一种可调介质板及其设计方法、反射面天线
阅读说明：本技术 一种可调介质板及其设计方法、反射面天线 (Adjustable dielectric plate, design method thereof and reflector antenna ) 是由 张洁 王照宇 徐天存 潘焕知 赵鹏兵 乔永刚 于 2021-05-11 设计创作，主要内容包括：本发明属于天线技术领域,公开了一种可调介质板及其设计方法、反射面天线,计算口径面各点需要产生的相位调整量,确定介质板的厚度和位置；计算介质板各点处入射角,确定介质板轮廓形状。本发明对现有补偿方法的不足,提出一种基于可调介质板的指向误差补偿方法。针对双反射面天线,在馈源与副反射面之间设计了一层介质板,通过对介质板位姿的调整,改变天线口径场的相位分布,进而产生波束偏转,达到对风扰所致高频指向误差有效补偿的目的。本发明中可调介质板尺寸小,质量轻,便于控制,能够对风扰产生的高频指向误差进行快速的响应,实现天线在环境载荷作用下天线的高指向精度。(The invention belongs to the technical field of antennas, and discloses an adjustable dielectric plate, a design method thereof and a reflector antenna, wherein phase adjustment quantity required to be generated at each point of an aperture surface is calculated, and the thickness and the position of the dielectric plate are determined; and calculating the incident angle of each point of the dielectric plate and determining the contour shape of the dielectric plate. The invention provides a pointing error compensation method based on an adjustable dielectric slab, aiming at the defects of the existing compensation method. Aiming at the double-reflector antenna, a layer of dielectric plate is designed between a feed source and an auxiliary reflector, and the phase distribution of an antenna aperture field is changed by adjusting the pose of the dielectric plate, so that beam deflection is generated, and the aim of effectively compensating high-frequency pointing errors caused by wind disturbance is fulfilled. The adjustable dielectric plate has small size, light weight and convenient control, can quickly respond to high-frequency pointing errors generated by wind disturbance, and realizes high pointing accuracy of the antenna under the action of environmental load.)
技术领域
本发明属于天线
技术领域
，尤其涉及一种可调介质板及其设计方法、反射面天线。背景技术
