CN109921197A - 波束宽角扫描双反射面天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种波束宽角扫描双反射面天线，旨在提供一种功耗低、波束宽角扫描、俯仰扫描增益包络等通量赋形、转动主反射面和副反射面的双伺服双反射面天线。本发明通过下述技术方案实现：馈源与方位伺服机构固定安装在天线使用平台上，主反射面和副反射面分别固定在各自的伺服电机的转子上，方位伺服机构的转子与方位/俯仰伺服机构的定子通过S型折弯联接件连接；方位伺服机构驱动副反射面，主反射面沿方位旋转轴线转动，实现一维扫描；方位/俯仰伺服机构驱动主反射面沿方位/俯仰旋转轴线转动，实现方位俯仰两维扫描，馈源将电磁波发送到副反射面后，电磁波反射散焦再投射到主反射面上，经过主反射面的反射散焦后，再将电磁波发射出去。

Description

波束宽角扫描双反射面天线

技术领域

本发明涉及一种被广泛应用在通信，雷达，微波通信，卫星通信和跟踪以及遥感等各个领域的反射面天线。更具体地说，本发明是关于一种馈源固定不动的通过反射面旋转实现波束宽角扫描的双反射面天线。

背景技术

近年来，反射面天线已经成为卫星通信中的中流砥柱。然而卫星通信等技术对双反射面天线提出了很高的宽角扫描性能要求，即要求该天线在较大的宽角扫描范围中，辐射方向图太大畸变，增益损失很小，副瓣电平满足要求。反射面天线有很多结构，常见的有平面、夹角，单曲面双曲面，单反射面和多反射面等。反射面天线主要由馈源和反射面两部分组成，通常可分为单反射面***和双反射面***。若采用简单馈源，则单反射面天线应为抛物面形或其变形，以使口径得到同相的激励。双反射面天线通常具有较大的灵活性，与单反射面相比，双反射面天线有以下优点：(1)、由于天线有两个反射面，几何参数增多，便于按照各种需要进行灵活的设计；(2)、可以采用短焦距抛物面作为主反射面，减小了天线的纵向尺寸；(3)、由于采用了副反射面，馈源可以安装在抛物面顶点附近，使馈源和接收机之间的传输线缩短，减少了传输线损耗所造成的噪声。多反射面***是多个单反射面的合成。实际需要的结构主要由应用的场所和期望的辐射方向图所决定。反射面天线按辐射方向图、反射面曲面形式或者馈源类型来分类。有两种基本形式：单反射面和双反射面天线。但是由于反射面的反射作用会导致馈源喇叭驻波特性恶化，并且馈源***及其支撑结构的遮挡作用也会使增益和波束效率下降以及旁瓣电平和交叉极化电平升高。在反射面较小的天线***中，如用于中、低轨道移动卫星通信***中的多波束天线或用于扫描雷达的变波束天线，这一影响会更加严重。为了克服旋转对称反射面天线结构上的弱点，一种改良的反射面结构——偏置反射面天线应运而生。例如，偏置抛物面天线是从一般的对称旋转抛物面天线上截取一个椭圆部分，这一椭圆部分在天线焦平面的投影为一圆，而其焦点一般位于圆外。偏置反射面是利用对称反射面的一部分而避开馈源及其支杆的遮挡，这样不但消除了由于遮挡造成的旁瓣电平升高，又改善了馈源的输入电压驻波比。但是同时偏置的结构破坏了反射面的结构对称性，造成交叉极化上升和波束倾斜。特别是馈源偏离焦点，天线实现指定方向的扫描时，这种不对称性体现的更为明显。在实际的应用中，如多波束天线和扫描雷达天线中，一般需要使天线的主瓣偏离抛物面轴向作上下或左右摆动，或者是波瓣绕抛物面轴线作圆锥运动，使波瓣在小角度范围内扫描，以达到搜索跟踪目标的目的。抛物面的作用是使放在焦点上的照射源发出的射线经抛物面反射后都成为平行射线。若反射面采用金属镜面，这时入射到它上面的射线全部被反射而没有显著的损耗。天线的主面和副面是顶点位于焦点的圆锥截旋转对称的抛物面和双曲面(椭球面)所得。馈源一般位于副面的远虚焦点上。自馈源发出的球面电磁波，经椭球面(或双曲面)反射后，变成从副面的近焦点发出的另一球面波，再经抛物面上点的反射后，形成平面波到达口径面。无论是单抛物面天线还是双反射面天线，它们都是把馈源以宽方向图辐射出的电磁波转换成窄方向图的电磁波。反射面形状不是严格的抛物面；馈源辐射的不是球面波；馈源的辐射不能保证抛物面口径场等幅分布且使一部分功率从口径边沿漏溢；馈源及其支撑杆对口径的遮挡等。馈源若不准确置于抛物面焦点也会引起口径效率下降；但有时还有意利用馈源偏离焦点来改变天线波束的指向和宽度。当馈源垂直于抛物面焦轴作上下偏移时，波束最大方向将指向与馈源偏移方向相反的一侧；当馈源沿焦轴作前后偏移时，则波束展宽。然而这类偏移不能太大，否则导致波束形状的严重畸变，偏移越大，增益越低。

