CN111211403B - 一种固定馈源转向反射面天线 - Google Patents

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Abstract

一种固定馈源转向反射面天线包括：连接件、馈源、副反射器和主反射器；主反射器设有用于驱动主反射器绕第一方向自转的第一驱动件、副反射器设有用于驱动副反射器绕第二方向自转的第二驱动件，连接件的两端分别与第一驱动件的本体、第二驱动件的转轴连接固定，用以副反射器自转的同时带动主反射器沿第二方向同步公转，第一方向与第二方向垂直；馈源固定于副反射器自转轴线的方向上，馈源的相位中心与主反射器的焦点或副反射器的焦点相关，馈源的波束中心线与经副反射器反射后的出射波束中心线垂直。本发明无需微波旋转关节等装置，减少天线的重量和馈线损耗；天线增益不随指向调整而发生变化，降低天线电磁波束损耗，对地全空间覆盖。

Description

一种固定馈源转向反射面天线
技术领域
本发明属于卫星天线领域，尤其涉及一种固定馈源转向反射面天线。
背景技术
卫星通过天线与地面站进行通信，卫星在飞行时，相对地面站处于运动状态，为了保持稳定的通信链路，需要天线的波束指向能够实时调整，始终指向地面站天线的主波束方向。
传统的指向可调反射面天线由天线和二维指向机构组成，通过控制指向机构(X-Y型或俯仰方位型等)的两个转动轴的转动角来实现天线波束指向的调整。这种方法通常是将反射面天线(含馈电网络)整体安装在二维指向机构上，在天线的馈电网络中需配置微波旋转关节来实现转动部分与固定部分的连接，一个旋转轴需配置一个旋转关节。另外还需配置转弯波导来适应二维指向机构两个旋转轴的结构走向。然而该类天线由于增加了旋转关节以及转弯波导，会增加天线的损耗和重量，需要增加火箭燃料，提升火箭设计难度；此外，当电磁信号波束频率越高时，天线的损耗增加越为明显。
发明内容
本发明的技术目的是提供一种固定馈源转向反射面天线，以实现天线轻量化、指向范围大以及电磁信号损耗低。
为实现上述技术效果，本发明的技术方案为：
一种固定馈源转向反射面天线，包括：连接件、沿天线对地波束指向方向依次设置的馈源、副反射器、主反射器；
主反射器设有用于驱动主反射器绕第一方向自转的第一驱动件、副反射器设有用于驱动副反射器绕第二方向自转的第二驱动件，连接件的两端分别与第一驱动件的本体、第二驱动件的转轴连接固定，用以副反射器自转的同时带动主反射器沿第二方向同步公转，第一方向与第二方向垂直；
馈源固定于副反射器自转轴线的方向上，馈源的波束中心线与经副反射器反射后的出射波束中心线垂直，其中，主反射器的焦点经副反射器镜像后与馈源的相位中心重合，或者主反射器的焦点、馈源的相位中心分别位于副反射器对应的不同焦点上。
其中，主反射器为偏置抛物面天线，主反射器的焦点位于主反射器自转轴线上，主反射器的入射与出射波束中心线的夹角为主反射器的偏置角，偏置角至少为天线对地波束指向的覆盖角的一半。
其中，副反射器为平面镜，主反射器的焦点经平面镜反射的镜像焦点位置为馈源的相位中心。
其中，副反射器为椭球镜，椭球镜的第一焦点位置与主反射器的焦点位置相重合，椭球镜的第二焦点为馈源的相位中心。
其中，主反射器的自转轴线为主反射器焦点与主反射器相对高低差值最大的两个端点的连线形成角的角平分线。
其中，第一驱动件包括：第一电机和主反自转旋转轴，第一电机与连接件的一端连接，第一电机与主反自转旋转轴的一端驱动连接，主反自转旋转轴的另一端与主反射器固定连接，第一电机驱动主反自转旋转轴并带动主反射器以第一方向自转；
第二驱动件包括：第二电机和主副***转旋转轴，主副***转旋转轴与连接件的另一端连接，第二电机与主副***转旋转轴的一端驱动连接，主副***转旋转轴的另一端与副反射器固定连接，第二电机驱动主副***转旋转轴并带动副反射器以第二方向自转，以及带动主反射器以第二方向公转。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
