一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线的制作方法

1.本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线。


背景技术：

2.现有测控多波束自跟踪抛物面天线，为满足自跟踪及偏馈多波束引导跟踪需求，采用的是固定中心馈源及固定偏焦馈源，固定中心馈源照射反射面后产生固定增益和宽度的中心和差波束，无法满足测控站跟踪不同距离目标时对不同波束宽度的需求；固定偏焦馈源照射反射面后产生对应固定数量、固定交叠关系的偏焦波束，无法满足引导精度更高时的需求，并且最外偏焦波束增益损失相对较大，也影响作用距离。


技术实现要素：

3.本发明是为了解决固定中心馈源及固定偏焦馈源精度不足、增益损失大的问题，提供一种新型多波束自跟踪抛物面天线，利用相控阵多波束馈源同时形成偏馈多波束、和差波束的能力，照射反射面后形成高增益的偏馈多波束及高增益中心和差波束，其中高增益偏馈多波束信号其中偏馈多波束信号可用于引导捕获跟踪，高增益中心和差波束信号送接收机用于单脉冲自跟踪。该天线可用于对各类目标进行单脉冲自跟踪和宽波束引导捕获。其中高增益中心和、差波束可以通过灵活选择激励单元的个数，形成不同增益及不同波束宽度的和、差波束；高增益偏焦多波束可以根据系统需要，灵活选择激励单元从而同时形成数量不同、交叠不同的偏焦波束，满足地面固定测控站或者机动测控站跟踪不同距离、动态的飞行目标。
4.本发明提供一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线，包括焦点重合的双曲副反射面、抛物主反射面和设置在焦点上的馈源；
5.馈源为相控阵多波束馈源；
6.馈源用于同时形成偏馈多波束、和差波束并照射双曲副反射面后反射到抛物主反射面形成偏馈多波束信号、中心和差波束信号；
7.偏馈多波束信号用于引导捕获跟踪，中心和差波束信号用于单脉冲自跟踪。
8.本发明所述的一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线，作为优选方式，馈源包括若干个数字相控单元和与每个数字相控单元均电连接的阵列信号处理分系统，数字相控单元用于接收射频信号后进行放大、下变频、采样并输出数字信号至阵列信号处理分系统，阵列信号处理分系统用于接收数字信号并同时形成偏馈多波束、中心和差波束输出；
9.数字相控单元包括依次电连接的天线单元、耦合器、r组件、变频组件、分发网络和数字采样终端；阵列信号处理分系统包括阵列信号处理机。
10.本发明所述的一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线，作为优选方式，天线单元为背腔式平面蝶形天线，背腔式平面蝶形天线为六边形背腔，六边形背腔按三角形栅格排布。
11.本发明所述的一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线，作为优选方式，馈源包括
109个数字相控单元，每7个数字相控单元照射双曲副反射面后反射到抛物主反射面形成一个高增益波束。
12.本发明所述的一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线，作为优选方式，偏馈多波束为同时形成的多个空间指向角不同的偏焦波束相互叠加而成，偏馈多波束通过对每个空间指向角不同的偏焦波束进行相位加权实现偏焦增益损失的最小化。
13.本发明所述的一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线，作为优选方式，空间指向角不同的偏焦波束由同时激励18个或60个高增益偏焦波束形成，高增益偏焦波束由7个数字相控单元照射双曲副反射面后反射到抛物主反射面形成，7个数字相控单元的排列方式为中心1 个外圈6个，中心1个数字相控单元为偏焦数字相控单元；
14.18个高增益偏焦波束的排布为：由内向外依次排列的第一圈6 个和第二圈12个，第一圈的6个高增益偏焦波束共用一个数字相控单元，第一圈的6个高增益偏焦波束的相位中心紧密排列在共用的所述数字相控单元外圈；
15.60个高增益偏焦波束的排布为：由内向外依次排列第一圈6个、第二圈12个、第三圈18个和第四圈24个；
