專利名稱：一種三反射鏡緊縮場天線測量系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于毫米波與亞毫米波準(zhǔn)光技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種三反射 鏡緊縮場天線觀'j量系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場天線測試方法中被測天線和測試饋源間距最小需要達(dá)到 2D2//1,以滿足在被測天線處等相位面的相位誤差要求，其中D是被測天線的 最大口徑。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代電磁波傳播系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行頻率越來越 高，甚至達(dá)到了毫米波與亞毫米波(30G-3T)以及THz頻段。如果要對毫米波 或亞毫米波進(jìn)行測試，遠(yuǎn)場天線測試方法中間距距離要求很大。
毫米波與亞毫米波以及THz系統(tǒng)在射電天文、地球空間探測、遙感、成像 領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。這些頻段的天線與一般天線一樣都要經(jīng)過嚴(yán)格的測試 以確保不產(chǎn)生過大的系統(tǒng)與加工誤差，這一點(diǎn)對于昂貴的空間作業(yè)來說尤其重 要。但要保證這些頻段的天線測試的可靠性和有效性是十分困難的任務(wù)。而且 另一方面，水分子，二氧化碳分子的諧振頻率處于毫米波與亞毫米波頻段，其 對電磁波的吸收衰減效果使得這些天線的測量不太適合在戶外進(jìn)行。緊縮場天 線測試系統(tǒng)是解決毫米波頻段及以上高頻天線測試對空間苛刻要求的一個有效 方法。緊縮場天線測試系統(tǒng)是通過反射鏡、透鏡對饋源輻射場進(jìn)行聚焦變換， 在有限空間內(nèi)產(chǎn)生可用于測試天線的近似平面波。
目前，已普遍投入應(yīng)用的偏置單反射鏡緊縮場天線測試系統(tǒng)中，是由置于 拋物面反射鏡焦點(diǎn)的饋源發(fā)出電磁波，經(jīng)過主反射鏡發(fā)射后得到近似平面波。 該系統(tǒng)最大的缺陷是靜區(qū)利用系數(shù)低，只有反射鏡面的30%左右。靜區(qū)利用系 數(shù)是靜區(qū)尺寸與主反射鏡口徑尺寸的比例。如果需要產(chǎn)生1米口徑的靜區(qū)，必須使用至少3米口徑的反射鏡。
目前所提出的三反射鏡緊縮場天線測量系統(tǒng)采用的是卡塞格倫-格里高利 反射形式，其中兩個副反射鏡分別是旋轉(zhuǎn)橢圓面和旋轉(zhuǎn)雙曲面，其僅適應(yīng)于運(yùn)
行頻率在300GHz以下的^t源。由于300G以上頻率的電f茲波的廣泛應(yīng)用，目前 還沒有一種適用于300GHz以上的天線測量系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例提出一種三反射鏡緊縮場天線測量方法，以適用于運(yùn)行頻 率在300GHz以上的饋源，并增加出射場的靜區(qū)利用系數(shù)。
本發(fā)明實施例還提出 一 種三反射鏡緊縮場天線測量系統(tǒng)，以適用于運(yùn)行 頻率在300GHz以上的饋源，增加出射場的靜區(qū)利用系數(shù)。
本發(fā)明實施例的技術(shù)方案如下
一種三反射鏡緊縮場天線測量方法，包括以下步驟
根據(jù)饋源場的分布和系統(tǒng)出射場的分布確定系統(tǒng)映射函數(shù)；
采用動態(tài)波帶跟蹤理論對饋源發(fā)出的電磁波進(jìn)行跟蹤分析，由所述系統(tǒng)映 射函數(shù)、饋源場波前參數(shù)和主反射鏡鏡面參數(shù)確定出第 一賦型副反射鏡全部鏡 面參數(shù)和第二賦型副反射鏡全部鏡面參數(shù)。
