一种大型波束波导天线抗风扰的指向误差补偿方法技术

本发明专利技术属于天线技术领域，具体提供了一种大型波束波导天线抗风扰的指向误差补偿方法，其步骤包括：(1)计算等效馈源位置所需横向位移；(2)确定天线波束波导系统的反射镜组合，初步估计馈源虚像镜面所需位移；(3)根据馈源虚像所需镜面位移及驱动器的行程，具体确定各个反射镜镜面尺寸；(4)确定其中的反射镜一结构，根据方位方向馈源虚像所需位移，计算反射镜一方位方向驱动所需位移；(5)根据俯仰方向馈源虚像所需位移，计算反射镜一俯仰方向驱动所需位移。本发明专利技术采用对波束波导系统中的镜面位置实时可调的方法，来改变主面系统中等效馈源位置，从而补偿由风扰造成的主面系统变形而导致的天线指向偏差，提高了天线的指向精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于天线
，具体涉及一种大型波束波导天线抗风扰的指向误差补偿方法。
技术介绍
大型反射面天线以其照射效率高和边缘漏射低等优点，被广泛应用于卫星通讯、深空探索等领域，然而大型反射面天线指向控制器设计指标要求较高，例如我国“萤火工程”65米口径天线，其指向精度要求误差小于0.01°，只有精度达到要求，才能发挥天线口径效率，而随着口径的不断增大，天线结构会受到自重、风荷、雨雪等多种载荷作用，使得天线主面系统发生柔性变形，导致指向的偏差，而指向偏差又会引起天线电性能偏差降低工作效率。当然随着天线工况的不同，这种影响也会随之变化。 对于如何降低外界载荷对天线指向控制的影响，前人已在精确了解指向误差造成的因素方面，以及先进控制理论方面做出了大量贡献，并在一定程度上都减小了指向误差，但效果有限；而从天线已有结构上并未针对如何减小外载荷所造成的指向误差提出创新。 目前国际上的深空探测天线几乎都是采用卡塞格伦结构，直观地与前馈天线相比，卡塞格伦天线当波束方向指向深空时，由幅面边缘泄漏到空间的能量会远离地面，使天线噪声温度降低。深空探测天线采用波束波导馈电的情况日渐增多。这是因为：第一，波束波导馈电馈源网络系统和接收机系统可置于地面的设备房内，便于维修和操作；第二随着无线电频谱开拓技术的进步，深空探测所用的频段逐渐向高频段发展，多频共用技术>日渐成熟，采用波束波导馈电系统可通过双色面进行双频或多频分离。
技术实现思路
本专利技术的目的在于设计一种可实时改变反射镜位置的波束波导系统，通过改变反射镜位置来改变等效馈源位置，用以补偿主面系统变形造成的指向误差。 为此，本专利技术提供了一种大型波束波导天线抗风扰的指向误差补偿方法，包括如下步骤： (1)计算等效馈源位置所需的横向位移； (2)确定天线的波束波导系统的反射镜组合结构，利用该反射镜组合结构初步估计馈源虚像镜面所需位移； 所确定的反射镜组合为双抛物面组合，其包括三个平面反射镜；馈源O经反射镜一、反射镜二、反射镜三、反射镜四以及反射镜五离馈源越来越远的平面镜，反射镜二和反射镜四为抛物面镜；为抛物面镜的反射镜四可随俯仰轴转动，保证了等效馈源位置随俯仰轴转动而改变俯仰角度；为平面镜的反射镜一位置实时可调，用来改变等效馈源的实时位置，若将馈源O的虚像O1移至O2，则等效馈源点B1也移至B2； (3)根据馈源虚像所需镜面位移及驱动器的行程，具体确定各个反射镜镜面尺寸； (4)确定反射镜一的结构，根据方位方向馈源虚像所需位移，计算反射镜一方位方向驱动所需位移；； (5)根据俯仰方向馈源虚像所需位移，计算反射镜，得到等效馈源点B1，其中反射镜一、反射镜三以及反射镜五依次为距一俯仰方向驱动所需位移。 