專利名稱：修正型卡塞格倫式天線的副面調(diào)整方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，涉及天線的調(diào)整，特別是一種對修正型卡塞格倫式 天線的副面調(diào)整方法，用于指導(dǎo)卡式雙反射面天線的副面調(diào)整，以減小主面變形對天線 電性能的影響。
背景技術(shù)：
修正型卡塞格倫式天線以其照射效率高和邊緣漏射低等優(yōu)點，近年來被廣泛應(yīng) 用于雷達跟蹤、衛(wèi)星通信、深空探測等多個領(lǐng)域。此類雙反射面天線的主面和副面都是 修正曲面，這樣做的目的是使主反射面口徑場的振幅和相位均勻分布，以提高天線的電 效率。雙反射面天線的主面精度嚴(yán)重影響著天線的電性能指標(biāo)。天線結(jié)構(gòu)會受到自重、 風(fēng)荷、雨雪等多種載荷的作用，使得主反射面發(fā)生變形，表面精度降低，從而導(dǎo)致天線 的電性能變差，而且隨著天線工作仰角的改變，這種影響也會隨之變化。德國學(xué)者S.von Hoemer給出了保型設(shè)計的思想，可以在一定程度上減小天線主 面變形，但還不能完全消除。雖然天線主面上的分塊面板可以作微量的調(diào)整，亦可改善 背架結(jié)構(gòu)變形所帶來的偏差，但程度有限。通過移動副面，改變主副面之間的相對位置 關(guān)系，從而可消去一部分主面變形在口面形成的相位偏差。例如，美國100米GBT射電 望遠(yuǎn)鏡天線采用了可調(diào)的副面，以補償主面變形對電性能的影響。目前，在國內(nèi)外最常用的雙反射面天線的副面調(diào)整方法有如下幾種(1)選用試驗天線在不同仰角工況下測試天線電性能，推算出副面的軸向偏差， 對測試數(shù)據(jù)進行曲線擬合得到副面軸向偏差隨仰角變化的近似關(guān)系。利用有限元軟件計 算不同仰角副面的徑向偏差。在某工作仰角按計算所得的軸向偏差和徑向偏差調(diào)整副面 位置。 如在 C.N.Guiar, L.W.Duff.64m Antenna Automatic Subreflector Focusing Controller. NASA JPL, TDA Progress Report 42-78，Aprill984 中就是采用的此種調(diào)整方法。(2)根據(jù)賦形天線的設(shè)計原理，應(yīng)用光線追蹤法，將副面沿軸向調(diào)整某一量值使 得主面口徑面滿足等光程條件，從而采用最小二乘法計算得出副面的軸向調(diào)整量。這種 方法在《西北電訊工程學(xué)院學(xué)報》1981年第1期“修正曲面天線的保型設(shè)計”(葉尚輝 著)文獻中有所報導(dǎo)。(3)應(yīng)用激光跟蹤儀等測試設(shè)備檢測天線主面的變形，對變形主面進行標(biāo)準(zhǔn)拋物 面吻合，得到最佳吻合面的焦點，根據(jù)主面和副面的匹配關(guān)系，確定副面的位置。此種 方法對于天線主反射面為標(biāo)準(zhǔn)拋物面的情況比較合適，而對于修正型主面則誤差較大。 如 B.Nikolic， R.M.Prestage.Out—of-focus holography at theGreen Bank Telescope.A&A, 465 685-693，2007中采用的就是這種調(diào)整方法。對于修正型卡塞格倫天線的副面調(diào)整，現(xiàn)有的方法只是沿軸向方向或徑向方向 進行近似調(diào)整，實際上天線在不同仰角處副面不僅有徑向和軸向的平移，還有繞坐標(biāo)軸 的旋轉(zhuǎn)，此類副面旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的口面相位誤差會嚴(yán)重影響天線的電性能。隨著天線口徑的 增大和工作頻率的提高，各種載荷導(dǎo)致天線主面與副面匹配不佳成為影響天線電性能的最重要因素之一，副面位置的調(diào)整問題也會更加突出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是避免上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種修正型卡塞格倫天線的副 面調(diào)整方法，以在同時考慮副面平移與旋轉(zhuǎn)的情況下，實現(xiàn)天線副面的精確定位，從而 通過副面位置補償減小主面變形對天線電性能的影響。