1)本发明通过主反自转旋转轴和主副***转旋转轴两个维度的转动，以实现天线电磁波束指向调整，从而固定馈源，无需微波旋转关节等装置，进一步减少天线的重量和馈线损耗；
2)本发明通过两个维度的转动，在馈源固定的情况下，使天线增益不随指向调整而发生变化，降低天线电磁波束损耗，并且实现天线电磁波束指向对地全空间覆盖。
附图说明
图1为本发明固定馈源转向反射面天线的结构示意图；
图2为本发明固定馈源转向反射面天线的几何原理示意图；
图3为本发明固定馈源转向反射面天线的几何原理示意图；
图4为本发明固定馈源转向反射面天线的转动示意图；
图5为本发明固定馈源转向反射面天线的E面H面辐射方向图。
附图标记说明
1：主反射器；2：连接件；3：主反自转旋转轴；4：副反射器；5：主副***转旋转轴；6：馈源；7：第一电机；8：第二电机。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种固定馈源转向反射面天线作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
参看图1和图4，本实施例提供一种固定馈源转向反射面天线，包括：连接件2、沿天线对地波束指向方向依次设置的馈源6、副反射器4、主反射器1；
主反射器1设有用于驱动主反射器1绕第一方向自转的第一驱动件、副反射器4设有用于驱动副反射器4绕第二方向自转的第二驱动件，连接件2的两端分别与第一驱动件的本体、第二驱动件的转轴连接固定，用以副反射器4自转的同时带动主反射器1绕第二方向同步公转，第一方向与第二方向垂直；
馈源6固定于副反射器4自转轴线的方向上，馈源6的波束中心线与经副反射器4反射后的出射波束中心线垂直，其中，主反射器1的焦点经副反射器4镜像后与馈源6的相位中心重合，或者主反射器1的焦点、馈源6的相位中心分别位于副反射器4对应的不同焦点上。
参看图4，具体地，第一驱动件包括：第一电机7和主反自转旋转轴3，第一电机7与连接件2的一端连接，第一电机7与主反自转旋转轴3的一端驱动连接，主反自转旋转轴3的另一端与主反射器1固定连接，第一电机7驱动主反自转旋转轴3并带动主反射器1以第一方向自转；
第二驱动件包括：第二电机8和主副***转旋转轴5，主副***转旋转轴5与连接件2的另一端连接，第二电机8与主副***转旋转轴5的一端驱动连接，主副***转旋转轴5的另一端与副反射器4固定连接，第二电机8驱动主副***转旋转轴5并带动副反射器4以第二方向自转，以及带动主反射器1以第二方向公转。
现对本实施进行详细说明：
参看图1，在本实施例中，包括：连接件2、馈源6、副反射器4、主反射器1、第一驱动件和第二驱动件。
本实施例为应用于V频段的固定馈源转向反射面天线，天线对地电磁波束指向覆盖角的要求为：相对卫星对地面法向，南北方向角度≥±72°，东西方向角度≥±60°。
本实施中连接件2为一连接杆，第一驱动件和第二驱动件均固定于连接杆上，其中第一驱动件为第一电机7和主反自转旋转轴3；第二驱动件为第二电机8和主副***转旋转轴5；
接着，连接杆的一端与第一电机7连接，第一电机7与主反自转旋转轴3的一端连接，并且主反自转旋转轴3的另一端与主反射器1连接，第一电机7驱动主反自转旋转轴3绕第一方向旋转，从而带动主反射器1进行绕主反射器1的自转轴线进行自转；
同时，连接杆的另一端与主副***转旋转轴5垂直连接，主副***转旋转轴5的一端与第二电机8连接，其另一端与副反射器4连接，第二电机8驱动主副***转旋转轴5绕第二方向旋转，从而带动副反射器4绕第二方向自转，又由于主副***转旋转轴5与连接杆的一端垂直连接，因此主副***转旋转轴5旋转会带动主反射器1沿所述第二方向同步公转；
参看图5，图5为本实施例实际应用时天线E平面辐射方向图和H平面辐射方向图；
馈源6固定于外部卫星星体上，并位于副反射器4的自转轴线的方向上，馈源6的波束中心线与经副反射器4反射后的出射波束中心线垂直，即副反射器4的入射波束中心线与其出射波束中心线相互垂直；馈源6具体设置的位置条件为其相位中心与主反射器1的焦点经副反射器4镜像后重合，或者其相位中心与主反射器1的焦点分别位于副反射器4不同的焦点上。