16.偏焦波束与相邻的偏焦波束可部分重叠；
17.对于每个偏焦波束，通过相位加权实现偏焦增益损失的最小化。
18.本发明所述的一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线，作为优选方式，中心和差波束信号为馈源同时激励位于中心的至少7个数字相控单元单元形成；
19.中心和差波束信号包括中心和波束信号、方位差波束信号和俯仰差信号。
20.本发明所述的一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线，作为优选方式，中心和波束信号为馈源同时激励位于中心的7个数字相控单元单元形成，7个数字相控单元的排布为：馈源的相位中心和位于相位中心外圈的6个数字相控单元。
21.本发明所述的一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线，作为优选方式，方位差波束信号为馈源同时激励位于中心的6个数字相控单元形成，6个数字相控单元单元排布为馈源的相位中心左右对称各3个数字相控单元。
22.本发明所述的一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线，作为优选方式，俯仰差信号为馈源同时激励位于中心的6个数字相控单元形成， 6个数字相控单元单元排布为馈源的相位中心以上的3个数字相控单元和馈源的相位中心以下的3个数字相控单元，6个数字相控单元单元俯仰对称。
23.本发明公开了一种新型多波束自跟踪抛物面天线，包括相控阵多波束馈源、反射面两部分。本发明利用相控阵多波束馈源同时形成偏馈多波束、和差波束的能力，照射反射面后形成高增益的偏馈多波束及高增益中心和差波束，其中高增益偏馈多波束信号可用于引导捕获跟踪，高增益中心和差波束信号可用于单脉冲自跟踪。相控阵馈源采用采用单元级数字相控方案，每个单元接收射频信号后，经放大、下变频、采样，输出数字信号送阵列信号处理分系统。相控阵馈源包括天线单元、耦合器、r组件、变频组件、分发网络、数字采样终端、阵列信号处理机。天线单元采用加载引向结构的背腔式平面蝶形天线，可以实现较宽的覆盖频段，同时由于单元包含背腔结构可以保证单元之间较好的隔离，另外六边形背腔结构也有利于组阵。阵元按照三角形栅格排布，共包含109个阵元。依靠馈源偏焦实现波束偏移，偏焦馈源波束指向可调可保证较小的增益损失，单元半波长间距排布并同时参与多个
偏焦波束的形成从而实现密集的波束交叠。整个相控阵馈源有109个单元，每七个单元照射反射面天线形成一个高增益波束。在工作时同时产生1组高增益主波束(包括1个中心和波束，1个方位差波束及1个俯仰差波束)和18个(第1圈6个加第2圈12个) 或60个(4圈，由内至外依次是6、12、18、24个)高增益偏焦波束，可以根据系统需求，选择产生18个或60个高增益偏焦波束。
24.本发明利用相控阵多波束馈源同时形成偏馈多波束、和差波束的能力，照射反射面后形成高增益的偏馈多波束及高增益中心和差波束。
25.相控阵馈源采用采用单元级数字相控方案，每个单元接收射频信号后，经放大、下变频、采样，输出数字信号送阵列信号处理分系统。相控阵馈源包括天线单元、耦合器、r组件、变频组件、分发网络、数字采样终端、阵列信号处理机。
26.激励中心7个单元形成中心和波束，激励中心6个左右对称单元形成方位差波束，激励中心6个俯仰对称单元形成俯仰和波束，此时相控阵馈源的中心和差波束照射反射面全部口径，形成高增益、窄波束的中心和差单脉冲波束；也可以激励中心更多单元，此时照射反射面部分口径，形成中等增益、宽波束的中心和差单脉冲波束。从而可同时产生多组不同增益、波束宽度的中心单脉冲和差波束。随着激励中心单元数量的增加，照射反射面的口径就减小，波束展宽。
27.激励不同位置的单元组合，形成空间指向角不同的偏焦波束；利用单元级数字化同时多波束的特点，可以同时形成多个空间指向角不同的偏焦波束，在照射反射面之后，可形成多个空间指向角不同的高增益波束相互叠加，从而实现对宽空域的覆盖。可以根据系统需要，可以灵活选择激励单元，同时形成数量不同、交叠不同的偏焦波束。
28.对于每个偏焦波束，可以通过相位加权，实现偏焦增益损失的最小化。
29.本发明的工作和设计原理是：
