用于降低噪声温度的双偏置天线副面扩展曲面设计方法与流程

本发明涉及通信、测控以及射电天文等技术领域，特别是指一种用于降低噪声温度的双偏置天线副面扩展曲面设计方法。

背景技术：

双偏置天线是指主面对副面偏置、副面对馈源偏置。双偏置天线既克服了副面对主面的遮挡，又克服了馈源及支臂对副面的遮挡，从而改善了天线方向图的近轴旁瓣特性和馈源的输入电压驻波比特性，而且具有较高的天线效率。

格里高利形式的双偏置天线容易实现紧凑的结构而且初级馈源和副面之间有较大间隔，可减小近场效应而易于实现远场条件，因此应用范围更为广泛。下偏置天线由于重心位置低，且有利于接收系统的安装和维护，为大量工程所采用。

正是因为双偏置天线具有以上优点，国际大科学工程——平方公里阵ska（squarekilometrearray）射电望远镜项目，采用了下偏置格里高利双反射面天线形式。

ska项目由总计2500面15米口径的双偏置反射面天线组成，接收来自遥远宇宙的微弱射电信号，因此需要天线具有高增益、低噪声性能，以提高接收灵敏度。在天线增益一定的情况下，人们更关心天线的噪声问题。评定天线系统性能的主要参数是增益噪声比g/t，也称为天线的品质因数，g是天线增益，t是天线系统的噪声温度。所以，只有降低天线的噪声温度，才能满足系统对天线品质因数g/t值的要求，对于应用于射电天文领域中的天线而言，降低噪声就显得更加重要。

即使一副性能相当好的天线，在低仰角时（5°～7°）的噪声温度为30k～50k，仍然不能满足国际ska项目的需求。

中国专利公开号cn102496774a，名称为《一种高增益、低旁瓣赋形双偏置格里高利天线的设计方法》的专利中公开了一种用于双偏置天线的口面场分布函数，能够使天线具有高增益和低旁瓣的特点；中国专利公开号cn1317884a，名称为《一种改善偏置抛物面天线交叉极化特性的波纹喇叭馈源》的专利中公开了一种喇叭馈源，通过激励高次模方式的，来降低单偏置天线的交叉极化电平；中国专利公开号cn2433740y，名称为《一种偏置卫星通信天线》的专利中公开了一种采用双偏置格里高利形式，来提高交叉极化隔离度的卫星通信天线。上述几个专利中均涉及到偏置天线，其主要在增益、旁瓣和交叉隔离度等方面对天线有所改善，但对天线的另一个重要指标——噪声温度来说，存在以下不足：

（1）不涉及有关噪声温度方面设计。在上述的三个专利中，主要涉及了天线增益、旁瓣和交叉隔离度方面的技术，没有提及有关噪声温度方面的设计方法。

（2）没有给出降低噪声温度方法。众所周知，天线品质因数是通信和射电天文领域中一项非常主要的技术指标，以上专利中，没有给出如何实现降低天线噪声温度的方法。

（3）没有给出偏置方式。双偏置天线分为上偏置和下偏置两种方式，是指天线在俯仰运动时，副面所处的位置。两种偏置方式所导致的天线噪声温度是不同的。

williama.imbriale在《largeantennasofthedeepspacenetwork》（jpl发行，2002年2月）书中提出了一种在副面外部增加一圈凸缘的方法，来降低天线噪声温度，但该方法存在以下不足：

（1）降低了天线的效率。由于该方法应用在圆对称的卡塞格伦天线上，副面外部所增加的凸缘在天线口径方向上形成了遮挡，减小了天线的有效接收面积，因此，降低了天线的效率。

（2）不适合于双偏置天线。书中所提出的方法，只是针对卡塞格伦形式的天线，而不适合于格里高利形式的双偏置天线。

发明的内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于降低噪声温度的双偏置天线副面扩展曲面设计方法，其具有噪声温度低、旁瓣电平低和天线效率高的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于降低噪声温度的双偏置天线副面扩展曲面设计方法，其包括如下步骤：

