一种反射面天线双波束赋形设计方法与流程

本发明属于微波天线技术领域，涉及一种天线设计方法，特别是一种可以提高具有特殊波束关系的双波束赋形覆盖区增益(或天线效率)的天线设计方法。

背景技术：

随着卫星通信技术应用的不断深入，要求卫星的载荷功能越来越多，对天线集成度的需求也随之提高。对于通信卫星，常希望在频谱资源有限、天线布局受限的约束下实现更多的波束覆盖，即使用有限数目的天线实现尽可能多的波束。反射面的双(多)波束设计技术提供了一种在一副天线中实现同频波束覆盖不同区域的可能，且两个波束性能接近于一般独立天线实现的性能。利用波传播的独立性原理，通过不同馈源照射同一反射面，形成不同指向的波束覆盖，且由于波束间的空域隔离，能够满足在不同波束中使用相同的频率资源进行通信而不会由于之间的干扰影响通信。这样，在天线实现应用中就需要通过设计使得双波束性能尽可能地接近独立天线设计时所获得的性能，从而实现双波束高效率辐射，在可接受的性能损失和增加有限硬件的前提下在一副天线内获得原本需要两幅天线才能实现的天线功能。

在通信卫星反射面天线中，双(多)波束设计技术是空间天线技术中的重要课题。对于双波束覆盖区，主要有三种形态与五种关系，见表1：双波束的三种形态为全为点波束、全为赋形波束以及点波束加赋形波束，而双波束中全为点波束的双波束关系为相似，应用传统的多波束天线(Multi-beam Antenna)技术能够满足设计要求，点波束加赋形波束的双波束关系为相关，可以应用传统焦平面共轭场匹配法进行设计，而在全为赋形波束的双波束中，波束形状类似或波束长轴方向接近一致，由于馈源小范围偏移的性能微扰特性，可以应用传统的双波束赋形进行该类双波束设计，但对于波束长轴方向接近正交的双波束设计，则需要解决双波束间的兼容性问题，目前暂没有高效的设计方法。

表1双波束覆盖区形状特性组合

在同一副天线中实现两个特征相异的波束，是进行空间反射面天线双波束设计的难题之一，如何提高两个波束间的独立性或利用两个波束的相关性，使两个波束性能接近一般独立天线的性能是该难题的技术核心点。若直接采用现有的设计手段进行双波束设计，无法实现接近于独立天线性能的双波束天线，存在辐射波束效率不高、波束覆盖匹配性差等问题，获得的天线波束增益损失很明显或天线波束抑制区(或副瓣)性能不佳，无法满足预期的天线设计要求，降低了反射面双波束设计的技术优势。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高效率的反射面天线双波束赋形设计方法，在反射器天线中利用馈源轴向移动引起的波束长轴方向发生变化的现象，通过选择合适的馈源位置来提高双波束性能的兼容性，能够进行反射面天线双波束匹配覆盖设计而不增加新天线，具有天线新增功能实现与双波束赋形的普适性。

本发明的技术解决方案是：一种反射面天线双波束赋形设计方法，包括如下步骤：

(1)对进行双波束设计的波束进行分析，对双波束间的增益要求苛刻程度排序，并将反射面口径法线方向指向优先级更高的波束中心；将双波束中优先级更高的波束记为赋形波束1，另一波束记为赋形波束2；

(2)在步骤(1)的基础上，对赋形波束1进行单馈源照射反射面下单波束赋形优化设计，获得赋形波束1以及对应的反射面初始形面A；

(3)在共轭匹配场的基础上，利用馈源在聚焦点轴向移动引起的波束长轴方向发生变化，设置来自赋形波束2覆盖区域中心的平面波对反射面进行照射，并分析计算焦平面场分布，据此分析结果确定与赋形波束2对应的天线馈源位置；

(4)判定赋形波束2获得的初始波束与目标覆盖区是否存在夹角，若存在夹角则绕赋形波束2目标覆盖区波束中心轴向旋转整个反射面与双馈源，使天线获得的赋形波束2的初始波束与设计目标匹配，并同时调整赋形波束1对应的馈源位置使得赋形波束1指回原覆盖区；若不存在夹角则直接进入下一步；