卫星通信中，为了提高能量的利用效率以及满足特殊方向图形状的要求，需要对天线的辐射方向图进行赋形。赋形天线是由馈源发出的信号经赋形反射面反射后在远场产生与覆盖区域相对应的方向图，达到等通量波束覆盖的目的。一般根据所需要的方向图来对反射面进行赋形。赋形一般只能通过改变馈源或者反射面形状来实现。反射面天线的效率包含多个效率因子，主要有：截获效率、传输效率、口径效率、交叉极化效率、主面公差效率。这五个因子的乘积就是反射面总的效率的近似值。馈源照射反射面时，有一部分能量越过反射面边缘直接辐射到空间去，所以在考虑反射面的口径利用效率的同时，还必须考虑馈源的能量漏失问题。截获效率是指自馈源辐射出的所有能量中，有多少被反射面所截获。如果是双反射面，则为副面截获效率。抛物面天线的馈源设计同样重要，馈源的性能好坏很大程度上制约反射面天线的性能，高效率的馈源必定会有效地提高反射面天线的整体性能。因此，对馈源提出以下要求：(1)馈源应存在相位中心，从该点发出的波被认为是球面波，经反射面反射到达口径面时相位均匀分布。(2)馈源方向图应具有低副瓣和低交叉极化，过大的副瓣或者后瓣会影响天线的性能，使得增益下降，副瓣变高；交叉极化电平通常低于-30dB。(3)馈源应具有较小的口径和体积，减少对反射的电磁波的馈源遮挡。(4)馈源应具有一定的工作带宽，抛物面天线的带宽主要依赖于馈源的带宽。在实际设计过程中，馈源很难找到一个确定的相位中心，常采用近似辐射球面波的喇叭天线，并将其等效相位中心置于焦点F处。

通信***反射面天线的宽角波束扫描，一般是通过反射面天线整体转动实现。反射面和馈源固定在方位/俯仰座架(A/E座架)上，通过电机伺服驱动座架转动实现波束扫描，而座架的非转动结构固定在通信***使用平台上。由于馈源需要转动，信号传输通道中，就需要增加射频旋转关节，兼顾信号传输和信道转动的需求。每增加一个转轴，就需要增加一个旋转关节。通常要实现波束方位/俯仰二维扫描，用单个馈源很难实现,并且就算单馈源实现了反射面的口径分布和边缘照射电平的要求,馈源的尺寸必然很大,并且馈源遮挡必然相当严重,不利于天线副瓣电平的降低；因此,单馈源方案不可行,必须采用组合馈源方案。然而实现波束方位/俯仰二维扫描的天线的一路信道就需要两个旋转关节，信道数量增加，旋转关节需求就会成倍增加。旋转关节的核心是类同轴传输线的回转体结构，性能跟工作频率和带宽密切相关，频率越高，性能越差。为了提高通信***的性能，减少馈源到功率放大器的传输损耗，通常会将功率放大器安装在A/E座架上，增加伺服驱动负载，增大天线的功耗。由于雷达的工作频率相差太远,接近4个倍频程,

发明内容

本发明任务是针对现有技术存在的不足之处，提供一种重量轻、功耗低、馈源固定不动、波束宽角扫描、俯仰扫描增益包络等通量赋形、转动主反射面和副反射面的双伺服双反射面天线。

本发明实现上述目的所采用的技术方案是：一种波束宽角扫描双反射面天线，包括，安装固定在平台上的馈源1、带方位伺服机构3的副反射面2和带方位/俯仰伺服机构8的主反射面6，其特征在于，馈源1与方位伺服机构3固定安装在天线使用平台上，主反射面6和副反射面2分别固定在各自的伺服电机的转子上，方位伺服机构3的转子与方位/俯仰伺服机构8的定子通过S型折弯联接件5连接；方位伺服机构3驱动副反射面2，主反射面6沿方位旋转轴线4转动，实现天线波束的方位一维扫描；方位/俯仰伺服机构8驱动主反射面6沿方位/俯仰旋转轴线7转动，实现天线波束的方位俯仰两维扫描，馈源1将电磁波发送到副反射面2后，电磁波反射散焦再投射到主反射面6上，经过主反射面6的反射散焦后，再将电磁波发射出去。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

