源照射角θ_a与第二步得到的馈源最大口径D_f，设计样条赋形光壁喇叭(6)，使样条赋形光壁喇叭(6)的Ka频段方向图第一旁瓣与K频段方向图主瓣-12～-15dB均位于θ_a处；

第四步：将第三步得到的样条赋形光壁喇叭(6)与方圆过渡(7)、圆极化器(8)、方方过渡(9)和正交模耦合器(10)顺序连接，得到样条赋形光壁喇叭馈源(5)，n个样条赋形光壁喇叭馈源(5)形成一个馈源组件(4)，共形成四个馈源组件(4)，其中n为正整数，n≥8；

第五步：将第四步得到的馈源组件(4)安装在第一步得到的标准侧馈偏置卡塞格伦天线(1)中，每副标准侧馈偏置卡塞格伦天线(1)安装一个馈源组件(4)，并使每个样条赋形光壁喇叭馈源(5)的相位中心置于标准侧馈偏置卡塞格伦天线(1)焦平面，且指向等效反射面的中心。

6.根据权利要求5所述的一种双频段波束等化侧馈偏置卡塞格伦天线的实现方法，其特征在于：所述第三步中样条赋形光壁喇叭(6)的Ka频段1.6GHz工作频带内方向图第一旁瓣与K频段1.6GHz工作频带内方向图主瓣-12～-15dB均位于标准侧馈偏置卡塞格伦天线(1)的馈源照射角θ_a处。

7.根据权利要求5所述的一种双频段波束等化侧馈偏置卡塞格伦天线的实现方法，其特征在于：所述第四步中四个馈源组件(4)中包含的样条赋形光壁喇叭馈源(5)的数目可以相同或不相同。