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是，以天線主面理論母線離散點數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選擇 一組標(biāo)準(zhǔn)拋物環(huán)面去逼近變形節(jié)點，在保證同焦軸約束的情況下通過優(yōu)化數(shù)學(xué)模型計算 分段最佳吻合參數(shù)，計算焦線兩端點的偏移量，從而對副面的位置調(diào)整進行量化指導(dǎo)， 具體步驟如下(1)將修正型卡塞格倫式天線主面理論母線的M個離散點數(shù)據(jù)劃分為N段，保 證前N-I段的離散點數(shù)相同，且前N-I段上每段離散點數(shù)為[M-M% (N-I) ]/N，第N段 離散點數(shù)為[M_M% (N-I) ]/N+M% (N-I),其中總離散點數(shù)M遠(yuǎn)大于段數(shù)N ；(2)對劃分的N段離散點數(shù)據(jù)逐段進行拋物線擬合，得N段離散點數(shù)據(jù)的擬合拋 物線；(3)根據(jù)擬合拋物線的焦距&和頂點坐標(biāo)Δ Ηη，計算其焦點所在區(qū)域范圍，即初 始焦線長度Δ F0 = max (fn- Δ Hn) -min (fn- Δ Hn) (η = 1, 2，...，N);(4)建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型尋求分段吻合參數(shù)H (4a)先將N段擬合拋物線繞其公共焦軸旋轉(zhuǎn)一周，得到一組拋物環(huán)面，對拋物 環(huán)面用主面節(jié)點進行投影，剔除不含投影點的拋物環(huán)面，再將選中的拋物環(huán)面組整體繞χ 軸和y軸分別旋轉(zhuǎn)代和％角度，計算因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的節(jié)點ζ向偏差ΔZl 式中，\，》是第j個拋物環(huán)面上第i個投影點的χ坐標(biāo)和y坐標(biāo)；(4b)將拋物環(huán)面組沿三個坐標(biāo)軸的平移量Δ χ、Ay和ΔΖ，作為整體平移產(chǎn)生 的節(jié)點坐標(biāo)偏差；(4c)計算拋物環(huán)面組公共軸線的方向矢量
m η p\ = [cos φχ sin φγ sin φχ cos ψχ cos φγ ]；(4d)根據(jù)公共軸線的方向矢量，計算拋物環(huán)面沿焦軸平移所產(chǎn)生的節(jié)點坐標(biāo)偏 差[Δχ^ Ayti Aztj 二 ^mtj Htj pt』]；(4e)根據(jù)拋物環(huán)面組整體旋轉(zhuǎn)、整體平移以及沿焦軸平移產(chǎn)生的節(jié)點坐標(biāo)偏 差，計算主面變形節(jié)點相對于最佳吻合面的ζ向偏差的均方根值rms
權(quán)利要求
1. 一種修正型卡塞格倫式天線的副面調(diào)整方法，包括如下步驟(1)將修正型卡塞格倫式天線主面理論母線的M個離散點數(shù)據(jù)劃分為N段，保證前 N-I段的離散點數(shù)相同，且前N-I段上每段離散點數(shù)為[M_M% (N-I) ]/N,第N段離散 點數(shù)為[M_M% (N-I) ]/N+M% (N-I)，其中總離散點數(shù)M遠(yuǎn)大于段數(shù)N ；(2)對劃分的N段離散點數(shù)據(jù)逐段進行拋物線擬合，得N段離散點數(shù)據(jù)的擬合拋物線；(3)根據(jù)擬合拋物線的焦距^和頂點坐標(biāo)ΔΗη，計算其焦點所在區(qū)域范圍，即初始焦 線長度Δ F0 = max (fn- Δ Hn) -min (fn- Δ Hn) (η = 1, 2，...