專利名稱：橢圓波束變焦距環焦天線制造方法
技術領域：
本發明涉及通信領域中的一種橢圓波束變焦距環焦天線制造方法，本發明特別適用于移動衛星通信地球站如車載、機載衛星通信站用作高效率、小型化的橢圓波束天線的制造。
背景技術：
在通信領域中可以形成橢圓波束天線的型式有如下幾種，但它們在性能上均存在某些缺陷。
1、簡單的切割拋物面天線和切割賦形環焦天線，雖然可以形成橢圓波束，但是其效率很低(低于55％)、旁瓣偏高。
2、利用橢圓口徑的饋源饋電和使用橢圓口徑主副面雖然也可獲得較高效率的橢圓波束，但饋源的成本較高，且在線極化工作時，天線的極化隔離和跟蹤性能較差，特別是無法實現良好的圓極化工作。
3、賦形雙偏置天線也可形成橢圓波束，并且具有較高的天線效率，但雙偏置結構由于饋源、副面和主面偏置擺放，造成縱向尺寸和橫向尺寸增大，不能滿足裝車和裝機的空間要求，故不能用作機載和車載衛通站天線。

發明內容
本發明的目的在于避免上述背景技術中的不足之處而提供一種變焦距環焦結構的橢圓波束變焦距環焦天線制造方法，且本發明還具有高效率、低旁瓣、較好的極化跟蹤和隔離性能及體積小、重量輕等特點，適合用于移動衛星通信等領域。
本發明的目的是這樣實現的，本發明包括步驟在直角坐標系yOz平面、＝90°平面上，由已知天線主面1橢圓口徑長軸平面上拋物線3的拋物線參數口面直徑D2、焦徑比τ2、天線副面2橢圓口徑長軸平面上橢圓線5的副面半徑s2和副面頂點到饋源相心的距離d0，根據反射定律和等光程條件，計算確定相對應的天線副面2橢圓口徑長軸平面上橢圓線5的橢圓線參數焦距2c2、長軸2a2、傾角β2；由已知的天線主面1長軸平面上拋物線3的拋物線參數和天線副面2長軸平面上橢圓線5的橢圓線參數以及已知的天線主面1短軸平面上拋物線4的口面直徑D1，根據反射定律和等光程條件計算確定xOz平面、＝0°平面上的天線主面1橢圓口徑短軸平面上拋物線4的拋物線參數主面邊緣對副面頂點的半張角Ψ01和天線副面2橢圓口徑短軸平面上橢圓線6的副面半徑s1；根據天線副面2的長軸平面上橢圓線5、短軸平面上橢圓線6的副面半徑的過渡函數s()＝f(，s1，s2)，計算確定整個天線副面2任意平面變焦距形狀；由天線饋源及天線副面2形狀，根據反射定律和等光程條件，計算確定天線主面1任意平面變焦距形狀。
本發明與背景技術相比具有如下優點1、本發明提出了變焦距環焦天線產生橢圓波束的方法，克服了現有橢圓波束天線的缺點，改善了天線的性能，天線效率高達70％以上，天線的旁瓣轉低。
2、本發明具有較好的極化跟蹤和隔離性能，能滿足線圓極化通信的要求。
3、本發明制造的變焦距環焦天線仍可使用普通的圓口徑饋源，饋源通用性強，且整個天線體積小、重量輕，適合移動衛星通信等場合應用。


圖1是本發明變焦距主面1主視結構示意圖。
圖2是本發明變焦距主面1俯視結構示意圖。
圖3是本發明變焦距副面2主視結構示意圖。
圖4是本發明變焦距主面2俯視結構示意圖。
圖5是本發明主面1和副面2的坐標系示意圖。
圖6是本發明求解＝0°、＝90°平面上主面1和副面2曲面坐標的原理圖。
圖7是本發明求解任意φ平面上副面2和主面1上點坐標的原理圖。
具體實施例方式
本發明圖5中，x、y、z三軸構成正交直角坐標系，r、θ、構成球坐標系，O是其原點，xOy平面是等光程條件的參考平面，饋源相心位于O點，副面2為變焦距副面，主面1為變焦距主面，且其口面在xOy平面的投影是一橢圓。從O點發出的射線到達副面的S(xs，ys，zs)點，經副面反射到達主面的M(xm，ym，zm)點，經主面的反射后形成與z軸平行的射線。