(5)设置每个馈源的边沿电平；

(6)以双波束增益覆盖要求为目标建立双波束赋形设计模型，以初始形面A为初始值，通过应用反射面形面迭代优化算法，获得双波束覆盖性能以及对应的形面B。

在型面B的基础上，添加覆盖区交叉极化要求以及抑制区要求，在双波束赋形设计模型中完成性能优化与提升工作，获得反射面形面C。

在型面C的基础上，对优化中的残余站值进行分析，调整覆盖区内各点目标站值进行优化，提高覆盖区内的最小增益并增强波束与覆盖区的匹配度，获得最终反射面形面D。

所述的步骤(2)中，进行单馈源照射反射面下单波束赋形优化设计时，对于东天线，先进行两个波束中偏西向波束的赋形设计，对于西天线，先进行两个波束中偏东向波束的赋形设计。

所述的步骤(2)中，进行单馈源照射反射面下单波束赋形优化设计时，在单偏置反射面焦距的选择中，除参照卫星结构布局外，还要根据馈源轴向移动引起的波束长轴方向发生变化的规律，考虑新增馈源将沿馈源轴向前移还是后撤，若是前移则要选择较长的焦距，若是后撤，则应根据天线安装布局要求选择合适的初始焦距，为后撤时增加新馈源预留安装空间，并保证天线焦距值满足XPD性能的要求；在单偏置反射面的偏置量选择时，对于东天线，要实现对偏西向波束覆盖区的照射，应提高偏置量数值，对于西天线，要实现对偏东向波束覆盖区的照射，应提高偏置量数值。

所述的步骤(5)中设置每个馈源的边沿电平时，离反射面相对较近的馈源的边沿电平较高，离反射面相对较远的馈源的边沿电平较低。

所述的离反射面相对较近的馈源的边沿电平范围为-10～-14dB，离反射面相对较远的馈源的边沿电平范围为-18～-24dB。

所述步骤(3)中，结合天线馈源轴向移动引起的波束长轴方向发生变化，采用天线整体旋转方式实现双波束初始覆盖区与目标覆盖区的匹配。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法通过基于双波束的形状特征分析，利用聚焦点两侧馈源纵向移动波束长轴方向旋转的规律，并结合反射面天线系统坐标系旋转，增强初始双波束对目标覆盖区的匹配性，进行双波束赋形设计，提高了波束覆盖区增益，填补了传统设计方法的不足，解决了设计盲目性问题，在技术上具有进步性，工程实现难度小，所应用的基本技术较为成熟，容易实现，便于工程化应用。而且本发明设计方法也可以应用到复杂波束关系多波束反射面天线设计和增加新的工作频率进行功能扩展应用，不会对天线布局提出新的要求，缓解了应用平台的天线布设空间的紧张，有利于天线紧凑性设计，不需增加新的天线布局空间，实现了原本需要两(或多)个天线才能完成的功能，在天线技术上也具有一定的进步性。

(2)本发明方法设计功能强大、普适性强，填补了原有设计方法的不足，通过实施一系列的天线配置调整，提高初始波束对目标覆盖区的波束匹配性，进而提高了天线波束覆盖效率或增益，在设计效果上具有技术优势。该方法不仅能够满足复杂关系(特别是长轴方向正交)的双波束赋形设计，也能够通过步骤简化完成对一般简易波束关系的双波束、多波束赋形设计，具有借鉴意义和应用普适性。

(3)本发明方法由于其利用或改变波束相关性的设计思路，改善了双波束的兼容性，并通过旋转主反射器改善了波束抑制区性能，在改进初始波束覆盖匹配性的同时考虑了波束抑制区的设计，具有一定的技术优势。

(4)本发明方法原理简单，设计容易，具有硬件代价低、应用方便、性能优良、明显的实用性等优点，回避了对复杂馈源阵合成网络的使用，而该反射面天线双波束赋形设计方法基于自身方案特点，所应用的基本技术较为成熟、便于工程化应用等特点，具有很强的竞争力，可以作为一种先进的系统设计方法进行通信卫星反射面天线的双波束、多波束设计应用。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为本发明馈源位置与波束覆盖区关系示意图；