一種三反射鏡緊縮場天線測量系統(tǒng)，包括饋源和主反射鏡，又包括第一賦 型副反射鏡和第二賦型副反射鏡，
饋源發(fā)出的電磁波經(jīng)過第 一賦型副反射鏡反射到第二賦型副反射鏡上，第 二賦型副反射鏡將電磁波反射到主反射鏡上，經(jīng)主反射鏡反射的電^f茲波以平面 電石茲波出射；
根據(jù)饋源場的分布和系統(tǒng)出射場的分布確定系統(tǒng)映射函數(shù)；
采用動態(tài)波帶跟蹤理論對饋源發(fā)出的電磁波進(jìn)行跟蹤分析，由所述系統(tǒng)映
射函數(shù)、饋源場波前參數(shù)和主反射鏡鏡面參數(shù)確定出所述第一賦型副反射鏡全
部鏡面參數(shù)和所述第二賦型副反射鏡全部鏡面參數(shù)。
由上述的技術(shù)方案可見，在雙格里高利反射形式的三反射鏡緊縮場天線測量系統(tǒng)中，饋源發(fā)出的電磁波經(jīng)過第 一賦型副反射鏡反射到第二賦型副反 射鏡上，第二賦型副反射鏡將電磁波反射到主反射鏡上，經(jīng)主反射鏡反射的 電磁波以平面電磁波出射。其中根據(jù)饋源場的分布和系統(tǒng)出射場的分布確定 系統(tǒng)映射函數(shù)，根據(jù)動態(tài)波帶理論對電磁波帶進(jìn)行跟蹤分析，可對系統(tǒng)出射
波形進(jìn)行控制調(diào)整，適用于高于300GHZ以上的饋源，并使系統(tǒng)出射場具有 較大的靜區(qū)利用系數(shù)，靜區(qū)利用系數(shù)可以達(dá)到70%以上且交叉極化隔離度 高、結(jié)構(gòu)緊湊，測量頻帶寬。


圖1為本發(fā)明三反射鏡緊縮場天線測量系統(tǒng)的理想出射波形圖； 圖2為本發(fā)明一種三反射緊縮場天線測量方法的流程圖； 圖3為本發(fā)明實施例中對饋源和出射場的網(wǎng)格劃分；
圖5為本發(fā)明實施例中完整描述曲面和波前的5個曲面參數(shù)；
圖6為本發(fā)明實施例中確定出第一賦型副反射鏡全部鏡面參數(shù)和第二 賦型副反射鏡全部鏡面參數(shù)的流程圖7為本發(fā)明實施例中確定出第一賦型副反射鏡和第二賦型副反射鏡 之間的波前參數(shù)的流程圖8為本發(fā)明實施例雙格里高利三反射鏡緊縮場天線測量系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)表達(dá)得更加清楚明白，下面結(jié)合附 圖及具體實施例對本發(fā)明再作進(jìn) 一 步詳細(xì)的說明。
在本發(fā)明實施例，三反射鏡緊縮場天線測量系統(tǒng)中，緊縮場系統(tǒng)由一個 饋源和三個反射鏡組成。三個反射鏡包括一個確定形狀的大口徑主反射鏡和 兩個賦型副反射鏡。饋源發(fā)出的電磁波經(jīng)過第一賦型副反射鏡和第二賦 副反射鏡的反射聚焦，最終由主反射鏡出射，得到中部平坦，邊緣陡峭下降的 出射場，如圖1，中部平坦的波形區(qū)域為適合用于測量天線的靜區(qū)。
主反射鏡形狀是鏡面大小、曲率半徑等參數(shù)確定的球面、橢球面、拋物 面或雙曲面等。
第一賦型副反射鏡和第二賦型副反射鏡是鏡面參數(shù)待定的賦型反射鏡。
圖2為本發(fā)明一種三反射緊縮場天線測量方法的流程圖，該流程包括以 下步驟
確定三反射緊縮場天線須'j量系統(tǒng)的對稱面。
該對稱面 一般是指饋源點(diǎn)和三個反射鏡光心所在的共平面，在隨后的賦型 鏡面中可以只考慮半面反射鏡的參數(shù)，另外半面可關(guān)于對稱面取對稱得到。各 反射鏡的光心位置參數(shù)是在一定的限制條件下由設(shè)計人員選擇，其原則是所述 系統(tǒng)的緊縮性，和每個反射鏡的口徑大小不能阻擋正常的電磁波光路。
步驟101:根據(jù)饋源場的分布和系統(tǒng)出射場的分布確定系統(tǒng)映射函數(shù)。
