賦形天線詳解
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2.3 口徑面柵格的場(chǎng)相位優(yōu)化法
口徑面柵格的場(chǎng)相位優(yōu)化法[2,5]基本上是口面場(chǎng)優(yōu)化法的改進(jìn)。為克服口面場(chǎng)相位優(yōu)化方法的缺點(diǎn)，將口徑面分成很多小柵格，優(yōu)化前認(rèn)為每個(gè)小柵格上的場(chǎng)分布為等幅同相，這樣，口徑面上場(chǎng)的相位分布不再用三角函數(shù)展開式表示，而是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的值。其優(yōu)化思想是，優(yōu)化口徑面場(chǎng)的相位分布，使遠(yuǎn)場(chǎng)增益迫近目標(biāo)值。通過(guò)口徑面場(chǎng)的相位分布，確定反射面的形狀；通過(guò)反射面的形狀，饋源的幅值相位分布來(lái)確定口徑面場(chǎng)的幅度分布，作為下一次相位優(yōu)化時(shí)的幅度分布。由于這種方法考慮了口徑面場(chǎng)幅度變化對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)的影響，與口面場(chǎng)優(yōu)化法相比較，其精度相應(yīng)提高，在參考文獻(xiàn)[5]中通過(guò)優(yōu)化反射面上各個(gè)網(wǎng)格在拋物面焦軸方向上的變形量，提出網(wǎng)格變形時(shí)相位影響因子的概念，對(duì)相位加以優(yōu)化，同時(shí)附加變形限制條件，改善了反射面表面不連續(xù)的問(wèn)題。
總之，上述三種方法都是采用幾何光學(xué)分析方法，其中，口面場(chǎng)優(yōu)化法和口徑面柵格的場(chǎng)相位優(yōu)化法通過(guò)優(yōu)化得到口徑面上柵格的幅值和相位來(lái)確定反射面的形狀。這些方法都有一個(gè)缺點(diǎn)，即在優(yōu)化口徑面場(chǎng)相位時(shí)，可能使反射面表面不連續(xù)，導(dǎo)致反射面加工較困難，所以在優(yōu)化過(guò)程中，必須解決不連續(xù)問(wèn)題。
2.4 反射面直接展開法
為了得到連續(xù)光滑的賦形反射面，Y.Rahmat-Sami等用特殊函數(shù)展開式來(lái)表示反射面表面的形狀，將展開式系數(shù)視為天線系統(tǒng)的優(yōu)化特性參數(shù)，直接進(jìn)行反射面成形。這種方法的特點(diǎn)體現(xiàn)在正交全局函數(shù)展開式的選取上，可以選為Zernike函數(shù)展開式、三角函數(shù)展開式、貝塞爾函數(shù)展開式、傅里葉級(jí)數(shù)等。最終成形的反射面是光滑連續(xù)的，邊界定義嚴(yán)格，且具有一階連續(xù)導(dǎo)數(shù)。在理論方法上可選用幾何光學(xué)、物理光學(xué)、幾何繞射、物理繞射等理論技術(shù)，且能夠準(zhǔn)確地控制副瓣電平和交叉極化等天線遠(yuǎn)場(chǎng)特性。
2.5 上述方法的分析比較
就天線分析和綜合方法而言，幾何光學(xué)成形技術(shù)比較成熟、精確度較高，但是它的一個(gè)主要缺點(diǎn)是在反射面成形時(shí)并未考慮繞射效應(yīng)。被忽略的繞射效應(yīng)既包括反射面表面和邊緣的繞射、饋源與反射面的近場(chǎng)效應(yīng)，還包括主反射面與次反射面之間的相互影響(在設(shè)計(jì)雙反射面和多反射面的情況下)。采用幾何繞射分析技術(shù)計(jì)算幾何光學(xué)成形反射面天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式時(shí)，一些特性參數(shù)(如副瓣)會(huì)與期望值產(chǎn)生很大的偏差，因?yàn)閹缀喂鈱W(xué)成形要求天線系統(tǒng)的相對(duì)波長(zhǎng)足夠大，以滿足射線軌跡近似條件。前三種方法都是采用幾何光學(xué)法，所以都要考慮這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于小型天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要采用更為精確的分析和綜合程序，如物理光學(xué)法。幾何光學(xué)成形算法常用于綜合口面場(chǎng)而不是直接用于綜合遠(yuǎn)場(chǎng)，口面場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)之間的相互關(guān)系可由幾何光學(xué)方法確定，通過(guò)幾何光學(xué)算法導(dǎo)出的成形反射面是由一系列點(diǎn)表示的，這些點(diǎn)可能導(dǎo)致反射面的表面不連續(xù)和周界不規(guī)則，因此在進(jìn)行成形反射面加工制造之前，必須對(duì)這些分離的點(diǎn)進(jìn)行插值擬合。