圖6的結構中，把＝0°平面(即xOz平面)和＝90°平面(即yOz平面)上的主副面參數畫在一起，圖6中的縱軸ρxy在＝0°平面表示x軸，在＝90°平面表示y軸。對于一般的＝s平面內，副面的法線不在＝s平面內，但＝0°和＝90°平面是天線的兩個對稱軸所在的平面，因而可以設法使這兩個平面內副面的法線分別在這兩個平面內，可以根據反射定律和等光程條件首先把＝0°和＝90°平面的主、副面參數確定下來。在確定時，＝0°平面的副面對應主面橢圓口面的短軸，＝90°平面的副面對應主面橢圓口面的長軸。假定＝0°到＝90°之間副面參數是以某種函數漸變過渡的，從而通過優選該過渡函數確定出整個副面的形狀。在確定副面方程時還要用到副面邊緣對饋源相心的張角θm在任意平面保持不變。具體的求解過程如下首先確定＝90°平面內(長軸平面)主副面曲線，即長軸平面的主副面參數，已知主面直徑D2，副面半徑s2，焦距直徑比τ2，副面頂點到饋源相心的距離d0。則＝90°平面內的主副面其它幾何參數，如主面拋物線的焦距f2，主面邊緣對副面頂點的半張角Ψ02，焦點對饋源相心的張角β2，副面橢圓的焦距2c2，副面橢圓的長軸2a2，副面邊緣對饋源相心的半張角θm，都可以通過如下公式計算出來。
f2＝τ2(D2-2s2) (1)Ψ02=2tg-1(14τ2)---(2)]]>β2=tg-1(s2d0-s2ctgΨ02)---(3)]]>c2=s22sinβ2---(4)]]>a2=d02+s22sinΨ02---(5)]]>θm=sin-1(2s2(2d0+s2tgΨ022)s22+(2d0+s2tgΨ022)2)---(6)]]>然后，根據等光程條件，計算＝0°平面(即短軸平面)的主副面曲線。以xOy平面為等光程參考平面。＝0°和＝90°平面的等光程條件為Ck=D22/tgΨ022=D12/tgΨ012---(7)]]>其中D1為＝0°平面主面直徑(短軸直徑)，Ψ01為＝0°主面邊緣對副面頂點的半張角。從而tgΨ012=D1D2tgΨ022---(8)]]>因此，可以得到＝0°平面的主面半張角Ψ01，進而可求出＝0°平面的副面半徑s1s1=2d0tgθm21-tgθm2tgΨ012---(9)]]>圖7的結構中，確定任意平面的副面曲線和其對應的主面曲線。副面形狀是通過優選一過渡函數從副面短軸曲線(＝0°平面的橢圓線)漸變到副面長軸曲線(＝90°平面的橢圓線)而形成的曲面。令副面半徑s作為的函數，任意平面的過渡函數s()表示為s()＝f(，s1，s2) (10)即s()從＝0°平面的s1過渡到＝90°平面的s2。過渡函數s()有多種選擇，選取的原則是所生成的主面口面盡量接近想要的橢圓口面，并且所生成的主面曲面應有盡可能少的奇異點。在副面上，對任意的平面，已知s()后，其它參數，主面邊緣對副面頂點的半張角Ψ0()，焦點對饋源相心的張角β()，副面橢圓的焦距2c()，副面橢圓的離心率e()，都能求出來，如圖3所示。
至此，平面上的副面參數已經完全確定。副面上任一點(θ，)對應的矢徑長度r(θ)表示為 平面上任一點的直角坐標為 至此，副面的形狀已完全確定。
在確定了副面方程之后，副面上任一點的法線矢量便可以求出。對于副面上的任一點，根據反射定律和等光程條件，即可以求出所對應的主面上點的坐標。