图3为本发明馈源Z轴向移动可以使波束长轴方向发生变化示意图；

图4为本发明双波束覆盖图实例；

图5为本发明双馈源单偏置赋形反射面天线配置实例；

图6为本发明双波束初始覆盖区目标匹配过程示意图；

图7为本发明双波束覆盖图实例中波束抑制区要求示意图。

具体实施方式

鉴于通信卫星中对频率利用率不断提高的要求，双(多)波束实现以及赋形设计是增强天线功能、利用空域提高通信容量的重要技术途径，既满足了其复杂的电性能要求，同时增加的硬件代价有限，并对天线空间布局要求不高。现有公开的或已有的通信卫星反射面天线双波束赋形设计方法仅能满足较为简单的双波束赋形设计，很难满足复杂波束特征关系的双波束设计应用需求。采用现有公开的或已有的通信卫星反射面天线双波束赋形设计方法很难作到复杂关系双波束的兼容设计，常导致天线覆盖区增益损失较大或天线口面利用率不高等问题，无法满足高性能通信天线应用要求。而本发明反射面天线双波束赋形设计方法就是在这样的技术背景需求下，通过双波束特性分析、波束长轴调整、天线整体旋转等结合设计优化工具，实现了满足波束长轴方向接近正交的双波束设计，弥补了现有设计方法的不足，并与传统设计方法结合，满足了各类波束关系的双波束对象的完备设计。

本发明通过在设计步骤中创造性地引入了双波束覆盖区形状特征分析环节，以制定针对性的初始波束获取方式以及对应天线结构配置策略；在一般的应用共轭场匹配理论寻找平面波激励下反射面散射场聚焦点的基础上，利用了聚焦点两侧馈源纵向移动波束长轴方向旋转的规律，进行了波束覆盖匹配性设计；通过结合馈源位置调整进行沿轴向扭转整个反射面天线系统，改善了双波束的波束覆盖匹配性和抑制区性能，进而提高了优化后双波束覆盖区的增益，并使本方法对地球同步卫星对地波束不同覆盖方式具有应用普适性，同时增强了本方法应用的灵活性。本发明根据波束形状特征关系、天线布局等，并结合馈源位置调整波束形状等设计原理，对双波束设计中的设计次序、参数选取准则以及技术细节进行了说明，达到了提高双波束兼容设计的目的，进而实现对双波束覆盖区增益的提高或改进。

如图1所示，为本发明反射面天线双波束赋形设计方法的流程框图，方法中采用了馈源轴向移动引起的波束长轴方向发生变化的设计，并结合主反射器旋转改善了双波束覆盖区与目标覆盖区匹配性和波束抑制区性能，主要步骤为：

第一步，选择初始赋形设计的波束：对于东天线设计，要先进行两个波束中偏西向波束的赋形设计，因为若先进行偏东向波束(以星下点为东西向零点)设计，偏西向波束所要求增加的馈源喇叭将易进入视场，馈源喇叭产生对偏东向波束辐射场的遮挡，见图2。对于西天线，则反之。

第二步，天线初始配置的确定：在确定天线初始结构配置时，应先对指标中双波束间的增益要求苛刻程度排序，并将反射面口径法线方向指向优先级更高的波束中心。

在单偏置反射面焦距的选择中，除参照卫星结构布局外，还要根据馈源轴向移动引起的波束长轴方向发生变化的规律，考虑新增馈源将沿馈源轴向前移还是后撤，若是前移则要选择较长的焦距，若是后撤，则应根据天线安装布局要求选择合适的初始焦距，为后撤时增加新馈源预留安装空间，并保证天线焦距值满足XPD(Cross-Polarization Discrimination,交叉极化隔离度)性能的要求。

在单偏置反射面的偏置量选择时，对于东天线，要实现对偏西向波束覆盖区的照射，应提高偏置量数值，以避免卫星星体对辐射波束的遮挡，反之亦然。

如此完成天线结构配置确定后，进行单馈源照射反射面下单波束赋形优化设计，获得初步赋形波束1以及对应的反射面初始形面A。

第三步，天线馈源位置的确定：在传统共轭匹配场的基础上，利用馈源在聚焦点轴向移动引起的波束长轴方向发生变化，确定新增天线馈源的位置，必要时结合天线系统绕波束轴向旋转改善波束覆盖匹配，进行馈源移动波束轴向旋转迭代设计，确定最终天线双波束对应的双馈源位置。