30.反射面采用卡塞格伦天线形式，由抛物主反射面和双曲副反射面组成，双曲副反射面的焦点与抛物主反射面的焦点重合，馈源位于镜像双曲副反射面的焦点上，从馈源照射到副反射面的电磁波反射到主反射面后形成平面波聚焦，形成高增益窄波束的方向图。
31.在形成中心波束时，考虑到单个单元的波束宽度太宽，照射副反射面会有较多能量漏失导致效率低，所以选择了多个单元同时激励，在照射副反射面时锥削达到
‑
8～
‑
14db左右，满足总效率最佳，此时增益最高、波束最窄。在本发明中，中心和波束选择同时激励中心7 个单元，中心方位差波束选择激励中心6个左右对称的单元，中心俯仰差波束选择激励中心6个上下对称的单元。当激励更多单元时，如中心和波束同时激励19个单元，则反射面有效利用的面积减小，此时中心和差波束的波束宽度可以展宽，可以满足跟踪大动态、近距离目标的需求。
32.在形成偏焦波束时，利用的是馈源偏焦扫描原理，即当馈源的相位中心横向移动时，可使反射面的波束发生偏转，横向移动在一定范围内时方向图不会有太大的变化。设d是馈源偏焦距离，是馈源和反射面顶点的连线与轴线的夹角称为偏移角,θ是波束偏转的角度，f 是抛物面焦距，
33.它们的关系有
34.在平面情况下，入射角等于反射角，波束偏移因子等于1.而曲面则稍有些不同。bdf的变化范围是处于短焦距反射面的小于1的值与长焦距反射面大于1的值之间。当f/d趋
于无限大时，bdf趋近于 1.馈源位置横向移动带来口径相位差，使得在轴线一侧的旁瓣增大，另一侧旁瓣减小，且增益降低。随着偏焦增加，波束增益损失增加。本发明在形成偏焦波束时，首先考虑到照射效率，所以每一个偏焦波束也是同时激励7个单元形成的。通过激励不同位置的7个单元，其等效相位中心相对于几何中心发生不同的位移，照射反射面时形成不同空间指向角的偏焦波束。利用单元级数字化同时多波束的特点，可以同时形成多个空间指向角不同的偏焦波束，在照射反射面之后，可形成多个空间指向角不同的高增益波束相互叠加，从而实现对宽空域的覆盖。可以根据系统需要，可以灵活选择激励单元，同时形成数量不同、交叠不同的偏焦波束。现有偏焦多波束天线是固定单个偏焦馈源产生固定偏焦波束，随着偏焦增加，波束增益损失增加，本发明中是同时激励7个单元形成一个偏焦波束，可以通过改变7个单元的幅相激励使馈源波束指向抛物主反射面焦点，从而减小大偏焦量时的增益损失。利用单元级数字化同时多波束的特点，可以根据系统需要，可以灵活选择激励单元，同时形成数量不同、交叠不同的偏焦波束。
35.本发明具有以下优点：
36.现有测控多波束自跟踪抛物面天线，为满足自跟踪及偏馈多波束引导跟踪需求，采用的是固定中心馈源及固定偏焦馈源，固定中心馈源照射反射面后产生固定增益和宽度的中心和差波束，无法满足测控站跟踪不同距离目标时对不同波束宽度的需求；固定偏焦馈源照射反射面后产生对应固定数量、固定交叠关系的偏焦波束，无法满足引导精度更高时的需求，并且最外偏焦波束增益损失相对较大，也影响了作用距离。采用本发明，通过激励不同数量的中心单元，可灵活形成多组不同增益、波束宽度的中心单脉冲和差波束，通过激励不同位置的偏焦单元，可灵活形成数量不同、交叠不同的偏焦波束。
37.此时相控阵馈源的中心和差波束照射反射面全部口径，形成高增益、窄波束的中心和差单脉冲波束；也可以激励中心更多单元，此时照射反射面部分口径，形成中等增益、宽波束的中心和差单脉冲波束。从而可同时产生多组不同增益、波束宽度的单脉冲和差波束。随着激励中心单元数量的增加，照射反射面的口径就减小，波束展宽。
38.激励不同位置的单元组合，形成空间指向角不同的偏焦波束；利用单元级数字化同时多波束的特点，可以同时形成多个空间指向角不同的偏焦波束，在照射反射面之后，可形成多个空间指向角不同的高增益波束相互叠加，从而实现对宽空域的覆盖。可以根据系统可根据引导捕获跟踪需要，可以灵活选择激励单元，同时形成数量不同、交叠不同的偏焦波束。对于每个偏焦波束，可以通过相位加权，实现偏焦增益损失的最小化。
附图说明
39.图1为一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线单元结构示意图；
40.图2为一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线中心和波束激励单元分布图；
41.图3为一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线方位差波束激励单元分布图；
