卫星通信赋形环焦反射面天线的设计与分析(2)

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3.5.3相关参数的求解..22

3.5.4主副镜空间分布参数的获取..22

3.5.5相关参数的输出..24

4赋形环焦反射面天线主副镜设计....26

4.1引言...26

4.2副镜反射波主曲率半径及孔径场分布..26

4.3主镜和副镜母线的方程.28

4.4赋形环焦反射面天线主副镜设计程序与仿真30

4.4.1赋形环焦反射面天线设计流程...30

4.4.2初始化条件30

4.4.3馈源方向图31

4.4.4口面分布函数选取...31

4.4.5赋形环焦天线副镜的设计.32

4.4.6赋形环焦天线主镜的设计.33

4.4.7获取主副镜的空间分布参数..35

4.4.8赋形与标准环焦天线的主副面形状对比分析....38

5赋形环焦反射面天线方向图计算...40

5.1赋形环焦反射面天线的辐射场....40

5.2赋形环焦反射面天线辐射方向图计算..43

5.3仿真结果分析..43

5.4结论...44

结束语45

致谢....46

参考文献..47

附录Ａ（标准环焦反射面天线主副镜设计的C++程序）...49

附录Ｂ（赋形环焦反射面天线主副镜设计的C++程序）...52

１引言 1.1 卫星通信系统对反射面天线的要求伴随着卫星通信技术的发展，越来越多的国内和国际通信以卫星通信的方式进行，致使同步轨道卫星数目日益增多，角度间隔日益减小，卫星间的干扰日益严重，而且卫星通信中同时存在宇宙噪声、外部环境干扰和系统热干扰。为了解决这些问题，要求星载天线与地球站天线的方向图呈现低旁瓣特性[1]。考虑到卫星与地球站之间的通讯距离遥远，为有效的传输信号，要求地球站天线具有良好的方向性和高增益的特点，以便于电波的远距离传输。同时由于卫星通信所带来的全球性通信、远距离通信和迅速信息传输，促使商用或军用用户日益增多，对通信容量造成了很大的压力，促使频谱复用技术的发展[2]。频谱复用体制的使用要求天线必须有极佳的极化纯度。
1.2 常规卫星通信反射面天线简析卫星通信反射面天线的种类很多，目前比较常规的反射面天线有前馈式抛物面天线、卡塞格伦天线、环焦天线。在反射面天线中，将馈源安放在抛物面的焦点处，且反射面和馈源的口面相对的天线为前馈式抛物面天线 [3]。前馈式抛物面天线具如下这些优点：①成本低；②结构简单；③安装调试容易；④馈源对于空中电磁波的遮挡小。虽然前馈式抛物面天线存在如上特点，但是当天线口径增大到一定程度后，就会有如下问题：①由于抛物线焦点处安装有馈源喇叭，馈源喇叭上是光聚焦的位置，这使馈源喇叭温度容易升高，导致信号的信噪比降低，使得馈源喇叭的寿命减短和可靠性降低；②馈源喇叭安装调试不方便。所以前馈式抛物面天线一般不用于大口径的天线。对于大口径天线，一般采用后馈式抛物面天线来设计[4]。因为前馈抛物面天线的抛物面的馈源喇叭与收发单元之间要用馈线连接，所以他们之间的传输损耗不小。加之馈源的方向图不等化问题存在于早期的前馈源抛物面天线，造成天线效率很低，只能达到 50~55％，导致这种天线被认为是一种低效率天线[5]。随着制冷参数引入到接收系统，接收系统本身获得了较低的噪声温度，为了降低整个系统的噪声温度，人们开始重视天线及其馈源噪声温度的降低，这就要求馈源系统及天线有较低的噪声温度与较高的天线效率，源]自{751·~论\文}网·www.751com.cn/ 此时后馈式天线应运而生[5]。卡赛格伦天线是一种后馈式天线，它是基于光学中的卡塞格伦望远镜的原理，制成的。这是一种双反射面天线，被广泛应用于微波通信领域[6]。与普通抛物面天线相比，卡塞格伦天线优点表现为：（1）由于在双镜天线中，曲面的反射是扩散型的，所以，相对于单镜天线而言，双镜系统返回馈源的能量要小，使得对馈源匹配的影响减弱。（2）由于对于双镜天线而言，要达到单镜长焦距抛物面的性能，只需要用短焦距抛物面天线就能实现，所以作为双镜天线之一的卡塞格伦天线能将天线纵向尺寸缩短，产生结构简单、焦距短、且性能良好的天线。（3）由于馈源喇叭放置在靠近主镜顶点处，可以进行延伸，这能够缩短了馈线长度，这不仅使得在主面后面放置接收机高频部分，从而降低系统噪声成为可能，而且使得天线获得紧凑的整体结构。（4）由于天线有主镜与副镜的两次反射，使得得到主面口面场分布最佳化设计更加方便，这对改善天线增益和提高提高口面利用系数有很大的帮助[5]。由于卡塞格伦天线具有以上优点，使得它广泛应用于射电天文、微波中继通信与卫星通信领域[7]。卡塞格伦天线存在的主要问题在于，对于小尺寸卡塞格伦天线而言，由于辐射到副镜的电波会产生较强的边缘绕射效应，这会导致主面口面场产生相位畸变与振幅起伏，同时由于卡塞格伦天线中存在副镜遮挡，会使得副瓣电平升高、增益下降。环焦天线因其焦点的轨迹是一个圆环而得名[8]。由于其特殊结构，使得它具有如下性能[9]： 1）由于副面是倒转反射的，因此馈源中心能量密度小的区域分布到主面面积小的中心区域，而能量密度大的区域分布到主面面积大的区域，这使得口面场更加均匀。