1.天线重量轻。本发明将馈源1与方位伺服机构3固定安装在天线使用平台上，天线不需要整体转动，馈源固定不动，主反射面和副反射面分别固定在两个伺服电机的转子上，反射面与伺服电机之间没有传动结构件；其次，天线没有传统的A/E座架，极大的减小对结构件需求。因此，天线重量轻。

2.天线功耗低。本发明将主反射面6和副反射面2分别固定在各自的伺服电机的转子上，方位伺服机构3的转子与方位/俯仰伺服机构8的定子通过S型折弯联接件5连接，天线伺服电机直接驱动反射面，而不用驱动整个天线、传动件、A/E座架、功放等传统天线负荷。因此，本天线伺服电机驱动负荷低，伺服电机的功耗低，即天线的功耗低。

3.天线波束俯仰扫描增益包络等通量赋形。本发明采用天线伺服电机直接驱动反射面，双伺服双反射面，带动主反射面旋转180°，实现波束俯仰扫描，波束从俯仰面远端扫描到近端，实现了波束俯仰扫描增益包络等通量赋形，增益逐渐降低，减少了通信***链路增益控制的需求由通信距离变化引起，更好的匹配通信***的使用要求。而传统的宽角波束扫描天线，增益不随波束扫描而变化，增加了信道的增益控制需求，增加了***的复杂度。引起天线口径效率的降低，从而引起天线增益降低是优点，更好的满足了通信***的使用需求，通信***需要波束在远端增益高，在近端增益低，而传统的宽角波束扫描天线的增益是稳定不变的，在远端和近端增益相同，波束在远端满足了通信***链路需求，则在近端就大大超过了需求，需要在信道内部进行增益调节控制，增加了***的复杂度，降低了可靠性。

4.天线传输效率高。本发明通过反射面转动实现波束扫描，馈源固定不动，不需要在馈线部分增加射频旋转关节，减少了馈线损失，从而提高了天线传输效率。

5.天线成本低。本发明通过电机直接驱动反射面转动实现波束扫描，馈源固定不动，不需要传统的射频旋转关节、A/E座架、传动件、高功率电机等。因此，天线成本低。

本发明天线馈源固定，不需要旋转关节，转动反射面就能实现波束大角度扫描，传输效率高，波束俯仰扫描能实现增益赋形，没有传统的A/E座架等结构件，天线重量轻，功耗低。特别适用于低轨道卫星通信载荷使用。

附图说明

本发明的具体结构由以下的实施及其附图给出。

图1是本发明波束宽角扫描双反射面天线的工作状态结构示意图。

图中：1馈源，2副反射面，3方位伺服机构，4方位旋转轴线，5S型折弯联接件，6主反射面，7方位/俯仰旋转轴线，8方位/俯仰伺服机构。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，一种波束宽角扫描双反射面天线，包括，安装固定在平台上的馈源1、带方位伺服机构3的副反射面2和带方位/俯仰伺服机构8的主反射面6，其特征在于，馈源1与方位伺服机构3固定安装在天线使用平台上，主反射面6和副反射面2分别固定在各自的伺服电机的转子上，方位伺服机构3的转子与方位/俯仰伺服机构8的定子通过S型折弯联接件5连接；方位伺服机构3驱动副反射面2，主反射面6沿方位旋转轴线4转动，实现天线波束的方位一维扫描；方位/俯仰伺服机构8驱动主反射面6沿方位/俯仰旋转轴线7转动，实现天线波束的方位俯仰两维扫描，馈源1将电磁波发送到副反射面2后，电磁波反射散焦再投射到主反射面6上，经过主反射面6的反射散焦后，再将电磁波发射出去。

副反射面2为双曲面，且工作面为凹面，口径面由双曲面与椭圆柱体相交而成。副反射面2固定在方位伺服机构3的转子上，可沿方位旋转轴线4旋转360°，其口面法线与方位旋转轴线4呈锐角放置。

方位旋转轴线4与馈源1的口面法线重合。方位旋转轴线4与方位/俯仰旋转轴线7不正交。

S型折弯联接件5为中空管件结构，中空部分为供电和控制电缆通道。S型折弯联接件5将方位伺服机构3的转子与方位/俯仰伺服机构8的定子连接。

主反射面6为抛物面，口径面由抛物面与圆柱体相交而成。的主反射面6固定在方位/俯仰伺服机构8的转子上，可沿方位/俯仰旋转轴线7旋转360°，其口面法线与方位/俯仰旋转轴线7呈锐角放置。