本实施例工作时，馈源6固定不动，通过主反自转旋转轴3和主副***转旋转轴5两个维度的转动来实现天线波束指向的调整；可实现天线波束指向对地全空间覆盖，天线增益不受指向调整影响。
参看图1和图4，具体地，主反射器1为偏置抛物面天线，主反射器1的焦点位于主反射器1的自转轴线上，主反射器1的入射与出射波束中心线的夹角为主反射器1的偏置角，偏置角至少为天线对地波束指向的覆盖角的一半。
参看图2或图3，在本实施例中，主反射器1为偏置抛物面天线，在图2或图3中为主反射器1和副反射器4所在的同一平面上的映射，且主反自转旋转轴3的中心线和主副***转旋转轴5的中心线均位于该平面上；接着，OZ和OY为上述平面相互垂直的坐标系，其中OY为主反射器1抛物面的轴线，图中AB所连成的弧线为主反射器1，以图中的A点为主反射器1的上顶点，则B点为主反射器1的下顶点；主反自转旋转轴3的中心线与主反射器1上的接触一点为O1，即主反射器1绕点O1进行旋转，与副反射器4的接触一点为O2；此外，主反射器1抛物面的轴线OY与主反自转旋转轴3中心线相交于一点F，该点即为主反射器1的焦点，其形成的夹角∠O1FO等于主反射器1的偏置角∠FO1O3，其中，上述FO1为主反射器1的入射波束中心线，上述O1O3为主反射器1的出射波束中心线；由于偏置角的取值需不小于指向要求覆盖角的一半，若两维指向角覆盖要求不同，按较小一维值计算。当主反自转旋转轴3或主副***转旋转轴5转动时，上述几何关系保持不变。
具体地，副反射器4为平面镜，主反射器1的焦点经平面镜反射的镜像焦点位置为馈源6的相位中心。
参看图2，在本实施例中，副反射器4为平面镜，即O2所在的线段代表副反射器4，其中，点O2同样也位于主副***转旋转轴5的中心线上，副反射器4绕点O2在主反自转旋转轴3带动下进行旋转；主反射器1的焦点F在副反射器4的镜像效果下，F1为焦点F的镜像焦点，可以理解为F1是F的等效焦点，在镜像焦点F1设置馈源6，使馈源6的相位中心点处于镜像焦点F1，馈源6与外部卫星固定连接，工作状态下保持静止不动；按天线从馈源6发射波束方向上看，F1O2为副反射器4入射波束的中心线，并与馈源6轴线共线；O2O1为主反射器1入射波束的中心线，并与主反自转旋转轴3的中心线共线；O1O3为主反射器1出射波束的中心线，并与主反射器1抛物面的轴线OY相互平行，其中，副反射器4入射波束的中心线F1O2与主反射器1入射波束的中心线O2O1呈垂直，主反射器1入射波束的中心线O2O1与主反射器1出射波束的中心线O1O3呈60度；当主反自转旋转轴3或主副***转旋转轴5转动时，上述几何关系保持不变。
具体地，副反射器4为椭球镜，椭球镜的第一焦点位置与主反射器1的焦点位置相重合，椭球镜的第二焦点为馈源6的相位中心。
参看图3，在本实施例中，副反射器4为椭球镜，即O2所在的曲线线段代表副反射器4，其中，点O2同样也位于主副***转旋转轴5的中心线上，副反射器4绕点O2在主反自转旋转轴3带动下进行旋转；主反射器1的焦点F与副反射器4的第一焦点共点，F2则为副反射器4的第二焦点，在第二焦点F2设置馈源6，馈源6的相位中心点位于第二焦点F2，馈源6同样与外部卫星固定连接，工作状态下保持静止不动；按天线从馈源6发射波束方向上看，F2O2为副反射器4入射波束的中心线，并与馈源6轴线共线；O2O1为主反射器1入射波束的中心线，并与主反自转旋转轴3中心线共线；O1O3为主反射器1出射波束的中心线，并与主反射器1抛物面的轴线OY相互平行，其中，副反射器4入射波束的中心线F2O2与主反射器1入射波束的中心线O2O1呈垂直，主反射器1入射波束的中心线O2O1与主反射器1出射波束的中心线O1O3呈60度；当主反自转旋转轴3或主副***转旋转轴5转动时，上述几何关系保持不变。