设置来自新增波束(赋形波束2)覆盖区域中心的平面波对反射面(含有初始形面A)进行照射，并分析计算焦平面场分布，据此分析结果确定新增波束的馈源位置原点(即平面波激励下的反射面散射场的聚焦点)；分析该聚焦点Z向(靠近或远离反射面中心方向)两侧的馈源位置设置下的波束特征，其具有长轴方向正交特性，见图3，馈源设置在焦点两侧获得的对应波束长轴方向近似垂直，而当馈源位置处于焦点时，将获得点波束，即波束长短轴长度接近，根据该特性确定新增波束馈源位置以及对应的赋形波束2覆盖要求的初始波束；若赋形波束2获得的初始波束与目标覆盖区存在夹角，就可以通过绕该覆盖区波束中心轴向旋转整个反射面天线系统(含反射面与双馈源)，使天线获得的赋形波束2的初始波束与设计目标匹配，旋转方向选择有利于保持波束间的长轴正交性的方向，同时由于反射面边沿一般为超椭圆轮廓，旋转反射面将移动波束副瓣高电平区域，可以用来进行波束抑制区性能改善；将整个天线进行旋转后，这将导致赋形波束1绕赋形波束2中心轴线旋转，偏离原覆盖区位置，需要调整赋形波束1馈源位置使赋形波束1指回原覆盖区；细微调整赋形波束1馈源、赋形波束2馈源位置使对应的赋形波束1与赋形波束2形状与设计目标较为匹配。

第四步，馈源边沿电平设置：前馈源较为靠近反射器，边沿电平较高些(-10～-14dB为宜)；后馈源较为远离反射器，并且为了降低前馈源对视场遮挡的影响，边沿电平应低些为好(-18～-24dB为宜)。

第五步，双波束性能联合迭代优化反射面形面：根据以上设计过程获得了天线结构配置以及相关参数设置后，以双波束增益覆盖要求为目标建立双波束赋形设计模型(在商用软件TICRA POS中建立即可)，以初始形面A为初始值，通过应用反射面形面迭代优化算法及软件(如商用软件TICRA POS，算法MinMax算法)，通过多次迭代(一般可设置为100次)，即可获得较为良好的双波束覆盖性能以及对应的形面B。

在应用本方法完成以上步骤实施后，则通过双波束赋形设计结果评估、增加抑制区目标进行优化、残余站值优化等常用设计环节完成设计完善，具体如下：

在双波束赋形设计结果评估中，以独立天线设计结果为参考，评估双波束赋形设计结果，若两者差异较小(0.5dB以内)，则可以认为通过应用本方法达到了设计目的。若双波束赋形设计结果与独立天线设计差距较大，则通过改变天线结构配置，重复使用本方法进行类似设计，直至完成双波束赋形设计，并获得更新后的反射面形面B。比如：初始焦距的选择、反射面旋转角度或方向的选择等都会影响到使用该方法获得的设计效果。

在增加抑制区目标进行优化环节，在应用本方法完成的双波束增益覆盖赋形设计的基础上，添加覆盖区交叉极化要求以及抑制区要求，在双波束赋形设计模型中完成性能优化与提升工作，获得反射面形面C。在步骤(四)中的整个天线绕天线Z轴(天线坐标系的Z轴，即图5中由反射面向外指的箭头)进行旋转角度，将有利于天线偏置面方向的抑制区分配，即天线波束方向图沿在偏置面切面具有较好的波束滚降性能。

最后，在完成以上双波束赋形设计的基础上，对优化中的残余站值进行分析，适当调整覆盖区内各点目标站值进行优化，提高覆盖区内的最小增益并增强波束与覆盖区的匹配度。通过该末级完善设计，结束双波束赋形设计工作，获得最终反射面形面D。

实施例

对于地球同步通信卫星的双波束覆盖应用，其双波束形状特征不外乎“相近”与“相异”两种关系，而受地球视场角度范围限制，双赋形波束覆盖区的布局分为其中一个波束处于星下点区域、两个波束均偏离星下点区域这两种情况。对于前一种情况，方法中可能采用到的天线系统坐标系Z轴旋转将以指向星下点方向为轴进行，而对于后一种情况，反射面指向其中的一个波束中心，且天线系统坐标系Z轴旋转将以该波束中心为轴线进行。

这里以图4中的双波束覆盖图为实例按照本发明内容，采用图5中天线结构配置进行本方法实施说明。

第一步：发现双波束覆盖中的KA波束与SE波束的长轴正交，属于相异关系。若两个波束间长轴近似平行则可以采用传统多波束天线设计方法，通过馈源焦平面横向排列获得两个长轴近似平行的初始波束覆盖，若为一个宽赋形波束一个点波束则可采用传统的共轭场匹配法，所以该双波束(KA、SE波束)需要采用新的设计方法进行波束赋形设计。

