基于蝙蝠算法的星載多波束反射面天線的賦形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于反射面天線技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于蝙蝠算法的星載多波束反射面 天線的賦形方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星通信是航天技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合的一種新技術(shù)，它以一種全新方式為人類 提供信息傳輸和通信服務(wù)，它影響并改變著人類的生產(chǎn)與活動，近年來得到了迅速的發(fā)展， 從固定衛(wèi)星服務(wù)到移動個人通信，可實現(xiàn)任何地方、任何時候與任何人的通信。衛(wèi)星通信是 地面終端站間利用衛(wèi)星作為中繼而進行的通信，其系統(tǒng)由衛(wèi)星和地面終端站兩部分組成， 屬于無線通信方式。衛(wèi)星通信具有諸多優(yōu)點，其通信容量大、覆蓋范圍廣、成本低、方便快捷 等優(yōu)點使其廣泛的應(yīng)用在現(xiàn)代無線通信領(lǐng)域中。
[0003] 安置在衛(wèi)星上的天線稱之為星載天線，通過星載天線和地面天線之間無線電波的 傳播使得衛(wèi)星通信得以實現(xiàn)，因而天線是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中相當重要的一部分。由于反射面 天線可以獲得較高的增益，現(xiàn)在在雷達、導航、射電天文、衛(wèi)星通信及氣象等無線通信系統(tǒng) 中，已廣泛地使用了反射面天線。加上其結(jié)構(gòu)比較簡單、質(zhì)量較輕、加工方便及性能穩(wěn)定等 優(yōu)點，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，反射面天線也是最常用的天線形式。
[0004] 前饋式旋轉(zhuǎn)對稱拋物面天線應(yīng)用最為廣泛，它是最早出現(xiàn)的反射面天線，并且在 面天線的發(fā)展過程中這種天線起著重要的作用。然而這種天線也有著它固有的缺陷，對現(xiàn) 代無線通信的高增益、低交叉極化、低旁瓣的高性能指標要求已經(jīng)不能滿足。而偏置結(jié)構(gòu)的 反射面天線可以獲得相對較好的電性能，因為它的偏置結(jié)構(gòu)能夠消除饋源和支撐桿的遮擋 而引起的旁瓣電平抬高等問題。因此，在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，更加廣泛的應(yīng)用了偏置結(jié)構(gòu) 的反射面天線。
[0005] 現(xiàn)在的衛(wèi)星上大多數(shù)安裝多波束天線，顧名思義，多波束天線就是一副天線能產(chǎn) 生多個波束，這樣就能覆蓋地面上的多個區(qū)域。在衛(wèi)星通信中使用多波束天線有諸多優(yōu)點， 大大的降低了衛(wèi)星通信的成本，對某些應(yīng)用系統(tǒng)是有極大好處的。但是在多波束反射面天 線中，必然會有饋源的偏焦，當偏焦程度較大時，其帶來的像散和相差等因素會使得天線的 性能惡化，如天線的增益降低、副瓣升高等。為了解決這個問題，天線工作者們提出了用饋 源陣來代替單個饋源的思想，以饋源陣配以反射面形式的天線通常稱其為陣饋天線或者混 合型天線。通過合理的控制饋源陣列中每一個饋源單元的激勵系數(shù)，這樣就可以減小相差 和像散對天線的輻射特性帶來的影響，顯著的改善了天線的掃描特性，取得了顯著的效果。
[0006] 反射面天線賦形方法多為間接法和直接法。間接法的優(yōu)化對象是反射面天線的參 數(shù)，如波前、口徑場分布等。通過優(yōu)化這些參數(shù)，得到反射面上的一些節(jié)點，再將這些點進行 數(shù)值擬合，得到反射面。這種方法的缺點在于得到的反射面比較粗糙、不光滑，因此不易加 工成品。直接法直接優(yōu)化反射面本身的形狀，利用各種展開函數(shù)來表示反射面，再對展開函 數(shù)的系數(shù)進行優(yōu)化。例如Zernike函數(shù)展開，Nurbs展開等。這些種方法優(yōu)化后能直接得 到反射面的形狀，而且反射面是光滑連續(xù)的，但是直接法的函數(shù)展開系數(shù)較多，需要選擇魯 棒性強的優(yōu)化算法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種快速、穩(wěn)定的基于蝙蝠算法的星載多波束反射面天線 的賦形方法，該方法內(nèi)存消耗低且簡單易行。
[0008] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：
[0009] -種基于蝙蝠算法的星載多波束反射面天線的賦形方法，步驟如下：
[0010] 第1步，根據(jù)多波束覆蓋區(qū)域形狀選取反射面尺寸、饋源位置與饋源方向；
[0011] 第2步，由第1步所得反射面尺寸，得到修正的多焦點反射面方程；
[0012] 第3步，由第2步所得多焦點反射面方程的參數(shù)，選取適應(yīng)值函數(shù)，利用蝙蝠算法 對多焦點反射面方程的參數(shù)進行優(yōu)化，直到所得響應(yīng)滿足設(shè)計要求；利用第3步優(yōu)化得到 的多焦點反射面方程的參數(shù)，利用物理光學方法計算反射面天線的方向圖，并采用GPU對 物理光學法的加速。