参看图4，为本实施例转动说明图，第一电机7和第二电机8均为转动轴电机，具体地，第一电机7控制主反射器1的旋转角度；第二电机8控制副反射器4的旋转角度。天线工作时，外部卫星通过控制第一电机7和第二电机8从而控制主反自转旋转轴3和主副***转旋转轴5来实现天线波束指向的调整。图4状态下的天线，其主反自转旋转轴3的旋转角定义为负90度，按主反射器1入射波束方向来看，主反自转旋转轴3顺时针方向旋转角度增加，根据前文提到的天线对地电磁波束指向覆盖要求，主反自转旋转轴3的旋转范围为负90度至正90度；另外，图4状态下的天线，其主副***转旋转轴5的旋转角定义为0度，按副反射器4入射波束方向来看，主副***转旋转轴5逆时针方向旋转其角度增加，同样根据前文提到的天线对地电磁波束指向覆盖要求，主副***转旋转轴5的旋转范围为负12度至正132度。
具体地，主反射器1的自转轴线为主反射器1焦点与主反射器1相对高低差值最大的两个端点的连线形成角的角平分线。
参看图2或图3，在确定增益要求后，限定主反射器1口径并确定主反射器1的偏置高度，主反射器1出射波束O1O3与主反射器1抛物面的轴线OY之间的距离为本实施例中的主反射器1的偏置高度，较为优选的主反射器1偏置高度为P，当上述偏置高度为P时，主反射器1入射波束的中心线O2O1恰好为∠BFA的角平分线，即满足∠O1FA＝∠O1FB时为最佳主反射器1偏置高度。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种固定馈源转向反射面天线，其特征在于，包括：连接件、沿天线对地波束指向方向依次设置的馈源、副反射器、主反射器；
所述主反射器设有用于驱动所述主反射器绕第一方向自转的第一驱动件、所述副反射器设有用于驱动所述副反射器绕第二方向自转的第二驱动件，所述连接件的两端分别与所述第一驱动件的本体、所述第二驱动件的转轴连接固定，用以所述副反射器自转的同时带动所述主反射器沿所述第二方向同步公转，所述第一方向与所述第二方向垂直；
所述馈源固定于所述副反射器自转轴线的方向上，所述馈源的波束中心线与经所述副反射器反射后的出射波束中心线垂直，其中，所述主反射器的焦点经所述副反射器镜像后与所述馈源的相位中心重合，或者所述主反射器的焦点、所述馈源的相位中心分别位于所述副反射器对应的不同焦点上。
2.根据权利要求1所述的固定馈源转向反射面天线，其特征在于，所述主反射器为偏置抛物面天线，所述主反射器的焦点位于所述主反射器自转轴线上，所述主反射器的入射与出射波束中心线的夹角为所述主反射器的偏置角，所述偏置角至少为天线对地波束指向的覆盖角的一半。
3.根据权利要求2所述的固定馈源转向反射面天线，其特征在于，所述副反射器为平面镜，所述主反射器的焦点经所述平面镜反射的镜像焦点位置为所述馈源的相位中心。
4.根据权利要求2所述的固定馈源转向反射面天线，其特征在于，所述副反射器为椭球镜，所述椭球镜的第一焦点位置与所述主反射器的焦点位置相重合，所述椭球镜的第二焦点为所述馈源的相位中心。
5.根据权利要求3或4所述的固定馈源转向反射面天线，其特征在于，所述主反射器自转轴线为所述主反射器焦点与所述主反射器相对高低差值最大的两个端点的连线形成角的角平分线。
6.根据权利要求3或4所述的固定馈源转向反射面天线，其特征在于，
所述第一驱动件包括：第一电机和主反自转旋转轴，所述第一电机与所述连接件的一端连接，所述第一电机与所述主反自转旋转轴的一端驱动连接，所述主反自转旋转轴的另一端与所述主反射器固定连接，所述第一电机驱动所述主反自转旋转轴并带动所述主反射器以第一方向自转；
所述第二驱动件包括：第二电机和主副***转旋转轴，所述主副***转旋转轴与所述连接件的另一端连接，所述第二电机与所述主副***转旋转轴的一端驱动连接，所述主副***转旋转轴的另一端与所述副反射器固定连接，所述第二电机驱动所述主副***转旋转轴并带动所述副反射器以第二方向自转，以及带动所述主反射器以第二方向公转。
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