主反射面6、方位/俯仰伺服机构8与S型折弯联接件5的组合体固定在方位伺服机构3的转子上，可沿方位旋转轴线4旋转360°。

馈源1与方位伺服机构3固定安装在天线使用平台上，主反射面6和副反射面2分别固定在各自的伺服电机的转子上，方位伺服机构3的转子与方位/俯仰伺服机构8的定子通过S型折弯联接件5连接；方位伺服机构3驱动副反射面2和主反射面6沿方位旋转轴线4转动，实现天线波束的方位一维扫描；方位/俯仰伺服机构8驱动主反射面6沿方位/俯仰旋转轴线7转动，实现天线波束的方位俯仰两维扫描，馈源1将电磁波发送到副反射面2后，电磁波反射散焦再投射到主反射面6上，经过主反射面6的反射散焦后，再将电磁波发射出去。

本发明的工作原理是：发射工作状态时，馈源1将电磁波发送到副反射面2后，电磁波反射散焦再投射到主反射面6上，经过主反射面6的反射散焦后，再将电磁波发射出去。接收过程工作原理与发射过程的刚好相反。天线波束扫描工作时，馈源1固定不动。通过副反射面2、S型折弯联接件5、方位/俯仰伺服机构8和主反射面6沿方位旋转轴线4转动，实现天线波束的方位一维扫描；主反射面6单独沿方位/俯仰旋转轴线7转动，则实现天线波束的方位俯仰两维扫描。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明中，只是用于帮助理解本发明的方法及设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书实施例的内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种波束宽角扫描双反射面天线，包括，安装固定在平台上的馈源(1)、带方位伺服机构(3)的副反射面(2)和带方位/俯仰伺服机构(8)的主反射面(6)，其特征在于，馈源(1)与方位伺服机构(3)固定安装在天线使用平台上，主反射面(6)和副反射面(2)分别固定在各自的伺服电机的转子上，方位伺服机构(3)的转子与方位/俯仰伺服机构(8)的定子通过S型折弯联接件(5)连接；方位伺服机构(3)驱动副反射面(2)，主反射面(6)沿方位旋转轴线(4)转动，实现天线波束的方位一维扫描；方位/俯仰伺服机构(8)驱动主反射面(6)沿方位/俯仰旋转轴线(7)转动，实现天线波束的方位俯仰两维扫描，馈源(1)将电磁波发送到副反射面(2)后，电磁波反射散焦再投射到主反射面(6)上，经过主反射面(6)的反射散焦后，再将电磁波发射出去。

2.如权利要求1所述的波束宽角扫描双反射面天线，其特征在于，副反射面(2)为双曲面，且工作面为凹面，口径面由双曲面与椭圆柱体相交而成；且固定在方位伺服机构(3)转子上，可沿方位旋转轴线(4)旋转360°，其口面法线与方位旋转轴线(4)呈锐角放置。

3.如权利要求1所述的波束宽角扫描双反射面天线，其特征在于，S型折弯联接件(5)为中空管件结构，中空部分为供电和控制电缆通道。

4.如权利要求1所述的波束宽角扫描双反射面天线，其特征在于，S型折弯联接件(5)将方位伺服机构(3)的转子与方位/俯仰伺服机构(8)的定子连接。

5.如权利要求1所述的波束宽角扫描双反射面天线，其特征在于，主反射面(6)为抛物面，口径面由抛物面与圆柱体相交而成，且固定在方位/俯仰伺服机构(8)的转子上，可沿方位/俯仰旋转轴线(7)旋转360°，其口面法线与方位/俯仰旋转轴线(7)呈锐角放置。

6.如权利要求1所述的波束宽角扫描双反射面天线，其特征在于，主反射面(6)、方位/俯仰伺服机构(8)与S型折弯联接件(5)的组合体固定在方位伺服机构(3)的转子上，可沿方位旋转轴线(4)旋转360°。

7.如权利要求1所述的波束宽角扫描双反射面天线，其特征在于，方位伺服机构(3)驱动副反射面(2)和主反射面(6)沿方位旋转轴线(4)转动，实现天线波束的方位一维扫描。

8.如权利要求1所述的波束宽角扫描双反射面天线，其特征在于，方位/俯仰伺服机构(8)驱动主反射面(6)沿方位/俯仰旋转轴线(7)转动，实现天线波束的方位俯仰两维扫描。

9.如权利要求1所述的波束宽角扫描双反射面天线，其特征在于，接收过程工作与发射过程相反，天线波束扫描工作时，馈源1固定不动，通过副反射面(2)、S型折弯联接件(5)、方位/俯仰伺服机构(8)和主反射面(6)沿方位旋转轴线(4)转动，实现天线波束的方位一维扫描。

10.如权利要求1所述的波束宽角扫描双反射面天线，其特征在于，主反射面(6)单独沿方位/俯仰旋转轴线(7)转动，则实现天线波束的方位俯仰两维扫描。