[0013] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為：（1)優(yōu)化的參數(shù)較少：只需對基本拋物面 的加權(quán)系數(shù)進行優(yōu)化；（2)節(jié)省優(yōu)化時間：針對波束區(qū)域形狀選取恰當?shù)倪m應(yīng)值函數(shù)，配合 蝙蝠算法，提高優(yōu)化效率；（3)操作簡單：通過基本拋物面的加權(quán)系數(shù)就可以得到最終的反 射面方程，最終得到的多焦點反射面方程比較簡單。
【附圖說明】
[0014] 圖1是星載多波束反射面天線結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 圖2是單偏置反射面天線的結(jié)構(gòu)圖。
[0016] 圖3是多波束等值圖。
[0017] 圖4是三焦點反射面示意圖。
[0018] 圖5是編幅算法流程圖。
[0019] 圖6是非洲賦形的等值線波束覆蓋圖。
【具體實施方式】
[0020] 本發(fā)明提出了多焦點反射面賦形法，該方案優(yōu)化的參數(shù)較少，優(yōu)化的過程執(zhí)行較 快，最終得到的多焦點反射面方程比較簡單。
[0021] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0022] 結(jié)合圖1~5,本發(fā)明蝙蝠算法的星載多波束反射面天線的賦形方法，步驟如下：
[0023] 第1步，根據(jù)多波束覆蓋區(qū)域形狀選取反射面尺寸、饋源位置與饋源方向，具體步 驟如下：
[0024] 步驟1. 1，選取反射面尺寸；饋源放置在反射面焦點，D為單偏置反射面在XOZ平面 圓形投影的直徑，F(xiàn)為反射面的焦距，H為反射面天線的中心偏置高度，
[0025] 首先計算反射面天線的口徑D，由下式表示：
[0026] D = (33. 2-1. 55SL) · λ / Θ 3dB (I)
[0027] 其中，Sl為旁瓣電平，λ為波長，Θ 3dB為半功率波束寬度；
[0028] 反射面天線采用的焦徑比的范圍F/D = 0. 6~2. 0,得到反射面的焦距F ;
[0029] 反射面的中心偏置高度H與反射面下邊緣的偏置高度h之間關(guān)系為：
[0030] H = h+D/2 (2)
[0031] 步驟1. 2,選取饋源位置和饋源指向；
[0032] 饋源位置是通過賦形區(qū)域的形狀和波束寬度Θ來決定的。當賦形區(qū)域的形狀給 定后，需要采用多個波束寬度為Θ的波束交疊排列來覆蓋賦形區(qū)域。通過調(diào)節(jié)饋源位置來 對應(yīng)饋源產(chǎn)生的波束位置，實現(xiàn)對賦形區(qū)域的完整覆蓋，從而確定各個饋源位置。
[0033] 饋源指向是通過Pj2P3來決定的。水平面與反射面下邊緣的夾角是β i，及βι 是下邊緣對應(yīng)的角度。水平面與饋源指向的夾角是β2，及02是反射面中心偏置角度。水 平面與反射面上邊緣的夾角是β3，及β3是上邊緣對應(yīng)的角度。β 2就是饋源指向反射面 中心的角度，P3-P1是饋源與反射面上下邊緣的夾角。其中β A2P3可由下式得到：
[0037] 第2步，得到修正的多焦點拋物面方程，具體步驟如下：
[0038] 步驟2. 1，由步驟I. 1得到拋物面的焦距F，令f。= F ;
[0039] 步驟2. 2,根據(jù)初始拋物面的焦距f。，得到一系列基本拋物面的焦距：
[0040] f；= f 〇+0. 5*(f〇cos δ ^f0) (4)
[0041] 基本拋物面是指和步驟1得到的拋物面尺寸相近的一系列拋物面。其中，δ i為每 個基本拋物面的對稱軸的方向，A為在初始拋物面焦距f J付近得到的基本拋物面的焦距。
[0042] 步驟2. 3,得到基本拋物面與開始的曲面的交點的y坐標：
[0044] 其中X。表示拋物面在坐標系中的X坐標恒定不變。
[0045] 步驟2. 4,計算各個焦點的坐標（0, Fly,匕），其中：
[0046] Fly=Msly-AXsinSi (6)
[0047] 在各個基本拋物面的坐標系下定義各個基本拋物面的表達式：
[0049] 其中，^和y i為各個基本拋物面在各自坐標系下的橫縱坐標。
[0050] 步驟2. 5,通過旋轉(zhuǎn)和平移變換將各個基本拋物面的坐標系下定義各個基本拋物 面轉(zhuǎn)化到（x，y，z)坐標系下面，然后通過加權(quán)平均得到修正的多焦點反射面的表達式，修 正的多焦點拋物面的表達式即為：
[0052] 其中，N為焦點的個數(shù)，CO1為各個基本面的加權(quán)系數(shù)。
[0053] 第3步，由第2步所得多焦點反射面方程的參數(shù)，選取適應(yīng)值函數(shù)，利用蝙蝠算法 對多焦點反射面方程的參數(shù)進行優(yōu)化，具體步驟如下：
[0054] 步驟3. 1，選取適應(yīng)值函數(shù)。
[0055] 適應(yīng)值函數(shù)：
[0057] 其中
c為大于目標覆蓋增益的值，N為覆蓋區(qū)增益考察 點的個數(shù)，Garerage為考察點增益的平均值，d為標準差所占的比重。
[0058] 步驟3. 2,利用蝙蝠算法對多