副面上任一點的法向單位矢量 為 式中的符號由判斷確定，標準是 為副面凹方向的單位法向量。rθ和r為坐標矢量，分別為r0=∂r(θ)∂θ=∂xs∂θx^+∂ys∂θy^+∂zs∂θz^---(18)]]> 饋源相心指向副面上任一點(xs，ys，zs)的單位向量 為r^s=xsx^+ysy^+zsz^xs2+ys2+zs2---(20)]]>根據反射定律，則由副面上的點(xs，ys，zs)指向主面上的對應點(xm，ym，zm)的單位向量 為m^=r^s-2(n^s·r^s)n^s---(21)]]>設ck為點(xs，ys，zs)到點(xm，ym，zm)的距離，則有 其中mx，my，mz分另為 的三個分量。等光程條件為|rs|+ck-zm＝2(a2+f2)-2c2cosβ2＝cp(23)其中cp為常數。把式(22)代入式(23)中得 式中|rs|=x·s2+ys2+zs2]]>，cA＝mx/mz，cB＝my/mz。求解方程(24)，可以得到副面點S(xs，ys，zs)在主面的對應點M的坐標(xm，ym，zm)。至此，已經完全確定了副面和主面形狀，從而完成了本發明的設計。
根據上述橢圓波束變焦距環焦天線的設計過程，實施例設計和制作了680mm×450mm的橢圓波束變焦距環焦天線。實測結果表明橢圓波束變焦距環焦天線達到了70％以上的效率，并且具有較低的旁瓣電平。
權利要求
1.一種橢圓波束變焦距環焦天線制造方法，其特征在于包括步驟在直角坐標系yOz平面、＝90°平面上，由已知天線主面(1)橢圓口徑長軸平面上拋物線(3)的拋物線參數口面直徑D2、焦徑比τ2、天線副面(2)橢圓口徑長軸平面上橢圓線(5)的副面半徑s2和副面頂點到饋源相心的距離d0，根據反射定律和等光程條件，計算確定相對應的天線副面(2)橢圓口徑長軸平面上橢圓線(5)的橢圓線參數焦距2c2、長軸2a2、傾角β2；由已知的天線主面(1)長軸平面上拋物線(3)的拋物線參數和天線副面(2)長軸平面上橢圓線(5)的橢圓線參數以及已知的天線主面(1)短軸平面上拋物線(4)的口面直徑D1，根據反射定律和等光程條件計算確定xOz平面、＝0°平面上的天線主面(1)橢圓口徑短軸平面上拋物線(4)的拋物線參數主面邊緣對副面頂點的半張角Ψ01和天線副面(2)橢圓口徑短軸平面上橢圓線(6)的副面半徑s1；根據天線副面(2)的長軸平面上橢圓線(5)、短軸平面上橢圓線(6)的副面半徑的過渡函數s()＝f(，s1，s2)，計算確定整個天線副面(2)任意平面變焦距形狀；由天線饋源及天線副面(2)形狀，根據反射定律和等光程條件，計算確定天線主面(1)任意平面變焦距形狀。
全文摘要
本發明公開了一種橢圓波束變焦距環焦天線制造方法,它涉及通信領域中高效率、小型化橢圓波束天線的制造。它首先利用主面橢圓口徑輪廓長短軸拋物線計算確定副面的長短軸橢圓線,再利用過渡函數計算確定出整個副面的變焦距形狀,最后根據反射定律和等光程條件計算得到天線主面的變焦距形狀,把普通的圓口徑饋源放置于主面和副面之間,從而形成橢圓波束的輻射方向圖,獲得橢圓波束變焦距環焦天線。本發明制造的天線具有效率高,旁瓣低,體積小,重量輕,較好的極化跟蹤和隔離性能等特點,適合用于移動衛星通信等領域。
文檔編號H01Q19/19GK1389955SQ0214045
公開日2003年1月8日 申請日期2002年7月13日 優先權日2002年7月13日
發明者楊可忠, 杜彪, 路志勇, 陳延平, 陳汨源 申請人:信息產業部電子第五十四研究所