超低副瓣反射面天线的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种超低副瓣反射面天线，用于实现超低副瓣并适用于大角度扫描，包括：反射面组件、馈源组件、馈源安装座、以及第一和第二支撑杆，其中，馈源组件通过馈源安装座、以及第一和第二支撑杆与反射面组件连接，以及反射面组件为旋转对称抛物面，从而适用于大角度范围内的机械扫描。因此，本发明所提出的超低副瓣反射面天线，实现了超低副瓣、适用于大角度扫描，同时具有结构简单、刚度好、可靠性高等优点。
【专利说明】
超低副瓣反射面天线
技术领域
[0001] 本发明属于天线与微波技术领域，涉及航天飞行器天线技术，具体地，涉及一种超 低副瓣反射面天线。
【背景技术】
[0002] 应了解，反射面天线是常见的航天器天线形式，一般用来实现较高的增益。为了提 高通信质量，还要求具有低副瓣的性能；为了覆盖更大的角域，还要求具有机械波束扫描的 性能。
[0003] 反射面天线常见形式有以下五种：偏馈单反、偏馈双反（Gregorian型）、正馈单 反、正馈双反（Cassegrain型）、环焦型。
[0004] 其中，偏馈单反和偏馈双反（Cassegrian型）的优点为低副瓣，缺点为包络尺寸较 大，不利于轻量化设计，并且偏馈结构不利于大角度扫描。正馈单反型的优点为包络尺寸 小，有利于轻量化设计，有利于大角度扫描，但较难降低副瓣。
[0005] 正馈双反（Gregorian型）和环焦型这类天线要求副反直径大于7波长，对于口径 直径约40个自由空间波长的小口径天线来说，遮挡面积较大，容易造成高副瓣。
[0006] 另外，还包括其他形式，如溅散板天线等，具有使用介质、极化特性差等方面的明 显缺点。
[0007] 当前，国内采用偏馈双反结构设计的星载Ka波段机械可移波束天线，波束扫描范 围一般为±10°左右，副瓣为_20dB。采用正馈双反结构设计的星载Ka波段机械可移波束 天线，波束扫描范围一般可达±90°，副瓣为_15dB。采用正馈单反结构设计的星载S波段 机械可移波束天线，波束扫描范围一般可达±90°，由于采用了背射螺旋天线作为馈源，没 有支撑杆遮挡，副瓣为_25dB，但这种馈源只适用于例如S波段的较低频段，不适用于例如 Ka波段的较高频段。采用正馈单反结构设计的星载Ka波段机械可移波束天线，由于馈源必 须使用支撑杆来支撑，造成了遮挡，副瓣为_15dB。
[0008] 因此，急需一种方案，能够减少对反射面的遮挡，并有利于较高频段例如Ka波段 的反射面天线降低副瓣电平。
【发明内容】
[0009] 为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种超低副瓣反射面天线的方 案，用于在例如Ka频段的较高频段上，实现一种副瓣达到-30dB的超低副瓣反射面天线，同 时还具有适用于±90°大角度波束扫描的特点。
[0010] 本发明提出了一种超低副瓣反射面天线，用于实现超低副瓣并适用于大角度扫 描，包括：反射面组件、馈源组件、馈源安装座、以及第一和第二支撑杆，其中，馈源组件通过 馈源安装座、以及第一和第二支撑杆与反射面组件连接，以及反射面组件为旋转对称抛物 面，从而适用于大角度范围内的机械扫描。
[0011] 反射面组件的旋转对称抛物面具有焦点、顶点、焦轴、和口径轮廓线，其中，口径轮 廓线为圆形的，以及焦轴垂直通过口径轮廓线的圆心。馈源组件具有相位中心、波束主轴、 馈电波导、和馈源，其中，相位中心被安装在旋转对称抛物面的焦点上，波束主轴与旋转对 称抛物面的焦轴重合，以及馈源和馈电波导是一体化的结构。