目前，反射面天线是一种发射和接收电磁波的装置，随着天线口径的增大，天线结构刚度降低，过大的迎风面积致使结构和环境因素对指向精度的影响愈发显著，从而导致天线性能显著下降。因此，针对风扰所致指向误差的补偿已成为大型反射面天线性能保障的亟待突破的关键问题之一。目前的补偿方法主要通过伺服系统控制天线转动进行指向补偿，在补偿过程中，精度低，响应慢，在补偿风扰引起的高频指向误差时效果有限。所以，亟需提出一种高精度，快响应的补偿方法。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的补偿方法主要利用伺服系统控制天线转动进行指向补偿，由于风扰随机性及时变性的特点，对于其所产生指向误差的补偿，需要伺服系统产生快速而准确的补偿角；但由于天线结构惯量较大，伺服系统带宽较低，伺服系统对风扰产生的高频指向误差的补偿效果十分有限。
解决以上问题及缺陷的难度为：为解决上诉问题，前人在优化伺服控制算法方面做了大量的工作，并都在一定程度上降低了指向误差，但是效果有限。
1)基于鲁棒控制的指向误差补偿方法。将干扰观测器设计理论和模糊控制原理同传统的PID控制器相结合，提出一系列的改进算法来提升系统的动态性能。但是这些改进算法都建立在鲁棒性较强的PID控制算法上，对于系统动态性能及指向精度的提高有限；
2)基于最优控制的抗风扰指向控制方法。最优控制算法的特点是在保证系统鲁棒性的同时，提高系统的动态性能。目前，针对大型天线指向控制的最优控制算法主要包括LQG控制和H无穷控制。研究结果表明：LQG控制、H无穷控制与传统PID控制策略相比，不管是系统的动态性能指标还是抗风扰能力，都体现出优良的表现，且在个别天线系统中LQG已被应用于工程。但是LQG算法的有效性是建立在对模型的准确建立的基础上的，而工程中要获得实际天线伺服系统的准确模型比较困难，因此影响了LQG控制算法的有效实施。而H无穷控制器则受限于现有电机和减速器的性能，也难以发挥效果。
3)基于固定补偿的指向误差补偿方法。由于指向误差来源的复杂性和不确定性，查表法也成为大型天线指向误差补偿的一种手段。通过采集不同风速条件下，不同工况角度下的天线指向误差表格，用于补偿由于风扰动所引起的指向误差。但是，固定补偿技术的有效实施，需要采集大量的数据来建立不同风速、不同风向、天线不同工况下的指向误差表格，不但工作量大，难以完备且适应性差、性能提升有限。
解决以上问题及缺陷的意义为：大型反射面天线具有增益高、波束窄的特点，被广泛用于射电天文、卫星通讯、深空探测等领域。为了提高天线的增益和分辨率，一方面要求增大其口径，导致波束变窄，因此对天线的指向精度要求愈来愈高；另一方面要求提升其工作频段，导致结构和环境因素对电性能的影响愈发显著；同时随着天线口径的增大，天线结构刚度降低，过大的迎风面积致使风扰的影响也更加突出，二者综合作用往往引起天线的柔性振荡，从而导致其性能显著下降。为了保证天线高指向精度要求和天线在受到环境因素变化时工作的稳定性，有必要对环境载荷造成性能损失进行实时的动态补偿。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种可调介质板及其设计方法、反射面天线。
本发明是这样实现的，一种可调介质板设计方法，所述可调介质板设计方法，包括：
步骤一，计算口径面各点需要产生的相位调整量；
步骤一的作用为：将宏观需要产生的指向偏转，离散为各点相位需要产生的延迟量。
步骤二，确定介质板的厚度和位置；
步骤二的作用为：以减小介质板导致的增益损失和获取规律的电磁波传播路径为原则，确定介质板的厚度和位置。
步骤三，计算介质板各点处入射角；
步骤三的作用为：根据步骤一确定的相位调整量和步骤二确定的位置和厚度，求得介质板各点的入射角。根据各点入射角和入射电磁波的方向，即可求得介质板各点的曲率。
步骤四，确定介质板轮廓形状。
步骤四的作用为：在所有补偿角对应的轮廓曲线中，选取一个在旋转产生其余补偿值的过程中，产生的增益损失最低的一条轮廓曲线。
进一步，所述步骤一中，计算口径面各点需要产生的相位调整量，具体过程为：
当风扰产生偏差，调整等相位面相对于理想情况产生转角θa时；将口径场沿着X轴方向离散，根据波束偏转需求量对应口径场离散点的几何关系，得到距离中心位移x的离散点的相位调整量为：
其中λ为电磁波波长，φ0为电磁场在x＝0处的相位。
进一步，所述步骤二中，确定介质板的厚度和位置，具体过程为：
介质板的厚度采用一阶半波壁结构，可表示为：
其中εr为介质的相对介电常数，θi为发射电磁波在介质板上的入射角；
介质板需处在馈源产生电磁场的远场，故介质板距离馈源的距离需满足
其中D为馈源天线的特征长度。
进一步，所述步骤三中，计算介质板各点处入射角具体过程为：
根据电磁波在反射面天线上传播路径规则，将口径场的离散点位置与馈源电磁波的发射角相对应，联立电磁波路径、主面形状以及幅面形状的方程式可求得发射角θe与口径位置x的几何关系，满足：x＝f(θe)。
