CN110391499A - 宽角波束扫描反射面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种宽角波束扫描反射面天线，旨在提供一种功耗低、传输效率高、极化方式不受限制的反射面天线。本发明通过下述技术方案予以实现：方位伺服机构相连俯仰伺服机构构成组合的二维伺服机构，并且二维伺服机构上连接有溅射板(3)，馈源(4)通过波导馈线(10)固定在溅射板的中心而固定不动；溅射板的下方设有通过固定安装在天线平台(1)上的折弯结构件(9)连接的反射面(2)，方位伺服机构驱动俯仰伺服机构，带动溅射板绕方位旋转轴线(7)和俯仰旋转轴线(8)旋转，实现天线波束的俯仰面有限扫描及方位面宽角扫描；馈源将电磁波发送到反射面后，电磁波反射散焦投射到溅射板上，经过溅射板的镜像反射后，再将电磁波发射出去。

Description

宽角波束扫描反射面天线
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旋转溅射板实现方位面波束宽角扫描的反射面天线。
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，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。特别是机械扫描反射面天线,都要求仔细考虑机械设计的细节。即使在动态工作和各种环境条件下,反射面也必须设计和制造成能满足理想表面的严格容差。其次，馈源的安装必须使它的相位中心在反射面的焦点上，并精确对准反射面的中心。馈源支架结构和反射面后面的支撑结构在天线扫描或旋转时必须保持必需的刚度，以使辐射性能的下降最小。为了减小风阻和重量，许多反射面都设计成管状栅格或线网状表面，将孔的尺寸选得尽可能大。在每一种情形下，对所使用的极化方式，在H面内缝隙S都必须小于λ/2，以使电磁能经过时处于截止状态。
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。传输损耗是反射和吸收所损失能量的量度。散射能量与结合点有关的能量损耗是呈球面散射掉的。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。偏置反射面天线的实质是把馈源和副面移出主反射面的辐射区，消除它们对主面的阻挡。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取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，为了实现宽角扫描,减少了天线在扫描过程中所需馈源阵单元的数目,或者说在馈源阵单元数目给定的情况下,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。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。要使馈源对副面的照射效率最大，馈源的波束指向应该是馈源与副面中心的连线方向，而从等效抛物面角度来看，这样会加大天线口径场交叉极化分量：要使天线口径场的交叉极化分量到最低，应使馈源的波束指向与等效抛物面的对称轴重合，而对副面，这样又会造成馈源能量的漏射，甚至使得大部分能量照不到副面上。
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***天线平台上。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，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。雷达***中的倒置卡塞格伦天线，通过极化扭转板的转动实现波束宽角扫描，而馈源和反射面固定不动，馈源连接T/R信道，而其间不需要引入旋转关节。该天线的一个显著特点是极化方式应用受限，只适用于线极化应用。其原因在于，倒置卡塞格伦天线的反射面具有极化选择的特性，入射电磁波的线极化方向与反射面上的金属丝平行，则电磁波全部反射回来，而入射电磁波的线极化方向与反射面上的金属丝垂直，则电磁波全部透射出去。而极化扭转板具有，既改变反射波方向，又极化方向扭转90度的功能，通过金属丝反射的电磁波，再通过极化扭转板反射后，就能透射过金属丝，实现天线的定向辐射。偏置卡塞格伦双反射面天线的固定参数设计完成后，通过馈源的偏焦可实现波束扫描，但在扫描过程中，针对某一具体扫描角度，需要对天线***中馈源的位置以及馈源对副面的最佳指向进行确定。
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、传输效率高、极化方式不受限制的反射面天线。
本发明实现上述目的所采用的技术方案是：一种宽角波束扫描反射面天线，包括，安装固定在天线平台1上的方位伺服机构5和俯仰伺服机构6，固联在波导馈线10上的馈源4，其特征在于，方位伺服机构5相连俯仰伺服机构6构成组合的二维伺服机构，并且二维伺服机构上连接有溅射板3，馈源4通过波导馈线10的波导法兰盘固定在溅射板3的中心而固定不动；溅射板3的下方设有通过固定安装在天线平台1上的折弯结构件9连接的反射面2，方位伺服机构5驱动俯仰伺服机构6，带动溅射板3绕方位旋转轴线7和俯仰旋转轴线8旋转，实现天线波束的俯仰面有限扫描及方位面宽角扫描；馈源4将电磁波发送到反射面2后，电磁波反射散焦投射到溅射板3上，经过溅射板3的镜像反射后，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4与反射面2固定安装在天线平台1上，天线不需要整体转动，馈源固定不动，不需要旋转关节，就能实现宽角波束扫描，减少了无源微波器件；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。本发明将溅射板3固定在俯仰伺服机构6的转子上，天线伺服电机直接驱动溅射板3，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.天线传输效率高。本发明通过溅射板3转动实现波束扫描，馈源4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。天线波束扫描工作时，馈源4固定不动。通过俯仰伺服机构6和溅射板3沿方位旋转轴线7转动，方位波束扫描角度是溅射板3方位转动角度的1倍，单独沿俯仰旋转轴线8转动，实现天线波束的俯仰有限扫描，且俯仰波束扫描角度是溅射板3俯仰转动角度的2倍，从而提高了天线传输效率。