[0012] 馈源组件的受照射面具有尖劈，以改善电磁辐射，从而有利于降低副瓣电平，其 中，馈电波导面向反射面组件的一侧设有尖劈。尖劈为等腰三角形的，其中，等腰三角形的 底边长度与馈电波导的窄边外尺寸相等并平齐，以及高为工作频率在自由空间中的波长。
[0013] 优选地，相位中心与焦点重合，在沿所述焦轴方向的偏差满足第一预定偏差限制 要求，以及波束主轴与焦轴重合，两者的同轴度满足第二预定偏差限制要求。
[0014] 馈源的口径小，以减少对反射面组件的遮挡，从而有利于降低副瓣电平。第一和第 二支撑杆与馈电波导共同提供对馈源组件的结构支撑，从而具有适合的力学刚度。第一和 第二支撑杆的安装位置避开了反射面组件的中心区域，以减少对反射面组件的遮挡，从而 有利于降低副瓣电平。
[0015] 额外地，根据本发明的超低副瓣反射面天线还可以包括：馈源安装座接口，用于将 馈源组件安装在馈源安装座上，以及第一和第二支撑杆安装点，用于安装所述第一和第二 支撑杆。
[0016] 因此，本发明所提出的超低副瓣反射面天线，实现了超低副瓣、适用于大角度扫 描，同时具有结构简单、刚度好、可靠性高等优点。
【附图说明】
[0017] 图1为根据本发明的超低副瓣反射面天线的外形图；
[0018] 图2为本发明【具体实施方式】所涉及的反射面组件的细节名称图；
[0019] 图3为本发明【具体实施方式】所涉及的馈源组件的细节名称图；
[0020] 图4为本发明【具体实施方式】所涉及的馈源安装座的外形图；以及
[0021] 图5为本发明【具体实施方式】所涉及的尖劈的横截面示意图。
【具体实施方式】
[0022] 应了解，本发明的超低副瓣反射面天线由反射面组件、馈源组件、馈源安装座、支 撑杆组成。反射面组件为旋转对称抛物面，适用于大角度范围内的机械扫描。馈源的相位 中心安装在抛物面焦点上，馈源的波束主轴与抛物面焦轴重合。馈源的受照射面具有尖劈， 用于改善其电磁散射，有利于降低副瓣电平。支撑杆的安装位置避开了反射面中心区域，减 少了对反射面的遮挡，有利于降低副瓣电平，并且具有力学刚度好的特点。本发明所提出的 一种超低副瓣反射面天线，在例如Ka频段的较高频段上实现了超低副瓣、适用于大角度扫 描，同时具有结构简单、刚度好、可靠性高等优点。
[0023] 其中，由反射面组件、馈源组件、馈源安装座、支撑杆组成，馈源组件通过馈源安装 座、支撑杆与反射面组件连接。反射面组件具有焦点、顶点、焦轴、口径轮廓线，口径轮廓线 为圆形，且焦轴垂直通过口径轮廓线的圆心。
[0024] 馈源组件具有相位中心、波束主轴、馈电波导、馈源，相位中心与焦点重合，在沿所 述焦轴方向的偏差满足一定偏差限制要求，波束主轴与焦轴重合，两者的同轴度满足一定 偏差限制要求。馈电波导受照射面具有尖劈，用于改善其电磁散射，同时支撑杆、支撑杆避 开了反射面组件中心区域，减少了对反射面组的遮挡，有利于降低副瓣电平。馈源口径小， 减少了对反射面组件的遮挡，有利于降低副瓣电平。支撑杆馈电波导共同提供了对馈源组 件的结构支撑的功能，并具有力学刚度好的特点。
[0025] 下面结合附图1-5及【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0026] 注意，本发明的超低副瓣反射面天线，属于正馈单反类型。如图1所示，超低副瓣 反射面天线由反射面组件1、馈源组件2、馈源安装座4、第一支撑杆3、第二支撑杆24组成。
