阅读说明：本技术 一种设计遥感扫描天线的新方法 (New method for designing remote sensing scanning antenna ) 是由 刘小明 俞硕 甘露 于 2019-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明公布了一种基于准光技术的用于设计遥感扫描天线的新方法。扫描天线是毫米波及太赫兹波段遥感系统中的重要探测器件。扫描天线主要由一个改进的主反射面以及馈源阵列组成。目前,反射式扫描天线的设计方法主要有物理光学法、几何光学法。物理光学法的缺点在于计算效率太低；而几何光学法的缺点在于计算精度不高。本发明提出的基于准光技术的设计方法可以兼顾效率和精度的要求,大大提高系统的设计效率。该方法要求反射面为二次曲面,馈源为高斯馈源,主要针对但不限于毫米波与太赫兹频段辐射计系统应用。(The invention discloses a novel method for designing a remote sensing scanning antenna based on a quasi-optical technology. The scanning antenna is an important detecting device in millimeter wave and terahertz wave band remote sensing systems. The scanning antenna mainly comprises an improved main reflecting surface and a feed source array. At present, the design methods of the reflective scanning antenna mainly include a physical optical method and a geometric optical method. The disadvantage of physical optics is that the computational efficiency is too low; the geometrical optics method has the disadvantage of low calculation accuracy. The design method based on the quasi-optical technology can meet the requirements of efficiency and precision, and greatly improves the design efficiency of the system. The method requires that the reflecting surface is a quadric surface and the feed source is a Gaussian feed source, and is mainly applied to but not limited to millimeter wave and terahertz frequency band radiometer systems.)

一种设计遥感扫描天线的新方法

技术领域

本发明涉及毫米波与太赫兹波段用于遥感、探测成像领域的天线系统设计技术，特别是涉及一种基于准光技术的用于设计遥感扫描天线的新方法。

背景技术

目前，毫米波与太赫兹系统广泛地应用于大气遥感、成像探测、海事卫星以及射电天文领域。在各领域中，毫米波与太赫兹的探测扫描系统需要在短时间内对目标区域进行扫描成像，以获得目标区域的电磁特性及其他目标特性。而扫描速度的快慢、成像质量的高低主要由扫描天线系统决定。因此扫描天线的设计就显得十分关键。

在毫米波与太赫兹波段，常用的扫描机制有圆锥式扫描、左右摆扫描、合成孔径雷达以及扫帚式扫描。圆锥式扫描与左右摆扫描都需要天线系统整体转动，会增加转动惯量从而加大机械难度；合成孔径雷达的算法复杂，容易形成虚像；而扫帚式扫描是通过一维阵列成像，在卫星移动的同时形成二维图像。

但是，扫帚天线的一维阵列中馈源比较多，难以都放在焦点处，因此要求反射面能够对每个馈源形成局部焦点，并且保证每个馈源所形成的波束的远场误差在指标范围之内。且，馈源阵列过多容易造成设计过程及计算时间过长。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种减轻设计难度和计算时间的、用于设计扫描天线的新方法。这种方法的优点在于能够直接通过公式计算达到设计结果，大大简化了设计流程和计算过程，在设计和计算方法上与传统的物理光学和几何光学法相比有较大的区别。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明公开了一种基于准光技术的用于设计扫描天线的新方法，其特征在于，扫描天线系统由两个器件组成，一个是主反射面，一个馈源阵列系统。算法主要包括以下步骤。