在最后一種方法中，由于反射面直接展開，不需要幾何光學(xué)綜合方法，而是采用了物理光學(xué)分析方法，無(wú)需滿足射線軌跡近似條件，對(duì)于小型天線系統(tǒng)也適用，比幾何光學(xué)分析方法精確，但是當(dāng)考慮一些遠(yuǎn)場(chǎng)參數(shù)(如旁瓣電平、交叉極化等)的精度時(shí)，物理光學(xué)方法仍不夠精確，必須選用物理繞射理論技術(shù)，考慮物理繞射理論邊緣場(chǎng)。
因而從理論上講，幾何光學(xué)方法較簡(jiǎn)單直觀，而且發(fā)展較成熟;物理光學(xué)方法精確度高，適用范圍廣泛;物理繞射理論方法則能夠提高遠(yuǎn)場(chǎng)參數(shù)的精度。
3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
近十幾年來(lái)在國(guó)外，成形反射面已經(jīng)成為星載天線一項(xiàng)極為重要的技術(shù)，已有許多星載成形反射面被成功設(shè)計(jì)、制造并投入使用。國(guó)內(nèi)在賦形天線的研究中，多波束賦形天線的研究較多，但理論和模擬仿真的較多，實(shí)際應(yīng)用的較少。關(guān)于賦形反射面天線的研究較少，其中，中國(guó)空間技術(shù)研究所西安分院設(shè)計(jì)并加工了在Ku波段覆蓋中國(guó)版圖的通信衛(wèi)星成形反射面天線。在理論上采用幾何光學(xué)法進(jìn)行分析，在實(shí)踐中使用進(jìn)口程序POS進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工；北京郵電大學(xué)比較計(jì)算了覆蓋中國(guó)版圖的單饋成形反射面和陣饋反射面天線。北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部采用全域基Zernike函數(shù)展開反射面，運(yùn)用PO方法，將展開式各項(xiàng)的系數(shù)作為優(yōu)化對(duì)象，帶入反射面天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射積分中，采用信賴域法對(duì)非線性最小二乘問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，從而確定了單饋源單反射面天線的反射面。由于所研究的對(duì)象同為單饋源單反射面天線的賦形問(wèn)題，其研究成果具有一定的借鑒性[18]。
當(dāng)前賦形反射面天線的研究熱點(diǎn)是反射面直接展開法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于所要優(yōu)化的參數(shù)較少，如采用網(wǎng)格優(yōu)化相位的方法，表示一個(gè)反射面通常需要上萬(wàn)個(gè)相位參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，而反射面展開法則只需對(duì)十幾個(gè)到幾十個(gè)基函數(shù)的系數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化，這樣將大大加快計(jì)算的速度。另外，這種方法優(yōu)化完畢，反射面的表達(dá)式也就隨之確定下來(lái)。無(wú)需再進(jìn)行數(shù)據(jù)的擬合來(lái)得到反射面的表達(dá)式，且反射面上任一點(diǎn)的法向或切向方程也容易確定，從而給天線的制造、加工與測(cè)量帶來(lái)了便利。研究的重點(diǎn)主要集中在使用什么樣的基函數(shù)或表達(dá)式來(lái)表示反射面、在物理光學(xué)法分析中采用什么樣的方法來(lái)加快計(jì)算的速度，以及采用何種優(yōu)化方法來(lái)優(yōu)化得到這些基函數(shù)的系數(shù)值上。其中，反射面的展開采用Zernike基函數(shù)來(lái)展開（如在grasp軟件中）較為廣泛。此外，寬帶優(yōu)化、隔離站的優(yōu)化等在工程實(shí)踐中也經(jīng)常遇到，我國(guó)在這方面的研究還較少，值得進(jìn)一步關(guān)注研究。
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/157294.htm
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