进一步，所述当对应路径的插入相位延迟IPD与相位调整量相等时，认为满足设计要求，所需介质板的插入相位延迟与波束偏角间的关系可描述为：
其中介质板的插入相位延迟(IPD)与介质板厚度及波束入射角的关系又可表示为：
综合上述，求得介质板不同位置θe处波束入射角的离散值θi，其中α为仿真得到的修正系数。
进一步，所述步骤四中，确定介质板轮廓形状具体过程为：
每一个波束偏转补偿值θa，都对应一组PAV，同时也对应一组IPD，在拟合算法一定的情况下，也将有唯一的轮廓曲线与之对应，也就是当θa值产生变化时，介质板产生不同的轮廓曲线形状。
进一步，所述选取不同θa所对应的不同轮廓曲线中的某一形状作为介质板确定形状，通过改变该轮廓曲线形状的相对位姿，而非改变介质板的实时形状，实现对连续波束偏转补偿值的动态补偿；
即：
其中L(θa)为选取θa对应轮廓曲线对指向进行补偿时增益的均方根损失；l(θa,αi)为选取θa对应轮廓曲线时，旋转角度为αi时的增益损失；θ(εr,dt)min和θ(εr,dt)max为介质板介电常数为εr，厚度为dt时的补偿范围。
进一步，所述介质板每旋转一个角度，均会产生一个特定的指向误差补偿角，根据外界载荷产生的指向误差，实时的查询介质板所需要的角位移；通过对介质板位姿的实时调整达到对风扰所致高频指向误差动态补偿。
本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述可调介质板设计方法，包括下列步骤：
步骤一，计算口径面各点需要产生的相位调整量；
步骤二，确定介质板的厚度和位置；
步骤三，计算介质板各点处入射角；
步骤四，确定介质板轮廓形状。
本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述的可调介质板设计方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
1)从大型反射面天线的结构出发，利用实时改变位姿的介质板来补偿风扰产生的指向误差。通过将介质板放置在馈源与副面之间，极大缩小了介质板的尺寸和质量，更加灵活和便于控制，在补偿的实时性上能够得以保证。
2)一定程度上改变了业内对于介质材料在天线电磁波传播路径上的插入和位姿形状的变化会降低天线的电性能，进而需要尽量避免的看法。即本发明可以通过对介质进行主动调控产生特定的指向偏转，对环境载荷产生的指向误差进行补偿。
介质板的设计方法受启发于天线罩的设计。在天线罩的设计中，需要将天线罩设计为特定的形状来避免由于其的介入产生的指向误差。并且在天线罩的实际应用中，天线罩加工时产生的形状误差和其在工况下因环境载荷产生的变形，都会引起天线的波束发生偏转，产生指向误差。本发明通过对介质板位姿的主动调控，根据需要产生特定的指向补偿角，将天线罩在设计和使用中的弊端，转化为补偿指向误差的一种方法。并通过将介质板放置在馈源与副反射面之间，化天线罩为“馈源罩”，来缩小其尺寸，便于调控。本发明对现有补偿方法的不足，提出一种基于可调介质板的指向误差补偿方法。针对双反射面天线，在馈源与副反射面之间设计了一层介质板，通过对介质板位姿的调整，改变天线口径场的相位分布，进而产生波束偏转，达到对风扰所致高频指向误差有效补偿的目的。本发明中可调介质板尺寸小，质量轻，便于控制，能够对风扰产生的高频指向误差进行快速的响应，实现天线在环境载荷作用下天线的高指向精度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的可调介质板设计方法流程图。
图2是本发明实施例提供的介质板产生指向偏转的原理示意图。
图3是本发明实施例提供的介质板调节机构的结构示意图；图3中：1、俯仰补偿旋转轴；2、方位补偿旋转轴；3、介质板。
图4是本发明实施例提供的介质板调整机构在反射面天线上的安装示意图。
图5是本发明实施例提供的初始状态下介质板带来的方向图变化示意图；(a)方向图整体；(b)主瓣的放大。
图6是本发明实施例提供的介质板不同位姿对应的指向偏转角示意图；(a)方向图整体；(b)主瓣的放大。
图7是本发明实施例提供的指向误差综合补偿机制示意图。
图8是本发明实施例提供的主伺服系统和可调介质板系统的伯德图。