42.图4为一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线俯仰差波束激励单元分布图；
43.图5为一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线实施例3偏焦波束第一圈激励单元第一分布图；
44.图6为一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线实施例3偏焦波束第一圈激励单元第二分布图；
45.图7为一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线实施例3偏焦波束第一圈激励单元第三分布图；
46.图8为一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线实施例3偏焦波束第一圈激励单元第四分布图；
47.图9为一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线实施例3偏焦波束第一圈激励单元第五分布图；
48.图10为一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线实施例3偏焦波束第一圈激励单元第六分布图；
49.图11为一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线实施例3偏焦波束第二圈激励单元分布图；
50.图12为一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线实施例3偏焦波束第三圈激励单元分布图；
51.图13为一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线实施例3偏焦波束第四圈激励单元分布图；
52.图14为一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线实施例3偏焦波束第一圈激励单元与波束位置关系图；
53.图15为一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线实施例3偏焦波束第二圈激励单元与波束位置关系图；
54.图16为一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线实施例3偏焦波束第三圈激励单元与波束位置关系图；
55.图17为一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线实施例3偏焦波束第四圈激励单元与波束位置关系图；
56.图18为一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线同时5波束交叠示意示意图。
具体实施方式
57.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
58.实施例1
59.一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线，包括焦点重合的双曲副反射面、抛物主反射面和设置在焦点上的馈源；
60.馈源为相控阵多波束馈源；
61.馈源用于同时形成偏馈多波束、和差波束并照射双曲副反射面后反射到抛物主反射面形成偏馈多波束信号、中心和差波束信号；
62.偏馈多波束信号用于引导捕获跟踪，中心和差波束信号用于单脉冲自跟踪。
63.实施例2
64.一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线，包括焦点重合的双曲副反射面、抛物主反射面和设置在焦点上的馈源；
65.馈源为相控阵多波束馈源；
66.馈源用于同时形成偏馈多波束、和差波束并照射双曲副反射面后反射到抛物主反
射面形成偏馈多波束信号、中心和差波束信号；
67.偏馈多波束信号用于引导捕获跟踪，中心和差波束信号用于单脉冲自跟踪；
68.馈源包括若干个数字相控单元和与每个数字相控单元均电连接的阵列信号处理分系统，数字相控单元用于接收射频信号后进行放大、下变频、采样并输出数字信号至阵列信号处理分系统，阵列信号处理分系统用于接收数字信号并同时形成偏馈多波束、中心和差波束输出；