Ａ、根据系统要求，确定工作频率、成像分辨率、成像距离（卫星距离地面距离）。

Ｂ、根据成像分辨率和成像距离计算出射波束宽度。

C、根据系统要求，确定反射面天线的大致焦距的大小，系统的偏置角。并根据准光理论计算出反射面的等效焦距。

Ｄ、根据出射波束宽度计算入射波束宽度。

Ｅ、根据入射波束宽度，基于高斯波束理论设计馈源。

Ｆ、根据馈源数量确定反射面大小，并利用准光学公式（高斯波束变换公式）验证设计的有效性（物理尺寸和电磁性能有效性）。

Ｇ、如需要进一步提高精度，可以返回步骤C进行迭代处理。

H、根据最终结果确定反射面的形面。

所述反射面为抛物线、可为抛物线、椭圆、圆或者双曲线的一部分围绕旋转轴旋转一圈后得到的特殊二次曲面。

所述喇叭天线可以是波纹喇叭天线，也可以是光滑内壁圆口径天线，也可以是其他的喇叭馈源形式，但必须是能产生高斯波束的馈源形式。

所述迭代方法可以是任意自定义的误差函数。

由上述的技术方案可见，本发明的主要技术手段就是利用准光学方法（特别是基于高斯波束方法）设计扫描天线。传统的扫描天线都是采用物理光学法或几何光学法进行设计，主要缺点在于物理光学法计算效率低而几何光学法的计算精度不高。本发明中，将准光设计技术引入到扫描天线测量，利用高斯波束对扫描天线的入射、出射以及输入输出转换进行描述，达到直接从指标参数得到系统参数的效果，大大提高了设计效率。

附图说明

图1利用高斯波束设计扫描天线流程图。

图2利用高斯波束设计扫描天线示意图。

图3扫描天线出射波束参数关系图。

图4扫描天线示意图。

图5扫描天线出射波束结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明，具体流程图如图1所示。

该系统由两部分组成，如图2所示，馈源阵列天线和主反射面。其中，馈源阵列天线的每个单元在最佳方案中应当采用完全相同的喇叭天线；主反射面应当是符合二次方程的曲面（在本例中以抛物线为例）。这样设计的目的是为了实现性能上的对称性，同时减小加工的复杂性。

步骤一：确定工作频率f、成像分辨率d _g、成像距离h。另外，需要确定天线系统的出射波束与铅垂线的夹角α。具体的参数示意图如图3所示。以气象卫星为例，极地轨道的高度h为836km，天线系统的出射波束与铅垂线的夹角α为43°。其中，一个工作频率为150GHz。成像分辨率要求15km-50km。

步骤二：根据下式计算出射波束宽度β

(1)

其中，d _g为成像分辨率，h为成像距离。

步骤三：根据系统要求，确定反射面天线的大致焦距F的大小，系统的偏置角θ _f，并利用计算反射面的等效焦距ρ。具体的参数示意图如图4所示。

步骤四：根据出射波束宽度计算入射波束宽度。出射波束的宽度为β，则输入波束的束腰半径w _0in可以表示为w _0in=ρθ _0out=ρβ，而入射波束宽度。具体参数示意见图2-图4。

步骤五：根据入射波束宽度，基于高斯波束理论设计馈源。根据高斯波束理论w ₀=ka，对于波纹喇叭，k=0.644,而a表示馈源的内壁半径。

步骤六：根据馈源数量确定反射面大小，并利用准光学公式（高斯波束变换公式）验证设计的有效性（物理尺寸有效性和电磁性能有效性）。假设馈源数为N，馈源壁的厚度为t，则要求馈源放置维度的直径D1=2×(N×a+t)，另外一个维度为D2。一般情况下，要求D2>D1另外，根据高斯波束传播公式，主反射面处的波束半径为

(2)

必须满足D ₂>2.5w _ρ，才能满足高斯波束边界馈源的-10dB至-14dB锥削度的要求。

步骤七：如果设计未满足该要求，可以返回步骤三调整参数，直至步骤六中的条件达到要求。

步骤八：根据最终结果确定反射面形面。如图4所示，在坐标系下用极坐标形式表示，可得；用直角坐标形式表示可得，。因此，两种坐标系的关系

（3）

其中，θ _s为反射面张角。在xoz坐标系和坐标系下，坐标关系

（4）

因此，抛物线上任意一点为

（5）

把该抛物线沿轴旋转，有

（6）

该表达式就定义了整个反射面的每一个点。

为进一步说明算法的有效性，我们通过一个实例来说明算法和系统的有效性。本实例的参数如表１所示：

表１　实例参数表

以上实例设计过程利用计算机实现在1分钟之内实现，远远小于物理光学的时间。另外，出射波束的三维图如图5所示。从结果中可以看到，最边缘处的归一化增益（相对于中心波束）为-0.264dB，满足一般情形下波束增益变化小于0.5dB的要求。

该实例验证了本算法的有效性和高效性。