（1）以副面椭圆的两个焦点的连线为x轴，连线中点为坐标原点，建立平面直角坐标系xoy；

（2）在步骤（1）所建坐标系内，建立椭圆方程：

其中，a为副面椭圆的长半轴；b为副面椭圆的短半轴；

（3）将步骤（2）所得到的椭圆绕x轴旋转360度，得到一个椭球面，记为s；

（4）依据所需要降低的噪声温度指标，确定馈源对扩展曲面照射角θ和扩展曲面边缘对所述的副面椭圆长轴夹角θ1，确定扩展曲面边缘点，记为a，a点对应的y坐标值记为ya，ya值满足下式：

其中，r为馈源相位中心距a点距离，r满足下式：

其中，e为副面椭圆的离心率；

（5）以y=ya，建立一个平面，记为s1；

（6）以副面和s1为边界，裁剪曲面s，得到曲面s’；

（7）确定副面上边缘与对称面交点，记为b；

（8）连接a、b两点，得到线段ab；

（9）确定一个过线段ab且垂直于对称面的平面，记为c；

（10）以c为边界，裁剪曲面s’，得到曲面e；

（11）以天线馈源相位中心为轴心，旋转曲面e，至天线最低工作仰角；

（12）过天线馈源相位中心，做一水平面，记为d；

（13）以水平面d为边界，截取曲面e，得到曲面e’；

（14）将曲面e’与副面相邻的边界内移，使得副面与曲面e’之间形成缝隙，并得到曲面e’’；

完成副面扩展曲面的设计。

可选的，所述的双偏置天线为格里高利形式。

可选的，所述的双偏置天线为下偏置方式。

可选的，所述的副面扩展曲面为铝合金材料或内部铺设金属网的复合材料。

可选的，所述的副面扩展曲面由多个子曲面组成。

可选的，所述的步骤（4）中，馈源对扩展曲面照射角θ的取值范围为5°≤θ≤60°。

可选的，所述的步骤（14）中，边界内移的距离为0.2～5mm。

本发明与背景技术相比具有如下有益效果：

（1）降低了天线的噪声温度。与背景技术相比，本发明对副面下部进行了曲面扩展，减小了地面所收到的天线馈源的能量漏失，降低了天线系统的噪声温度。

（2）提高了天线的效率。由于本发明增加了副面扩展曲面，提高了副面的截获效率，减少了副面边缘的漏失和绕射，从而提高了天线系统的效率。

（3）降低了天线的旁瓣电平。通过增加扩展曲面，改善了副面边缘电流的连续性，减少了电磁波的边缘漏失，使能量集中到天线的主波束中，降低了近轴旁瓣和远旁瓣电平。

（4）合理的裁剪，降低了扩展曲面的重量，减小了风阻力。本发明对扩展曲面进行了合理的裁剪，既提高了天线的综合性能，又使扩展曲面面积最小化，从而降低了曲面的重量，减小了副面的风阻力。

总之，本发明构思巧妙，思路清晰，易于实现，既解决了传统的双偏置天线噪声温度高的缺点，又降低了天线的旁瓣，提高了天线的效率，是对现有技术的一种重要改进。

附图说明

图1是本发明实施例的总体结构组成示意图；

图2是本发明实施例中步骤1～步骤3的原理图；

图3是本发明实施例中步骤4～步骤6的原理图；

图4是本发明实施例中步骤7～步骤10的原理图；

图5是本发明实施例中步骤11～步骤13的原理图；

图6是本发明实施例中步骤14的原理图；

图7是本发明实施例中对扩展曲面再分块原理图；

图8是本发明实施例中没有扩展曲面天线的电磁仿真模型；

图9是本发明实施例中有扩展曲面天线的电磁仿真模型；

图10是本发明实施例中有扩展曲面天线的方向图计算结果；

图11是本发明实施例中对有、无扩展曲面天线的噪声温度计算结果比较。

图中各标号的含义如下：主面1，副面2，扩展曲面3，馈源4。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的描述。

