星载有限电扫描天线的研究

论文题目: 星载有限电扫描天线的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 电磁场与微波技术

作者: 刘少东

导师: 焦永昌

关键词: 通信卫星,点波束,宽角扫描,侧馈偏置卡塞格伦天线,面赋形

文献来源: 西安电子科技大学

发表年度: 2005

论文摘要: 为适应军用卫星通信发展韵需求,卫星通信系统要求星载天线不仅能够生成高质量的点波束,而且还需要具有在其服务区内进行快速灵活的波束扫描的能力。本文密切结合“十五”国防预研项目“星载多波束及可控点波束天线”,系统地研究了星载宽角扫描天线的分析和设计,并重点对一种适合于卫星平台上安装的侧馈偏置卡塞格伦(SFOC)双反射面天线进行了研究。作者的主要工作和创造性成果可概括为以下几个方面：1.以阵馈反射面天线系统中的馈源阵列为对象,研究了复合点波束的合成方法,并针对共轭场匹配法(CFM)和最优方向系数法(OD)的固有缺点,提出了一种适用于阵馈反射面天线的方向图综合方法。2.将几何光学(GO)和物理光学(PO)相结合,研究了一种有效分析双反射面天线辐射方向图的混合方法,避免了采用单一方法分析双反射面天线时存在准确度不高(GO/GO)或计算量大(PO/PO)的问题。具体计算过程中,文中首先通过GO方法对双反射面天线的副反射面进行分析,获得了其主面上的面电流分布,继而利用PO方法对求得的面电流进行积分得到了天线系统的辐射场。3.研究了共焦点反射面天线和双校准反射面天线的结构模型和扫描机理,并重点对双校准反射面天线进行了设计和分析,其结果表明：在最大口径误差一定的前提下,双校准反射面天线比与其等效的共焦点反射面天线的扫描范围增大了40%以上。对双校准技术的研究为开展双反射面天线的赋形设计提供了基础。4.以一种扫描性能优异,且适合于卫星平台上安装的天线系统——侧馈偏置卡塞格伦(SFOC)天线为研究对象,对其结构参数进行了详细的设计。设计过程中首先应用等效抛物面的概念推导了该天线系统零交叉极化和能量漏射最小的数学条件,并从该条件出发,设计了天线非扫描时的基本结构参数。然后针对天线进行波束扫描的要求,论文研究了与扫描状态相关的其他参数(包括扫描过程中馈源的位置、馈源对副面的指向、以及副面的形状和大小)的设计方法。5.为改善星载天线的扫描特性,应用射线追踪的方法,利用优化的方法对单反射面天线和SFOC双反射面天线进行了面赋形设计。为增加反射面表达式的灵活性,赋形过程中首先根据反射面的初始数据,以双三次B样条函数逼近其形状,然后以馈源相位中心到扫描口径面的路径等长为目标,通过粒子群(PSO)全局优化算法对样条函数的插值数据点进行调节,最终经过迭代计算确定了反射面的形状。6.分析了SFOC天线的平均功率方向图,研究了反射面随机表面误差对天线辐射特性的影响。分析过程中首先利用Ruze关于表面误差的理论.将反射面上某点的误差量定义为该点在标准反射面法线方向上的偏移量,并设反射面上每个小的区域内,该偏移量的大小相同。然后在设定由随机表面误差引入的口径相位误差服从均值为零的正态分布的条件下,推导了天线平均功率方向图的计算公式。最后利用以上公式计算了相关的数据和曲线,为具体工作中反射面制造精度的确定提供了指导。

论文目录:

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究的内容及作者的主要工作

第二章星载有限电扫描天线及粒子群优化算法

2.1 引言

2.2 星载有限电扫描天线

2.3 粒子群优化算法

2.4 小结

第三章阵馈反射面天线系统中馈源阵列的研究

3.1 引言

3.2 馈源阵列的辐射场和辐射功率

3.3 阵馈反射面天线的方向性系数

3.4 馈源阵列中各单元激励系数的确定方法

3.5 小结

第四章反射面天线辐射特性的分析和验证

4.1 引言

4.2 反射面天线分析设计过程中的坐标变换关系

4.3 反射面天线辐射场的分析方法

4.4 双反射面天线的混合分析方法

4.5 数值仿真

4.6 小结

第五章对称单反射面天线的面赋形研究

5.1 引言

5.2 共焦点及双校准反射面天线的研究

5.3 对称单反射面天线的面赋形设计

5.4 小结

第六章标准侧馈偏置卡塞格伦天线的设计

6.1 引言

6.2 标准SFOC天线的结构形式

6.3 标准SFOC天线零交叉极化和能量漏射最小的条件

6.4 标准SFOC天线固定参数的设计

6.5 标准SFOC天线可变参数的设计

6.6 标准SFOC天线辐射特性的仿真分析

6.7 小结

第七章偏置单反射面及SFOC双反射面天线的面赋形设计

7.1 引言

7.2 影响反射面天线增益的效率因子

7.3 反射面的赋形设计思想

7.4 偏置单反射面天线的面赋形设计

7.5 侧馈偏置卡塞格伦天线的面赋形设计

7.6 小结

第八章随机表面误差对标准SFOC天线辐射特性的影响

8.1 引言

8.2 SFOC天线平均功率方向图的计算方法

8.3 数值仿真

8.4 小结

第九章全文总结

9.1 星载有限电扫描天线研究的主要工作

9.2 需要进一步研究的问题

致谢

参考文献

攻读博士期间的研究成果

发布时间: 2010-08-25

参考文献

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