整形反射器多波束天线制造技术

一种电磁学设计整形反射器多波束天线的方法，该方法包括如下步骤：　　　　提供反射器和馈源的初始构型，其中反射器用初始反射器整形过程整形，而馈源用于所需波束方向的多波束天线，所述反射器整形过程是一个迭代优化过程以提高从每一个波束方向入射到该多波束天线上的光线的聚焦；　　　　优化该馈源的辐射图，该优化是一个迭代过程以满足所需的多波束天线的波束的增益辐射图的上下界；和　　　　优化该反射器的表面形状和尺寸，该优化是一个迭代过程以满足所需的所述多波束天线的该波束的该增益辐射图的上下界。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
整形反射器多波束天线专利
本专利技术大体上涉及天线，特别地，涉及整形反射器多波束天线的设计。背景能够在各个方向上产生独立的波束、同时波束能够在天线内的表面上重叠或者重新使用的天线，长久以来一直是天线研究应用领域的一个目标。关于这方面研究的一类天线就是具有馈源阵列(arrayof feed)的反射器天线，其中一个馈源(feed)用于每一个波束。这种天线能够在有限的方向范围内产生高增益、低旁瓣的波束。人们已经做了大量的工作来确定特殊反射器构型的多波束性能或者优化反射器表面的尺寸和形状以产生理想的波束群。1981年11月3日授予Sletten，C.J.的美国专利No.4,298,877，标题为“利用特殊整形反射器表面的偏移馈给多波束跟踪系统”(Offset-fed multibeam tracking system utilizing especially shapedreflector surfaces)，描述了一种反射器整形处理过程。这一反射器整形处理过程仅涉及两个波束方向。该天线使用两个分离的副反射器，一个用于每一个波束，且波束的方向与馈源和副反射器偏移在同一平面内。在整形过程中，主反射器和其中一个副反射器首先整形以获得均匀相、低辐射图旁瓣和最大口径效率或波束增益的口径分布。然后第二副反射器整形作为相校正副反射器以产生第二波束。这一程序通过将附加馈源放置在两个副反射器的焦点区域内而产生了多于两个的波束，并无须修改反射器表面的形状。然而，这一方法在期望的应用中，即需要大量的波束和大范围的波束方向时，会不利地导致非常低劣的性能。特别地，随着附加馈源的加入，最大增益会迅速下降，而-->旁瓣会迅速上升，因为反射器表面并没有整形为使所有波束的性能最大化。概述根据本专利技术的第一方案，提供了一种电磁学设计整形反射器多波束天线的方法。该方法包括如下步骤：提供反射器和馈源的初始构型，其中反射器用反射器整形处理过程整形，而馈源用于给定波束方向的多波束天线，该反射器整形处理过程是一个迭代优化的处理过程以提高从给定波束方向入射到多波束天线上的光线的聚焦；优化馈源的辐射图；和优化多波束天线反射器的表面形状和尺寸。后者的优化步骤是迭代的处理过程以获得多波束天线波束增益辐射图所需的上下限，并且可以执行一次或者多次的迭代。优选地，反射器是一对，一个反射器称为初级或主反射器，其由第二反射器或副反射器照射，而第二反射器又由馈源照射。优选地，提供步骤包括如下步骤：确定波束方向和增益辐射图的需要；规定反射器和应用初始反射器整形处理过程；规定具有标称设计的馈源；将馈源放置在聚焦点上；和用物理光学方法或衍射的几何或物理理论计算多波束天线波束的增益辐射图。优选地，馈源辐射图的优化步骤包括整形馈源辐射图，以降低波束在多波束天线的一个或多个反射器处的溢失。优选地，馈源辐射图的优化步骤包括整形馈源辐射图，以弥补反射器对波束形状的变形效果(distorting effect)或提高波束在多波束天线一个或多个反射器处的旋转对称性。优选地，反射器表面形状和尺寸的优化步骤包括优化反射器以提高波束在多波束天线一个或多个反射器处的旋转对称性或降低波束的溢失。优选地，该优化步骤包括用一系列可变参量表示馈源或反射器的尺寸或形状，并对这些参量中的一个或多个进行优化。优选地，该优化步骤包括对反射器和馈源参量进行梯度搜索，-->从而使增益辐射图误差的加权和相对于多波束天线波束增益辐射图所需的上下限最小。优选地，该优化步骤包括用物理光学方法或衍射的几何或物理理论计算多波束天线波束的增益辐射图。根据本专利技术的第二方案，提供了一种用于电磁学设计整形反射器多波束天线的装置。该装置包括：用于提供反射器和馈源初始构型的装置，其中反射器用反射器整形处理过程整形，而馈源用于给定波束方向的多波束天线，该反射器整形处理过程是一个迭代优化的处理过程以提高从给定波束方向入射到多波束天线上的光线的聚焦；用于优化多波束天线馈源辐射图的装置；和用于优化多波束天线反射器的表面形状和尺寸的装置。