本实施例是以双偏置15米口径天线为例，其结构如图1所示。实施例中副面扩展曲面的设计方法，包括如下步骤：

如图2所示：

（1）以副面椭圆的两个焦点的连线为x轴，连线中点为坐标原点，建立平面直角坐标系xoy；

（2）在步骤（1）所建坐标系内，建立椭圆方程：

其中，a为副面椭圆的长半轴；b为副面椭圆的短半轴；

实施例中，a=3023.182mm，b=2873.497mm。

（3）将步骤（2）所得到的椭圆绕x轴旋转360度，得到一个椭球面，记为s；

如图3所示：

（4）依据所需要降低的噪声温度指标，确定馈源对扩展曲面照射角θ和扩展曲面边缘对所述的副面椭圆长轴夹角θ1，确定扩展曲面边缘点，记为a，a点对应的y坐标值，记为ya，ya值可按下式计算：

其中，r为馈源相位中心距a点距离，r可按下式计算：

其中，e为副面椭圆的离心率；

实施例中，θ=40°；θ1=10.5°；r=2092.074mm；e==0.310762。

（5）以y=ya，建立一个平面，记为s1；

（6）以副面和s1为边界，裁剪曲面s，得到曲面s’；

如图4所示：

（7）确定副面上边缘与对称面交点，记为b；

（8）连接a、b两点，得到线段ab；

（9）确定一个过线段ab且垂直于对称面的平面，记为c；

（10）以c为边界，裁剪曲面s’，得到曲面e；

如图5所示：

（11）以天线馈源相位中心f为轴心，旋转曲面e，至天线最低工作仰角；

（12）过天线馈源相位中心f，做一水平面，记为d；

（13）以水平面d为边界，截取曲面e，得到曲面e’；

如图6所示：

（14）将曲面e’与副面相邻的边界内移，使得副面与曲面e’之间形成缝隙，并得到曲面e’’；

实施例中，边界内移距离为0.5mm；

完成副面扩展曲面的设计。

双偏置天线为格里高利形式。

双偏置天线为下偏置方式。

副面扩展曲面为铝合金材料，也可以是内部铺设金属网的复合材料。

本实施例中，扩展曲面为内部铺设金属网的复合材料形式。

副面扩展曲面可以进行再分块，由若干个子曲面组成。

本实施例中，将扩展曲面分割成三个面积均匀的子曲面，如图7所示。

馈源对扩展曲面照射角θ的取值范围为5°≤θ≤60°。

本实施例中，馈源对扩展曲面照射角θ的取值40°。

本发明的优点可以通过以下仿真分析进一步说明：

（1）模型说明。为了说明本发明的有益效果，建立了两种电磁场仿真模型，一种是没有扩展曲面的天线，另一种是本发明方法。两种仿真模型的计算方法、几何尺寸、仿真频率等条件均相同。两种仿真模型分别如图8、9所示。

（2）计算结果。针对两种模型，分别计算了天线效率和噪声温度，图10是本发明方法的天线效率计算结果，图11是背景技术与本发明方法的噪声温度结果比较。

（3）实施效果。从计算结果可以看出：天线在低工作仰角时（5°），本发明比背景技术的噪声温度低7.5k；在高工作仰角时（90°），本发明比背景技术的噪声温度低2k。

总之，本发明设计方法通过将副面下边缘进行延伸、裁剪，有效减小了电磁波在副面的边缘绕射和馈源辐射的漏失，遮挡了地面的热噪声，增加了副面的截获效率，提升了天线的增益，改善了天线的品质因数。

以上所述，仅是本发明的最佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构改变，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。