[0027] 如图2所示，反射面组件1是反射面天线的反射器，具有抛物面19,抛物面19具有 焦轴5、顶点6、焦点7。焦轴5就是过顶点6和焦点7的直线。顶点6和焦点7的距离称为 反射面组件的焦距。反射面组件1具有口径面20,为垂直于焦轴5的平面，口径面20与内 凹表面19的交线为口径轮廓线21，是圆心落在焦轴5上的圆形，其直径称为反射面组件的 口径。反射面组件1为以焦轴5为对称轴的旋转对称结构，对称轴过口径面20的圆心，这 种结构称为正馈反射面，有利于实现±90°大角度波束扫描。
[0028] 如图3所示，馈源组件2具有馈源22和馈电波导14,两者是一体化结构。馈源22 具有相位中心12、波束主轴13。馈源组件2与反射面组件1的位置关系是：波束主轴13与 焦轴5重合，相位中心12与焦点7重合。馈电波导14即用作微波传输通道，也用作支撑结 构，馈电波导14面向反射面组件1的一侧设有尖劈15,用于改善馈电波导14的电磁散射， 有利于降低副瓣电平。
[0029] 第一支撑杆3、第二支撑杆24的支撑点一端位于反射面组件1的第一支撑杆安装 点10、第二支撑杆安装点25上，另一端位于馈源组件2的第三支撑杆安装点19上，避开了 反射面中心区域，减少了对反射面的遮挡，有利于降低副瓣电平。
[0030] 应了解，要实现一种紧凑式波导旋转关节，具体应考虑从如下几个方面来实现：
[0031] 1、电设计约束条件
[0032] 1)确定口径（记为D):根据所要实现的天线增益（记为G，单位为dBi)，估算口径 D的大小，两者的关系为：
[0033]
V 、 … J
[0034] 其中，η为反射面天线的辐射效率，一般取为50%，λ为工作波长。
[0035] 2)确定焦距（记为F):-般使用焦径比（F/D)来约束焦距。为减小沿焦轴5方向 的尺寸，以及获得良好的辐射效率，焦径比取为0. 3~0. 4 ( -般取为0. 35)。
[0036] 3)确定馈源22照射半张角（记为Α):与焦径比的关系为：
[0037]
[0038] 当焦径比取为0· 35时，有A~71. Γ。
[0039] 4)确定馈源22在角度A上的照射锥削。降低照射锥削数值，有利于降低天线 副瓣，但也会造成天线增益下降，因此需要选取一个适中的数值，为实现超低副瓣，一般取 为-15dB。
[0040] 5)馈源22的极化方式为线极化时，为进一步降低副瓣，应使电场极化方向与馈电 波导14垂直。极化方式为圆极化时，无特殊要求。
[0041] 6)通过仿真或者测试，确定相位中心12的位置。根据相位中心12的位置，以及反 射面组件1的结构参数，确定馈电波导的外形尺寸。
[0042] 7)馈电波导14为标准矩形波导，其长边、短边尺寸符合国家标准或者为按照工作 频率设定的值。馈电波导折弯处无圆弧过渡。
[0043] 8)尖劈15的尺寸，等腰三角形底边长度与馈电波导窄边外尺寸相等并平齐，等腰 三角形的高约为工作频率在自由空间中的波长。
[0044] 9)法兰18的尺寸为标准波导法兰尺寸或专用的接口尺寸。
[0045] 2、机械接口设计
[0046] 1)在反射面组件1上设有如下机械接口 ：
[0047] -一反射面安装接口 8,用于把超低副瓣反射面天线安装于伺服机构上；
[0048] -一第一馈源安装座接口 9,用于把馈源安装座4安装在反射面组件1上；
[0049] --第一支撑杆安装点10、第二支撑杆安装点25,用于安装第一支撑杆3、第二支 撑杆24;以及
[0050] --立方镜安装接口 11，用于安装立方镜，立方镜是用于标定焦轴5的基准镜。
[0051] 2)在馈源组件2上设有如下机械接口 ：
[0052] -一第二馈源安装座接口 17,用于把馈源组件2安装在馈源安装座4上。
[0053] -一第三支撑杆安装点19,用于安装第一支撑杆3、第二支撑杆24。
[0054] 3、装配的约束条件