第二步：将双波束(KA、SE波束)性能要求分解为两幅独立KA天线与SE天线的波束性能要求，每幅天线与原反射面口径尺寸(本实例中为2米)相同、结构配置近似(本实例中为单偏置)，分别进行赋形设计，获得两幅独立天线设计的增益极限值。

第三步：本实例中该双波束天线设计为东天线设计，所以选择KA波束作为初始赋形设计任务。

这里的东天线与西天线指分别安装在卫星东西墙板的反射面天线。

KA波束与SE波束为图4中典型实例的波束定义。

第四步：在实例中，SE波束覆盖区增益要求更高，且对SE波束的性能更为关注，所以将初始单偏置反射面坐标系Z向指向SE波束中心。为了使SE波束长轴进行旋转，必须使馈源向正Z方向(馈源坐标系的Z轴，即馈源整体向前推)移动。这样，在初始焦距的确定时，尽量选择长焦配置，有利于提高天线XPD性能，并为馈源向正Z方向移动提高了位置空间。偏置反射面的偏置量选择时应增大偏置量数值，以避免卫星星体对辐射波束的遮挡。

由于反射面坐标系Z向指向SE波束中心，需要移动KA馈源产生对KA波束覆盖区的初始照射波束；完成对KA波束的独立反射面赋形设计产生赋形形面A。

第五步：设置来自SE区域中心的平面波对反射面(含有初始形面A)进行照射，并分析计算焦平面场分布，据此分析结果确定SE波束的馈源位置原点(即平面波激励下的反射面散射场的聚焦点)；分析该聚焦点Z向两侧的馈源位置设置下的波束特征，其具有长轴方向正交特性，根据该特性确定SE馈源位置以及对应的SE初始波束；由于SE波束处于星下点位置附近，就可以通过旋转将整个反射面天线系统(含反射面与KA馈源、SE馈源)绕天线Z轴进行旋转，使天线获得的SE初始波束与设计目标匹配，旋转方向选择有利于保持波束间的长轴正交性的方向，在本天线中选择左向旋转；将整个天线绕天线Z轴进行左向旋转，这将导致原KA波束绕地球视场中心轴线旋转，偏离原覆盖区位置，需要调整KA馈源位置使KA波束指回原覆盖区；细微调整KA馈源、SE馈源位置使对应的KA波束与SE波束形状与设计目标较为匹配。整个馈源位置确定与天线配置调整的实施过程见图6中的(a)(b)(c)(d)(e)(f)。

第六步：根据馈源Z向移动关系，SE波束对应馈源(称为SE馈源)将较为靠近反射器，所以设置SE馈源的边沿电平为-13dB@16°，KA波束对应馈源(称为KA馈源)的边沿电平为-23dB@16°。

第七步：根据以上得到的含有两幅馈源的单偏置反射面天线结构，建立双波束赋形设计模型，以初始形面A为初始值进行双波束性能联合迭代优化反射面形面，获得了较为良好的双波束覆盖性能以及反射面赋形形面B。

第八步：将双波束赋形设计结果与步骤(二)中完成的独立天线设计结果进行比较，发现两者差异较小(0.5dB以内)，达到了设计目的。

第九步：增加抑制区目标进行优化：在完成步骤(七)的双波束增益覆盖赋形设计的基础上，添加覆盖区交叉极化要求以及抑制区要求(见图7)，以步骤(七)获得的反射面形面数据(赋形形面B)为初始形面在双波束赋形设计模型中完成性能优化与提升工作，获得反射面形面C。在步骤(五)中的整个天线绕天线Z轴进行旋转角度，将有利于天线偏置面方向的抑制区分配，即天线波束方向图沿在偏置面切面具有较好的波束滚降性能。

第十步：残余站值优化和设计完善：在完成以上双波束赋形设计的基础上，对优化中的残余站值进行分析，适当调整覆盖区内各点目标站值进行优化，提高覆盖区内的最小增益并增强波束与覆盖区的匹配度。通过该末级完善设计，结束双波束赋形设计工作，获得了双波束性能覆盖见图4，以及最终反射面形面D，通过双馈源照射一副反射面进行双波束赋形设计，在一副反射面天线中实现了波束长轴方向基本垂直的两个波束的兼容，并满足了工程应用要求。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。