图9是本发明实施例提供的指向误差补偿效果比较示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种可调介质板及其设计方法、反射面天线，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明提供的可调介质板设计方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的可调介质板设计方法仅仅是一个具体实施例而已。
如图1所示，本发明实施例提供的可调介质板设计方法，包括：
S101：计算口径面各点需要产生的相位调整量；
S102：确定介质板的厚度和位置；
S103：计算介质板各点处入射角；
S104：确定介质板轮廓形状。
本发明实施例提供的S101中，计算口径面各点需要产生的相位调整量，具体过程为：
当风扰产生偏差，调整等相位面相对于理想情况产生转角θa时；将口径场沿着X轴方向离散，根据波束偏转需求量对应口径场离散点的几何关系，得到距离中心位移x的离散点的相位调整量为：
其中λ为电磁波波长，φ0为电磁场在x＝0处的相位。
本发明实施例提供的S102中，确定介质板的厚度和位置，具体过程为：
介质板的厚度采用一阶半波壁结构，可表示为：
其中εr为介质的相对介电常数，θi为发射电磁波在介质板上的入射角；
介质板需处在馈源产生电磁场的远场，故介质板距离馈源的距离需满足
其中D为馈源天线的特征长度。
本发明实施例提供的S103中，计算介质板各点处入射角具体过程为：
根据电磁波在反射面天线上传播路径规则，将口径场的离散点位置与馈源电磁波的发射角相对应，联立电磁波路径、主面形状以及幅面形状的方程式可求得发射角θe与口径位置x的几何关系，满足：x＝f(θe)。
当对应路径的插入相位延迟IPD(insertion phase delay)与相位调整量相等时，认为可满足设计要求，所以，所需介质板的插入相位延迟与波束偏角间的关系可描述为：
其中介质板的插入相位延迟(IPD)与介质板厚度及波束入射角的关系又可表示为：
综合上述，求得介质板不同位置θe处波束入射角的离散值θi，其中α为仿真得到的修正系数。
本发明实施例提供的S104中，确定介质板轮廓形状具体过程为：
每一个波束偏转补偿值θa，都对应一组PAV，同时也对应一组IPD，在拟合算法一定的情况下，也将有唯一的轮廓曲线与之对应。也就是说当θa值产生变化时，介质板产生不同的轮廓曲线形状；
选取不同θa所对应的不同轮廓曲线中的某一形状作为介质板确定形状，通过改变该轮廓曲线形状的相对位姿，而非改变介质板的实时形状，来实现对连续波束偏转补偿值的动态补偿。
即：
st.θ(εr,dt)min＜θa＜θ(εr,dt)max
其中L(θa)为选取θa对应轮廓曲线对指向进行补偿时增益的均方根损失。l(θa,αi)为选取θa对应轮廓曲线时，旋转角度为αi时的增益损失。θ(εr,dt)min和θ(εr,dt)max为介质板介电常数为εr，厚度为dt时的补偿范围。
最后由于介质板每旋转一个角度，均会产生一个特定的指向误差补偿角，根据外界载荷产生的指向误差，实时的查询介质板所需要的角位移。通过对介质板位姿的实时调整达到对风扰所致高频指向误差动态补偿的目的。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作详细的描述。
实施例1
如图2所示，本发明实施例提供的介质板产生指向偏转的原理，可实时改变介质板姿态的可调介质板系统通过改变介质板的姿态来改变天线口经场的相位分布，用以补偿天线结构变形产生的指向误差。
本发明实施例提供的面向风扰所致高频指向误差的可调介质板设计过程为：计算口径面各点需要产生的相位调整量，确定介质板的厚度和位置；计算介质板各点处入射角，确定介质板轮廓形状。
具体过程为：
1、计算口径面各点需要产生的相位调整量(PAV:Phase adjusted value)。
当风扰产生偏差，需要调整等相位面相对于理想情况产生转角θa时；将口径场沿着X轴方向离散，根据波束偏转需求量对应口径场离散点的几何关系，得到距离中心位移x的离散点的相位调整量为：
其中λ为电磁波波长，φo为电磁场在x＝o处的相位。
2、确定介质板的厚度和位置。
为降低介质板引起的增益损失，介质板的厚度采用一阶半波壁结构，可表示为：
其中εr为介质的相对介电常数，θi为发射电磁波在介质板上的入射角；
介质板需处在馈源产生电磁场的远场，故介质板距离馈源的距离需满足
其中D为馈源天线的特征长度。
3、计算介质板各点处入射角
根据电磁波在反射面天线上传播路径规则，可将口径场的离散点位置与馈源电磁波的发射角相对应，联立电磁波路径、主面形状(抛物面)以及幅面形状(双曲面)的方程式可求得发射角θe与口径位置x的几何关系，满足：x＝f(θe)。