[0055] 首先，把馈源组件2安装在馈源安装座4上，然后把馈源安装座4及馈源组件2安 装在反射面组件1上，通过精密测量设备，对抛物面19进行和最小二乘法拟合，确定反射面 组件1的焦轴5和焦点7,再通过精密测量设备，测量相位中心12与焦点7的偏差，控制该 偏差在一定容许范围之内，然后再通过精密测量设备，测量波束主轴13与焦轴5的同轴度， 控制该同轴度在一定容许范围之内，然后通过微调垫片等措施，使馈源安装座4与反射面 组件1完成安装固定，最后，依次安装2根支撑杆3、24分别到第一支撑杆安装点10和第二 支撑杆安装点17,安装时不得带有装配应力。
[0056] 综上所述，采用本发明的超低副瓣反射面天线，实现了超低副瓣、适用于大角度扫 描，同时具有结构简单、刚度好、可靠性高等优点。
[0057] 本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。
【主权项】
1. 一种超低副瓣反射面天线，用于实现超低副瓣并适用于大角度扫描，其特征在于，包 括：反射面组件、馈源组件、馈源安装座、以及第一和第二支撑杆， 其中， 所述馈源组件通过所述馈源安装座、以及所述第一和第二支撑杆与所述反射面组件连 接，以及 所述反射面组件为旋转对称抛物面，从而适用于大角度范围内的机械扫描。2. 根据权利要求1所述的超低副瓣反射面天线，其特征在于，所述反射面组件的所述 旋转对称抛物面具有焦点、顶点、焦轴、和口径轮廓线， 其中，所述口径轮廓线为圆形的，以及所述焦轴垂直通过所述口径轮廓线的圆心。3. 根据权利要求2所述的超低副瓣反射面天线，其特征在于，所述馈源组件具有相位 中心、波束主轴、馈电波导、和馈源， 其中， 所述相位中心被安装在所述旋转对称抛物面的所述焦点上， 所述波束主轴与所述旋转对称抛物面的所述焦轴重合，以及 所述馈源和所述馈电波导是一体化的结构。4. 根据权利要求3所述的超低副瓣反射面天线，其特征在于，所述馈源组件的受照射 面具有尖劈，以改善电磁辐射，从而有利于降低副瓣电平， 其中，所述馈电波导面向所述反射面组件的一侧设有所述尖劈。5. 根据权利要求4所述的超低副瓣反射面天线，其特征在于，所述尖劈为等腰三角形 的， 其中，所述等腰三角形的底边长度与所述馈电波导的窄边外尺寸相等并平齐，以及高 为工作频率在自由空间中的波长。6. 根据权利要求3所述的超低副瓣反射面天线，其特征在于， 所述相位中心与所述焦点重合，在沿所述焦轴方向的偏差满足第一预定偏差限制要 求，以及 所述波束主轴与所述焦轴重合，两者的同轴度满足第二预定偏差限制要求。7. 根据权利要求3所述的超低副瓣反射面天线，其特征在于，所述馈源的口径小，以减 少对所述反射面组件的遮挡，从而有利于降低副瓣电平。8. 根据权利要求3所述的超低副瓣反射面天线，其特征在于，所述第一和第二支撑杆 与所述馈电波导共同提供对所述馈源组件的结构支撑，从而具有适合的力学刚度。9. 根据权利要求1所述的超低副瓣反射面天线，其特征在于， 所述第一和第二支撑杆的安装位置避开了所述反射面组件的中心区域，以减少对所述 反射面组件的遮挡，从而有利于降低副瓣电平。10. 根据权利要求1所述的超低副瓣反射面天线，其特征在于，还包括： 馈源安装座接口，用于将所述馈源组件安装在所述馈源安装座上，以及 第一和第二支撑杆安装点，用于安装所述第一和第二支撑杆。
【文档编号】H01Q19/13GK105896100SQ201510036123
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年1月23日
【发明人】庄建楼, 周傲松, 韩运忠, 高文军, 俞笔奇, 曾惠忠, 张 杰, 刘志佳, 智国平, 刘国青, 杜卓林
【申请人】北京空间飞行器总体设计部