后者的优化步骤是一个迭代优化的处理过程以获得多波束天线增益辐射图所需的上下限。根据本专利技术的第三方案，提供了一种用于电磁学设计整形反射器多波束天线的计算机程序产品，其具有记录了程序的计算机可读的介质。该计算机程序产品包括：用于提供反射器和馈源初始构型的计算机程序编码模块，其中反射器用反射器整形处理过程整形，而馈源用于给定波束方向的多波束天线，该反射器整形处理过程是一个迭代优化的处理过程以提高从给定波束方向入射到多波束天线上的光线的聚焦；用于优化多波束天线馈源辐射图的计算机程序编码模块；和用于优化多波束天线反射器的表面形状和尺寸的计算机程序编码模块。后者的优化步骤是一个迭代优化的处理过程以获得多波束天线增益辐射图所需的上下限。附图简述下文将参考附图对本专利技术的实施例进行说明，其中：图1是双反射器多波束天线的框图，用其可以实施本专利技术的实施例；图2A和2B是分别图解单波束和多波束双反射器天线中溢失的框图；-->图3A是多波束天线初始设计的+18°波束在10.7GHz下其反射器上接收模式射线的简图；图3B是多波束天线初始设计的+18°波束在10.7GHz下其辐射模式反射器照射的简图，其中等高线相对于最大照射的能量密度为-3、-10和-20dB；图4(a)-4(f)是图解多波束反射器天线馈源的简图，其分别包括(a)旋转对称性喇叭，(b)椭圆口径喇叭，(c)透镜校正喇叭，(d)具有波导馈源的整形反射器，(e)单反射器潜望镜和(f)双反射器潜望镜；图5是多波束天线最终设计的+18°波束在10.7GHz下其反射器照射的简图，其中等高线相对于最大照射的能量密度为-3、-10和-20dB；图6是图解根据本专利技术实施例的多波束天线设计程序的流程图；图7是多波束天线喇叭馈源轮廓的简图；和图8是多波束天线喇叭馈源辐射图的简图；和图9是电磁学设计整形反射器多波束天线方法的流程图。专利技术详述本文公开了用于电磁学设计整形反射器多波束天线的方法、装置和计算机程序产品。在随后的说明中，提出了许多特殊的细节。然而根据本专利技术，对于熟悉本技术的人而言，显然可以对实施例加以改变而并不背离本专利技术的范围和精神。特别地，该方法、装置和计算机程序产品寻求使旁瓣最小化并降低溢失，特别是主反射器后的溢失，从而提高多波束天线的整体性能。这使得能够更好地控制波束的对称性、聚焦和辐射图。1.介绍整形反射器多波束天线的设计目标是比先前所考虑的具有更多-->的波束和更苛刻的辐射图要求。这便导致出现了新的天线性能、更多的关于这类天线辐射图性能的知识和改进的设计技术。图9是电磁学设计整形反射器多波束天线方法900的流程图。处理过程从步骤910开始。在步骤912，提供反射器和馈源的初始构型，其中反射器用反射器整形处理过程整形，而馈源用于给定波束方向的多波束天线。该反射器整形处理过程是一个迭代优化的处理过程以提高从给定波束方向入射到多波束天线上的光线的聚焦。在步骤914，优化馈源的辐射图。在步骤916，优化多波束天线反射器的表面形状和尺寸。优化步骤914和916都是迭代的处理过程以获得多波束天线波束增益辐射图所需的上下限，并且可以执行一次或者多次的迭代。处理过程在步骤918结束。方法9本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电磁学设计整形反射器多波束天线的方法，该方法包括如下步骤：提供反射器和馈源的初始构型，其中反射器用初始反射器整形过程整形，而馈源用于所需波束方向的多波束天线，所述反射器整形过程是一个迭代优化过程以提高从每一个波束方向入射到该多波束天线上的光线的聚焦；优化该馈源的辐射图，该优化是一个迭代过程以满足所需的多波束天线的波束的增益辐射图的上下界；和优化该反射器的表面形状和尺寸，该优化是一个迭代过程以满足所需的所述多波束天线的该波束的该增益辐射图的上下界。2.根据权利要求1的方法，其中该反射器是一对，一个反射器为初级或主反射器，其由另一个作为副反射器的反射器照射，而副反射器由馈源照射。3.根据权利要求1的方法，其中每一个馈源都包括辐射元件或与一个或多个反射器或透镜结合的辐射元件。4.根据权利要求1的方法，其中该提供步骤包括如下步骤：确定该波束方向和增益辐射图的要求；规定该反射器并应用该初始反射器整形过程；规定该具有标称设计的馈源；将馈源放置在焦点；和计算该多波束天线的波束的增益辐射图，该计算使用物理光学方法或衍射的几何或物理理论。5.