当对应路径的插入相位延迟IPD(insertion phase delay)与相位调整量相等时，认为可满足设计要求，所以，所需介质板的插入相位延迟与波束偏角间的关系可描述为：
其中介质板的插入相位延迟(IPD)与介质板厚度及波束入射角的关系又可表示为：
综合上述，求得介质板不同位置θe处波束入射角的离散值θi，其中α为仿真得到的修正系数。
4、确定介质板轮廓形状
原则上来说，每一个波束偏转补偿值θa，都对应一组PAV(也对应一组IPD)，在拟合算法一定的情况下，也将有唯一的轮廓曲线与之对应。也就是说当θa值产生变化时，需要介质板产生不同的轮廓曲线形状，这将给介质板的实时调整带来困难。为了适应指向误差的动态连续调整，避免实时改变介质板的轮廓曲线形状，本方法以调整效果相对最佳为优化目标，选取不同θa所对应的不同轮廓曲线中的某一形状作为介质板确定形状，通过改变该轮廓曲线形状的相对位姿，而非改变介质板的实时形状，来实现对连续波束偏转补偿值的动态补偿。
即：
st.θ(εr,dt)min＜θa＜θ(εr,dt)max
其中L(θa)为选取θa对应轮廓曲线对指向进行补偿时增益的均方根损失。l(θa,αi)为选取θa对应轮廓曲线时，旋转角度为αi时的增益损失。θ(εr,dt)min和θ(εr,dt)max为介质板介电常数为εr，厚度为dt时的补偿范围。
最后由于介质板每旋转一个角度，均会产生一个特定的指向误差补偿角，根据外界载荷产生的指向误差，实时的查询介质板所需要的角位移。通过对介质板位姿的实时调整达到对风扰所致高频指向误差动态补偿的目的。
实施例2
本发明所设计的介质板为主动可调机构。虽然斯图瓦特平台在平面机构中实现六自由度运动的技术已比较成熟，但是本发明介质板的运动仅需两个旋转自由度(俯仰补偿旋转轴1、方位补偿旋转轴2、介质板3)，为了减小控制器负担，设计了图Ⅰ所示的调整机构来实现快速，准确的介质板3主动运动。该机构由方位补偿转轴2和俯仰补偿转轴1组成，其旋转运动均可由直流伺服电机驱动。
介质板调整机构在反射面天线上的安装如图4所示。介质板调节机构通过支撑杆件安装在馈源上，且介质板中心的位置与馈源相位中心的距离应为本发明步骤二所确定的距离。
下面结合实验对本发明的技术效果作详细的描述。
本发明以7.3米口径天线为例。主反射面为抛物面，其焦距2H为5000mm，口径D1为7300mm；副反射面为单叶双曲面，口径D2为730mm；馈源为双模圆锥喇叭天线(Potter天线)，工作在Ku波段，中心频率为15GHz。
反射体系统电磁仿真简化模型由抛物面、单叶双曲面以及馈源组成。在电磁仿真时，将抛物面和双曲面设置为理想电表面，并将算法设置为PO算法。在仿真馈源时使用快速多层极子算法(FMM)，并将仿真得到的等效远场置于相心。本发明通过这种混合算法以及等效相结合的方法，相对快速准确地得到反射面天线的远场方向图。
为了验证该介质板补偿指向误差的有效性,在应用介质板后(介质板采用介电常数为3.4，损耗角正切为0.004的玻璃钢材料)，本发明以补偿指向误差为0的位置作为介质板的初始状态，此时，与无介质板时方向图进行对比，如图5所示，可看出，介质板的介入引起的增益损失仅为0.01394dB，可忽略介质板的引入带来的增益损失。
当对介质板的位姿进行调整时，仿真结果如图6所示，当介质板的旋转角度为0°～4°时，对应的波束偏转值为0°-0.015°。因此，可认为该介质板的应用至少可以补偿的最大指向误差为0.015°。
为了进一步验证动态调整介质板的效果，本发明搭建的指向误差综合补偿控制系统框图如图7所示。按照介质板材料为玻璃钢，并根据驱动负载的惯量和补偿范围选择合适的电机后，主伺服系统和可调介质板系统的伯德图如图8所示。主伺服系统的带宽仅为3.994Hz，而可调介质板系统的带宽可达100.4Hz。因此本发明采用伺服主系统实现天线大角度调整，可调介质板主要针对残余的高频指向误差。
仿真结果如图9所示，根据指向误差估计模型，在平均风速为8m/s随机载荷下，利用传统的控制方法进行误差补偿，补偿后的指向误差最大值约为0.00516°(18.6")，当采用本发明提出的基于可调介质板的补偿方法，最大指向偏差仅为0.000468(1.68")，指向精度提升约十倍。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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