4.极化方式不受限制。本发明通过溅射板3反射的电磁波，从侧面辐射出去，不经过反射面2，天线工作的极化方式不受限制。因此，天线可以全极化工作。在宽角扫描范围内,反射面2的方位波束扫描角度是溅射板3方位转动角度的1倍，所形成的方向图无大的畸变,增益损失很小。
5.天线成本低。本发明在溅射板3的下方设通过固定安装在天线平台1上的折弯结构件9连接的反射面2，通过电机直接驱动溅射板3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，占用空间小、成本低、口径利用效率高。因此，天线成本低。
本发明特别适用于低轨道卫星星间链路通信载荷使用。
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是本发明新型宽角波束扫描反射面天线的工作状态结构示意图。
图中：1天线平台，2反射面，3溅射板，4馈源，5方位伺服机构，6俯仰伺服机构，7方位旋转轴线，8俯仰旋转轴线，9折弯结构件，10馈线波导。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的实施例中，一种宽角波束扫描反射面天线，包括，安装固定在天线平台1上的方位伺服机构5和俯仰伺服机构6，固联在波导馈线10上的馈源4，其特征在于，方位伺服机构5相连俯仰伺服机构6构成组合的二维伺服机构，并且二维伺服机构上连接有溅射板3，馈源4通过波导馈线10的波导法兰盘固定在溅射板3的中心而固定不动；溅射板3的下方设有通过固定安装在天线平台1上的折弯结构件9连接的反射面2，方位伺服机构5驱动俯仰伺服机构6，带动溅射板3绕方位旋转轴线7和俯仰旋转轴线8旋转，实现天线波束的俯仰面有限扫描及方位面宽角扫描；馈源4将电磁波发送到反射面2后，电磁波反射散焦投射到溅射板3上，经过溅射板3的镜像反射后，再将电磁波发射出去。
反射面2为抛物面，焦径比大于0.5，口径面由抛物面与圆柱体相交而成。反射面2通过固定在天线平台1上的折弯结构件9连接在溅射板3的下方。
馈源4的相位中心置于反射面2的焦点上，与固定在天线平台1上的馈线波导10刚性连接。
馈源4通过在溅射板3上开孔的方式，穿过溅射板3，开孔的尺寸保证溅射板3在转动过程中不与馈源4物理干涉。
溅射板3固定在俯仰伺服机构6的转子上，可沿俯仰旋转轴8轴线旋转有限角度。溅射板3为平板，口径面轮廓为椭圆形，椭圆的短轴长度大于反射面2口面的半径，长轴长度大于反射面2口面半径的至少1.4倍。
溅射板3口面中心与反射面2口面的垂直距离大于反射面2的焦距，具体距离由溅射板3的俯仰转动角度确定，确定原则是避免遮挡原则，即避免反射面2遮挡溅射板3反射的电磁波。
溅射板3与俯仰伺服机构6的组合体固定在方位伺服机构5的转子上，可沿方位旋转轴线7旋转±90°。
本发明的工作原理是：发射工作状态时，馈源4将电磁波发送到反射面2后，电磁波反射散焦再投射到溅射板3上，经过溅射板3的镜像反射后，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。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽角波束扫描反射面天线，包括，安装固定在天线平台(1)上的方位伺服机构(5)和俯仰伺服机构(6)，固联在波导馈线(10)上的馈源(4)，其特征在于，方位伺服机构(5)相连俯仰伺服机构(6)构成组合的二维伺服机构，并且二维伺服机构上连接有溅射板(3)，馈源(4)通过波导馈线(10)的波导法兰盘固定在溅射板(3)的中心而固定不动；溅射板(3)的下方设有通过固定安装在天线平台(1)上的折弯结构件(9)连接的反射面(2)，方位伺服机构(5)驱动俯仰伺服机构(6)，带动溅射板(3)绕方位旋转轴线(7)和俯仰旋转轴线(8)旋转，实现天线波束的俯仰面有限扫描及方位面宽角扫描；馈源(4)将电磁波发送到反射面(2)后，电磁波反射散焦投射到溅射板(3)上，经过溅射板(3)的镜像反射后，再将电磁波发射出去。
2.如权利要求1所述的宽角波束扫描反射面天线，其特征在于：反射面(2)为抛物面，焦径比大于0.5，口径面由抛物面与圆柱体相交而成。
3.如权利要求1所述的宽角波束扫描反射面天线，其特征在于：反射面(2)通过固定在天线平台(1)上的折弯结构件(9)连接在溅射板(3)的下方。
4.如权利要求1所述的宽角波束扫描反射面天线，其特征在于：馈源(4)的相位中心置于反射面(2)的焦点上，与固定在天线平台(1)上的馈线波导(10)刚性连接。
5.如权利要求1所述的宽角波束扫描反射面天线，其特征在于：馈源(4)通过在溅射板(3)上开孔的方式，穿过溅射板(3)，开孔的尺寸保证溅射板(3)在转动过程中不与馈源(4)物理干涉。
6.如权利要求1所述的宽角波束扫描反射面天线，其特征在于：溅射板(3)固定在俯仰伺服机构(6)的转子上，沿俯仰旋转轴(8)轴线旋转有限角度。
7.如权利要求1所述的宽角波束扫描反射面天线，其特征在于：溅射板(3)为平板，口径面轮廓为椭圆形，椭圆的短轴长度大于反射面(2)口面的半径，长轴长度大于反射面(2)口面半径的至少1.4倍。
8.如权利要求1所述的宽角波束扫描反射面天线，其特征在于：，溅射板(3)的口面中心与反射面(2)口面的垂直距离大于反射面(2)的焦距。
9.如权利要求1所述的宽角波束扫描反射面天线，其特征在于：溅射板(3)与俯仰伺服机构(6)的组合体固定在方位伺服机构(5)的转子上，可沿方位旋转轴线(7)旋转±90°。
10.如权利要求1所述的宽角波束扫描反射面天线，其特征在于：发射工作状态时，馈源4将电磁波发送到反射面2后，电磁波反射散焦再投射到溅射板3上，经过溅射板3的镜像反射后，再将电磁波发射出去，接收过程工作原理与上述发射过程刚好相反。
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