，N);(4)建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型尋求分段吻合參數(shù)H:(4a)先將N段擬合拋物線繞其公共焦軸旋轉(zhuǎn)一周，得到一組拋物環(huán)面， 對拋物環(huán)面用主面節(jié)點進行投影，剔除不含投影點的拋物環(huán)面，再將選中的拋物環(huán) 面組整體繞χ軸和y軸分別旋轉(zhuǎn)A和％角度，計算因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的節(jié)點ζ向偏差Δ Zl 式中， ，％是第j個拋物環(huán)面上第i個投影點的χ坐標(biāo)和y坐標(biāo)； (4b)將拋物環(huán)面組沿三個坐標(biāo)軸的平移量Δχ、Ay和ΔΖ，作為整體平移產(chǎn)生的節(jié) 點坐標(biāo)偏差；(4c)計算拋物環(huán)面組公共軸線的方向矢量[m η / ] = [cos^;i.sin</ >, siny^ cos φχ cos cpy ]；(4d)根據(jù)公共軸線的方向矢量，計算拋物環(huán)面沿焦軸平移所產(chǎn)生的節(jié)點坐標(biāo)偏差^xtj ^ytj Δζ^ = \mtj Titj Ptj]；(4e)根據(jù)拋物環(huán)面組整體旋轉(zhuǎn)、整體平移以及沿焦軸平移產(chǎn)生的節(jié)點坐標(biāo)偏差，計 算主面變形節(jié)點相對于最佳吻合面的ζ向偏差的均方根值rms fcf - 二2二廣-義一帥鞏-…吟^rms=\ ------------Nod式中，Z' #是第j個拋物環(huán)面上第i個投影點對應(yīng)主面變形節(jié)點的Z坐標(biāo)；代，％是天線拋物環(huán)面組繞X軸和y軸的旋轉(zhuǎn)角度，Ij是天線第j個拋物環(huán)面沿焦軸的平移量，K是選中的天線拋物環(huán)面?zhèn)€數(shù)，Dj是第j個天線拋物環(huán)面上的節(jié)點數(shù)，Nod是天線主面節(jié)點總數(shù)；(4f)在保證各標(biāo)準(zhǔn)拋物環(huán)面共焦軸，且焦線長度不大于初始焦線長度的前提 下，按照均方根值rms最小的準(zhǔn)則，建立如下優(yōu)化數(shù)學(xué)模型尋求分段吻合參數(shù)H
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線副面調(diào)整方法，其中步驟(2)所述的對劃分的N段離散 點數(shù)據(jù)逐段進行拋物線擬合，按如下步驟進行 (2a)設(shè)第η段擬合拋物線的方程為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線的副面調(diào)整方法，其中步驟(5)所述的計算副面調(diào)整后各焦點的實際坐標(biāo) ，ΥΓ，ΖΓ)，通過如下公式計算
全文摘要
本發(fā)明公開了一種修正型卡塞格倫式天線的副面調(diào)整方法，主要解決現(xiàn)有的方法只是沿軸向方向或徑向方向進行近似調(diào)整的問題，其步驟是對修正卡式天線主面母線離散點進行分段拋物線擬合，得到一組分段標(biāo)準(zhǔn)拋物線；將擬合拋物線繞公共軸線旋轉(zhuǎn)一周得到一組拋物環(huán)面；以主面節(jié)點相對于拋物環(huán)面z向偏差的均方根值最小為目標(biāo)，同時保證各拋物環(huán)面滿足共焦軸且焦線長度不大于初始焦線長度，建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型計算分段吻合參數(shù)；根據(jù)吻合參數(shù)中的焦距變化量和頂點坐標(biāo)計算焦線兩端點的調(diào)整量，指導(dǎo)天線副面的調(diào)整。本發(fā)明具有在多工況下準(zhǔn)確定位副面和提高天線電性能的優(yōu)點，可用于修正卡式天線的副面調(diào)整以提高天線的電性能。
文檔編號H01Q19/19GK102013576SQ20101028986
公開日2011年4月13日 申請日期2010年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月20日
發(fā)明者冷國俊, 宋立偉, 李小平, 李鵬, 段寶巖, 王從思, 王偉, 黃進 申請人:西安電子科技大學(xué)