量守恒原理，即饋源發(fā)出的總場能量與從主反射鏡出射的總場能量是相等的。 可以求出饋源張角6和系統(tǒng)出射場位置半徑r的關(guān)系，即饋源具有6張角發(fā)出 的射線經(jīng)過反射后最終會到達(dá)系統(tǒng)出射場半徑為r的位置。從能量守恒的角度 考慮，在此6張角內(nèi)的饋源能量占饋源總能量的比例，等于對應(yīng)的出射場半徑 r內(nèi)的能量占主反射鏡出射總能量的比例，￡^是系統(tǒng)出射電磁場強(qiáng)度， 饋源場強(qiáng)度，如下式
尸(。=p(。
o
p(6>)= J"|G(。|2 2;rsin婦
o
《,是所分析的最大饋源張角，饋源在《,方向上的電磁場比饋源最大出射電磁
8
(1)
(2)場下降了一定的值，所以^確定第一賦型反射鏡的尺寸。
則根據(jù)所求的0對應(yīng)的出射半徑r后，利用波束的方位角r"則可求出映射函數(shù)
<formula>formula see original document page 9</formula> 其中以系統(tǒng)出射方向為z軸，對稱面上垂直z軸的方向為x軸。p的變化
規(guī)律為設(shè)波束在前一反射鏡時的方位角為p',若電磁波經(jīng)過焦散區(qū)到達(dá)下一
個反射鏡時，方位角變成^^p' + ;r，若未經(jīng)過焦散區(qū)到達(dá)下一反射鏡，則方位
角仍為^ = 一，依次類推得到系統(tǒng)出射場的方位角p。其中若饋源出射的波束方
位角為伊，到達(dá)第一副反射鏡時波束方位角仍為p。
步驟102:采用動態(tài)波帶跟蹤理論對饋源發(fā)出的電磁波進(jìn)行跟蹤分析，由 所述系統(tǒng)映射函數(shù)、饋源場波前參數(shù)和主反射鏡鏡面參數(shù)確定出第 一賦型副反 射鏡全部鏡面參數(shù)和第二賦型副反射鏡全部鏡面參數(shù)。
在進(jìn)入循環(huán)求鏡面參數(shù)前，先把饋源出射電^f茲波按照不同的出射角劃分為 N個足夠細(xì)的子波束。如圖3所示，子波束的出射角是按照張角0和方位角p劃 分的。
本實施例中對饋源張角6"平均劃分為k份，k2e/0.5。，并把劃分后的每個^ 對應(yīng)的方位角p平均劃分為n k = 2'(m k〗份，其中/(mk )為l0g2 (16mk / 3)的整數(shù)部分 (當(dāng)m「l時，n,l), wk 二2，3，4，…,k,相應(yīng)的有k—1個m值。則在運(yùn)用動態(tài) 波帶跟蹤理論時用(mk, n)， " = 1,2,3，...,"A，表示所跟蹤的波束。每一個mk對 應(yīng)一個最大的nk，在實施例中在計算mk對應(yīng)的rik值后，1^值對應(yīng)計算 個第 一賦型副反射鏡反射點(diǎn)和rn個第二賦型副反射鏡反射點(diǎn)。在過程中，采用了一 個對稱面，所以除了光心點(diǎn)(m,l， n,=l )外只需對一半饋源波束進(jìn)行跟蹤，
除計數(shù)^L個點(diǎn)的參數(shù)再計算出『180。對應(yīng)點(diǎn)的參數(shù)，即每個nn張角只需要跟
蹤i+i個方位角，剩下半面鏡面參數(shù)可以由對稱面取對稱得到。循環(huán)的過程即 2
是對每個不同出射角的子波束進(jìn)行跟蹤，首次循環(huán)確定各反射鏡的光心為反射點(diǎn)，循環(huán)次數(shù)為T次，T = ni+^(n2+n3+....+nk)+k —1。如果，在循環(huán)過程中，沒
有采用對稱面，則循環(huán)過程同采用對稱面時相同，但循環(huán)次數(shù)為T次， T = N=n| + n2+n3+....+ nk。也就是說，經(jīng)過T次反射4竟面參數(shù)循環(huán)求解后，可以得 到第 一賦型副反射鏡和第二賦型副反射鏡鏡面參數(shù)。
如圖4，例如將饋源張角^劃分為k二2份，由上述劃分方法得到n,l，n^8，
沒有利用對稱面，則共需要循環(huán)7^n,+n^9次，若加上對稱面，如圖中反射鏡 上的虛線，則共需要循環(huán)7 = 11,+ *112+(2-1) = 6次。