根据权利要求1的方法，其中该优化馈源的辐射图的步骤包括整形该馈源的辐射图以降低该波束在该多波束天线一个或多个反射器处的溢失。6.根据权利要求1的方法，其中该优化馈源辐射图的步骤包括整形该馈源的辐射图，以补偿反射器在该波束形状上的变形效果或者-->提高波束在多波束天线一个或多个反射器处的旋转对称性。7.根据权利要求1的方法，其中该优化反射器表面形状和尺寸的步骤包括优化该反射器以提高该波束在该多波束天线一个或多个反射器处的旋转对称性或降低其溢失。8.根据权利要求1的方法，其中所述各优化步骤包括按照一系列可变参量表示该馈源或者该反射器的尺寸和形状，并对这些参量中一个或多个进行优化。9.根据权利要求8的方法，其中所述各优化步骤包括对该参量执行梯度搜索从而使增益辐射图误差的加权和相对于所需的该多波束天线的波束的增益辐射图的上下界最小化。10.根据权利要求8的方法，其中所述各优化步骤包括使该反射器或该馈源的尺寸最小化，同时满足该多波束天线的增益辐射图的要求。11.根据权利要求8的方法，其中该馈源的辐射图的优化步骤包括如下步骤：将喇叭馈源的轮廓参量化；和应用梯度搜索使对于超过预定值的离轴角各个馈源辐射图的最大增益最小化。12.根据权利要求1的方法，其中该两个优化步骤执行一次或多次迭代以满足该多波束天线的增益图的要求。13.根据权利要求1的方法，其中所述各优化步骤包括计算该多波束天线以波束的增益辐射图，该计算使用物理光学方法或衍射的几何或物理理论。14.一种用于电磁学设计整形反射器多波束天线的设备，该设备包括：提供反射器和馈源的初始构型的装置，其中反射器用初始反射器整形处理过程整形，而馈源用于所需波束方向的多波束天线，该反射器整形处理过程是一个迭代优化处理过程以提高从每一个波束方向入射到该多波束天线上的光线的聚焦；-->用于优化该馈源辐射图的装置，该优化是一个迭代处理过程以满足所需的所述多波束天线的波束的增益辐射图的上下界；和用于优化该反射器表面形状和尺寸的装置，该优化是一个迭代处理过程以满足所需的所述多波束天线波束增益辐射图的上下界。15.根据权利要求14的设备，其中该反射器是一对，一个反射器为初级或主反射器，其由另一个作为副反射器的反射器照射，而副反射器由该馈源照射。16.根据权利要求14的设备，其中每一个馈源都包括辐射元件或与一个或多个反射器或透镜结合的辐射元件。17.根据权利要求14的设备，其中该提供装置包括：用于确定波束方向和增益辐射图要求的装置；用于规定反射器并应用该初始反射器整形处理过程的装置；用于规定具有标称设计的馈源的装置；用于将馈源放置在焦点上的装置；和用于计算多波束天线波束增益辐射图的装置，该计算装置使用物理光学方法或衍射的几何或物理理论。18.根据权利要求14的设备，其中该优化馈源辐射图的装置包括用于整形该馈源的辐射图以降低波束在该多波束天线一个或多个反射器处的溢失的装置。19.根据权利要求14的设备，其中该优化馈源辐射图的装置包括用于整形该馈源的辐射图，以补偿反射器在该波束形状上的变形效果或者提高波束在多波束天线一个或多个反射器处的旋转对称性的装置。20.根据权利要求14的设备，其中该优化反射器表面形状和尺寸的装置包括用于优化该反射器以提高该波束在该多波束天线一个或多个反射器处的旋转对称性或降低其溢失的装置。21.根据权利要求14的设备，其中该两个优化装置每一个都包括用于按照一系列可变参量表示该馈源或者该反射器的尺寸和形状，并对这些参量中一个或多个进行优化的装置。-->22.根据权利要求21的设备，其中该两个优化装置包括对该参量执行梯度搜索从而使增益辐射图的误差的加权和相对于所需的该多波束天线的波束的增益辐射图的上下界最小化。23.根据权利要求21的设备，其中该两个优化装置包括使该反射器或该馈源的尺寸最小化，同时满足该多波束天线的增益辐射图的要求。24.根据权利要求21的设备，其中该馈源的辐射图的优化装置包括：用于将喇叭馈源轮廓参量化的装置；和用于应用梯度搜索使对于超过预定值的离轴角度各个馈源辐射图的最大增益最小化的装置。25.根据权利要求14的设备，其中该优化装置执行一次或多次迭代以满足该多波束天线的增益图的要求。26.根据权利要求14的设备，其中该两个优化装置每一个都包括用于计算该多波束天线的波束的增益辐射图的装置，该计算装置使用物理光学方法或衍射的几何或物理理论。27....

【专利技术属性】
技术研发人员：斯图尔特·G·哈伊，克里斯托弗·琼马克·格拉特，特雷弗·S·伯德，马克·A·斯普雷，斯蒂芬·J·巴克，安东尼·R·福塞斯，
申请(专利权)人：联邦科学和工业研究组织，
类型：发明
国别省市：