上述步骤(1)所述的等效馈源位置所需的横向位移的计算方法按如下步骤进行： 根据天线所受风扰情况，应用查表法估计由风扰造成的主面系统变形所导致的方位方向的最大指向误差θmax，而等效馈源B1的横向位移du1同样会产生指向误差θ1，令θmax+θ1＝0，则可得到等效馈源位置所需的最大横向位移du1： d u 1 = θ max Mf K ]]> 其中f为主反射面焦距，M为主面系统放大因子，K为主反射面波束偏转因子，它与主反射面焦径比相关。 上述步骤(2)所述的初步估计镜面所需位移的计算方法为： 镜面所需位移估计方法： 若反射镜五与x向夹角为θ2，则等效馈源B1至B2的x向位移du1，可由其等效馈源的像F1移至F2的y向位移du2计算所得： du1＝du2×sin(180-2θ2) 而反射镜四的焦轴方向为x方向，因此F1至F2的y向位移du2为反射镜四的抛物面焦点的横向位移，要使得焦点发生横向位移，则反射镜四的入射光需偏离x方向一个角度θ，该角度θ即反射镜四的波束入射偏转角，由于θ一般较小，因此在这里不考虑散焦的影响。θ的计算方法如下： θ = d u 2 K 1 f 1 ]]> 其中K1为反射镜四的波束偏转因子，f1为反射镜四的焦距。 反射镜三与x方向成45°角且固定不动，根据光的折射原理，因此反射镜四的波束入射偏转角θ即反射镜三的反射波束偏转角，需要反射镜二的反射波束即反射镜三的入射波束也产生相应大小的偏转角θ；与反射镜四的抛物面原理相同，所需要的反射镜二的焦点发生横向位移du3，计算方法如下： d u 3 = θ f 2 K 2 ]]> 其中K2为反射镜二的波束偏转因子，f2为反射镜二的焦距。 取：K1＝K2,f1＝f2，则 则du3为镜面位移估计值。 上述步骤(3)的具体设计步骤如下： a.设计反射镜五与x向夹角θ2在45°至55°之间，这样保证了F1至F2的y向位移并不会产生较大的B1至B2的y向位移，而影响主面系统电性能的增益。 b.设计反射镜四，确定口径D1及焦距f1： 主反射面系统确定后，则波束半张角θm也确定；反射镜五与x向夹角θ2确定后，为了保证波束竖直朝y向，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大型波束波导天线抗风扰的指向误差补偿方法，其特征在于：包括如下步骤： (1)计算等效馈源位置所需的横向位移； (2)确定天线的波束波导系统的反射镜组合结构，利用该反射镜组合结构初步估计馈源虚像镜面所需位移； 所确定的反射镜组合为双抛物面组合，其包括三个平面反射镜；馈源(6)O经反射镜一(1)、反射镜二(2)、反射镜三(3)、反射镜四(4)以及反射镜五(5)，得到等效馈源点B1，其中反射镜一(1)、反射镜三(3)以及反射镜五(5)依次为距离馈源(6)越来越远的平面镜，反射镜二(2)和反射镜四(4)为抛物面镜；为抛物面镜的反射镜四(4)可随俯仰轴转动，保证了等效馈源位置随俯仰轴转动而改变俯仰角度；为平面镜的反射镜一(1)位置实时可调，用来改变等效馈源的实时位置，若将馈源(6)O的虚像O1移至O2，则等效馈源点B1也移至B2； (3)根据馈源虚像所需镜面位移及驱动器的行程，具体确定各个反射镜镜面尺寸； (4)确定反射镜一(1)的结构，根据方位方向馈源虚像所需位移，计算反射镜一(1)方位方向驱动所需位移； (5)根据俯仰方向馈源虚像所需位移，计算反射镜一(1)俯仰方向驱动所需位移。

【技术特征摘要】
1.一种大型波束波导天线抗风扰的指向误差补偿方法，其特征在于：包括如下步骤： 
(1)计算等效馈源位置所需的横向位移； 
(2)确定天线的波束波导系统的反射镜组合结构，利用该反射镜组合结构初步估计馈源虚像镜面所需位移； 
所确定的反射镜组合为双抛物面组合，其包括三个平面反射镜；馈源(6)O经反射镜一(1)、反射镜二(2)、反射镜三(3)、反射镜四(4)以及反射镜五(5)，得到等效馈源点B1，其中反射镜一(1)、反射镜三(3)以及反射镜五(5)依次为距离馈源(6)越来越远的平面镜，反射镜二(2)和反射镜四(4)为抛物面镜；为抛物面镜的反射镜四(4)可随俯仰轴转动，保证了等效馈源位置随俯仰轴转动而改变俯仰角度；为平面镜的反射镜一(1)位置实时可调，用来改变等效馈源的实时位置，若将馈源(6)O的虚像O1移至O2，则等效馈源点B1也移至B2； 