69.数字相控单元包括依次电连接的天线单元、耦合器、r组件、变频组件、分发网络和数字采样终端；阵列信号处理分系统包括阵列信号处理机；
70.如图1所示，天线单元为背腔式平面蝶形天线，背腔式平面蝶形天线为六边形背腔，六边形背腔按三角形栅格排布；
71.馈源包括109个数字相控单元，每7个数字相控单元照射双曲副反射面后反射到抛物主反射面形成一个高增益波束；
72.偏馈多波束为同时形成的多个空间指向角不同的偏焦波束相互叠加而成，偏馈多波束通过对每个空间指向角不同的偏焦波束进行相位加权实现偏焦增益损失的最小化；
73.空间指向角不同的偏焦波束由同时激励18个或60个高增益偏焦波束形成，高增益偏焦波束由7个数字相控单元照射双曲副反射面后反射到抛物主反射面形成，7个数字相控单元的排列方式为中心1个外圈6个，中心1个数字相控单元为偏焦数字相控单元；
74.18个高增益偏焦波束的排布为：由内向外依次排列的第一圈6 个和第二圈12个，第一圈的6个高增益偏焦波束共用一个数字相控单元，第一圈的6个高增益偏焦波束的相位中心紧密排列在共用的数字相控单元外圈；
75.60个高增益偏焦波束的排布为：由内向外依次排列第一圈6个、第二圈12个、第三圈18个和第四圈24个；
76.中心和差波束信号为馈源同时激励位于中心的至少7个数字相控单元单元形成；
77.中心和差波束信号包括中心和波束信号、方位差波束信号和俯仰差信号；
78.如图2所示，中心和波束信号为馈源同时激励位于中心的7个数字相控单元单元形成，7个数字相控单元的排布为：馈源的相位中心和位于相位中心外圈的6个数字相控单元；
79.如图3所示，方位差波束信号为馈源同时激励位于中心的6个数字相控单元形成，6个数字相控单元单元排布为馈源的相位中心左右对称各3个数字相控单元；
80.如图4所示，俯仰差信号为馈源同时激励位于中心的6个数字相控单元形成，6个数字相控单元单元排布为馈源的相位中心以上的3 个数字相控单元和馈源的相位中心以下的3个数字相控单元，6个数字相控单元单元俯仰对称。
81.实施例3
82.如图1所示，一种新型多波束成像自跟踪抛物面天线，采用109 个宽带左右旋圆极化加载引向结构的背腔式平面蝶形天线单元组成馈源3，馈源3为相控阵馈源，数字相控单元的天线单元为六边形背腔结构易于组阵，六边形背腔边长46.2mm，天线单元高度66.7mm。109个天线单元组阵后的阵面尺寸为880mm。
83.抛物主反射面2的口径12米，焦径比0.35，焦距4.2米；双曲副反射面1的直径1.8米，离心率2.34，双曲面长轴为747.7mm，焦距为1749.8mm。
84.中心激励7个单元的合成波束，照射副反射面的照射锥角为32
°
；
85.在工作时同时产生1组高增益主波束和18个或60个高增益偏焦波束，可以根据系统需求，选择产生18个或60个高增益偏焦波束。图2
‑
4为中心和、差波束所需激励单元分布图，图5
‑
13为60个偏焦波束中其中4个，第1至第4圈每圈示意了一个波束及其对应的7个激励单元，图5
‑
10为第1圈的波束，如图6
‑
11所示，第1圈其余5 个波束通过对图5中7个单元绕几何中心顺时旋转60
°
后激励形成，第2圈其余11个波束通过对图11中7个单元绕几何中心顺时旋转 30
°
后激励形成，如图12
‑
13所示，第3圈及第4圈与前两圈类似，旋转角度分别为20
°
和15
°
，图14
‑
17为激励不同位置单元与对应波束关系示意图，图18为中心波束与方位轴一侧1至4圈的4个偏焦波束交叠示意图。
86.以上实例所述的天线可实现法向中心和波束增益47.14db，波束宽度0.72
°
；最外圈波束指向角1.66
°
，增益46.61db，增益仅下降0.53db，优于常规多波束天线最外圈增益下降3db的指标。波束交叠处增益为45.94db，约为0.7db交叠，优于常规多波束天线3db～8b 交叠的指标。整个覆盖空域为3.7
°
，覆盖空域边缘处位置1.85
°
时的增益为45.89db，比法向增益仅降低1.28b。中心方位差波束及俯仰差波束增益优于41.4db，差波束分离角为
±
0.5
°
左右。
87.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。