(3)根据馈源虚像所需镜面位移及驱动器的行程，具体确定各个反射镜镜面尺寸； 
(4)确定反射镜一(1)的结构，根据方位方向馈源虚像所需位移，计算反射镜一(1)方位方向驱动所需位移； 
(5)根据俯仰方向馈源虚像所需位移，计算反射镜一(1)俯仰方向驱动所需位移。 
2.根据权利要求1所述的一种大型波束波导天线抗风扰的指向误差补偿方法，其特征在于：步骤(1)所述的等效馈源位置所需的横向位移的计算方法按如下步骤进行： 
根据天线所受风扰情况，应用查表法估计由风扰造成的主面系统变形所 导致的方位方向的最大指向误差θmax，而等效馈源B1的横向位移du1同样会产生指向误差θ1，令θmax+θ1＝0，则可得到等效馈源位置所需的最大横向位移du1： 
其中f为主面系统主反射面(7)焦距，M为主面系统放大因子，K为主面系统主反射面(7)波束偏转因子，它与主面系统主反射面(7)焦径比相关。 
3.根据权利要求1所述的一种大型波束波导天线抗风扰的指向误差补偿方法，其特征在于：步骤(2)所述的初步估计镜面所需位移的计算方法为： 
镜面所需位移估计方法： 
若反射镜五(5)与x向夹角为θ2，则等效馈源B1至B2的x向位移du1，可由其等效馈源的像F1移至F2的y向位移du2计算所得： 
du1＝du2×sin(180-2θ2) 
而反射镜四(4)的焦轴方向为x方向，因此F1至F2的y向位移du2为反射镜四(4)的抛物面焦点的横向位移，要使得焦点发生横向位移，则反射镜四(4)的入射光需偏离x方向一个角度θ，该角度θ即反射镜四(4)的波束入射偏转角，由于θ一般较小，因此在这里不考虑散焦的影响，θ的计算方法如下： 
其中K1为反射镜四(4)的波束偏转因子，f1为反射镜四(4)的焦距； 
反射镜三(3)与x方向成45°角且固定不动；根据光的折射原理，因此反射镜四(4)的波束入射偏转角θ即反射镜三(3)的反射波束偏转角， 需要反射镜二(2)的反射波束即反射镜三(3)的入射波束也产生相应大小的偏转角θ；与反射镜四(4)的抛物面原理相同，所需要的反射镜二(2)的焦点发生横向位移du3，计算方法如下： 
其中K2为反射镜二(2)的波束偏转因子，f2为反射镜二(2)的焦距。 
取：K1＝K2,f1＝f2，则 
则du3为镜面位移估计值。 
4.根据权利要求1所述的一种大型波束波导天线抗风扰的指向误差补偿方法，其特征在于：所述步骤(3)的具体步骤如下： 
a.设计反射镜五(5)与x向夹角θ2在45°至55°之间，这样保证了F1至F2的y向位移并不会产生较大的B1至B2的y向位移，而影响主面系统电性能的增益； 
b.设计反射镜四(4)，确定口径D1及焦距f1： 
主面系统主反射面(7)系统确定后，则波束半张角θm也确定；反射镜五(5)与x向夹角θ2确定后，为了保证波束竖直朝y向，则反射镜四(4)反射波束中轴与x向夹角θ0也即确定，口径D1除了结构最大尺寸限制外，为了减小边缘漏射和绕射现象，还应满足如下公式： 
D1≥30λ 
其中λ为波长； 
再根据D1和半张角θm确定反射镜四(4)的焦距f1，具体应满足公式如下所示： 
D1＝(p2-p1)cosθm 其中p1、p2为波束边缘波在反射镜四(4)与反射镜五(5)间的光程。 
...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄进，张洁，宋瑞雪，邱丽丽，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61