波前參數(shù)和鏡面參數(shù)是一種對曲面的描述方法，對某小區(qū)域的曲面可以用 中心點(diǎn)上面的5個參數(shù)進(jìn)行描述，分別是曲面的法向向量》，兩個相互正交的 曲面曲率方向S,^和相對應(yīng)的曲率G,，(^，如圖5所示。在波前面上，A描述出 射場傳播方向、g,、 ^描述波面曲率向量和G,、 ^對應(yīng)的曲率。在鏡面上，/J描述 鏡面的法向向量、g,、 ^描述鏡面曲率向量和G,、 02對應(yīng)的曲率。
如圖6，步驟102包括如下步驟
步驟601:首次進(jìn)入反射鏡面參數(shù)循環(huán)求解時，如圖4，確定子波帶在404 主反射鏡、402第一賦型副反射鏡和403第二賦型副反射鏡上的反射點(diǎn)位置坐 標(biāo)，圖4中在各反射鏡中的中心黑點(diǎn)即光心位置，并根據(jù)幾何光學(xué)原理確定第 一賦型副反射鏡和第二賦型副反射鏡上的反射點(diǎn)法向向量。圖4中，垂直與各 反射鏡光心切線的虛線箭頭即為光心反射點(diǎn)法向向量。
在首次進(jìn)入循環(huán)的時候，各反射鏡光心就是需要確定的反射點(diǎn)。在確定各 反射鏡光心的位置時，需要考慮的是所期望的鏡面大小。402第一賦型副反射 鏡的半徑大小由401饋源的波束張角和饋源光心位置確定。從401饋源出射圓 錐形的波束，考慮把該波束全部反射時鏡面的光心位置和相應(yīng)的鏡面大小，由 此確定光心位置。同樣的，403第二賦型副反射鏡的大小由出射場逆向經(jīng)404 主反射鏡反射后至403第二副反射鏡光心確定。所確定的反射鏡大小必須保證 能反射全部的子波束。已知401饋源點(diǎn)和402第一賦型反射鏡、403第二賦型反射鏡、404主反射鏡的反射點(diǎn)位置分別是^,&,4.,&，以402第一賦型副反 射鏡上反射點(diǎn)為例，電磁波的入射單位向量和反射單位向量為<formula>formula see original document page 11</formula>則第 一賦型副反射鏡上反射點(diǎn)的單位法向向量為
(U)<formula>formula see original document page 11</formula>第二賦型副反射鏡上反射點(diǎn)電^f茲波的入射單位向量和反射的單位向量為
(7)
& 一 ^T,夂
則第二賦型副反射鏡上反射點(diǎn)的單位法向向量為
(H)
L =
(8)
在再次進(jìn)入循環(huán)的時候，改變分析的饋源出射角度t ，即選取下一跟蹤子
波束，采用幾何光學(xué)法確定下一組反射點(diǎn)^,,1,4,1。在第一賦型副反射鏡上 待求點(diǎn)的最近已知點(diǎn)，即已求出鏡面參數(shù)的反射點(diǎn)，在其附近作二次拋物面展
開如下，其中巧、表示已求出鏡面參數(shù)反射點(diǎn)的位置向量，<,iu,,G,、.,,么,2,Gls2表示 該反射點(diǎn)的鏡面參數(shù)。
1
其中g(shù)p&表示兩個相互獨(dú)立的參量。則饋源發(fā)出子波束射線與二次拋物展 開面相交點(diǎn)，即下 一跟蹤子波束在第 一賦型副反射鏡上的反射點(diǎn)及,，。
F(g,,g2)"/+vK (io) 其中A表示饋源的位置向量，s。代表從饋源到該反射點(diǎn)的距離。
根據(jù)系統(tǒng)映射函數(shù)
x = K。cosp', _y = r(^)sinp'. (11)
可以求出同 一子波束在系統(tǒng)出射場的相應(yīng)位置，在位置對子波束逆向推導(dǎo)，
主反射鏡的鏡面參數(shù)是已知的，求出新光路在主反射鏡上反射點(diǎn)&，和相應(yīng)的鏡面參數(shù)^丄,，(^丄2,《 2，運(yùn)用幾何光學(xué)原理，對子波束反向推導(dǎo)，則同樣的 可以求出同 一子波束在第二賦型副反射鏡上的反射點(diǎn)。
由幾何光學(xué)原理，已知系統(tǒng)出射場的波束傳播方向為"則從第二賦型副 反射鏡反射點(diǎn)到主反射鏡反射點(diǎn)的波束傳播方向為
;,2(5,^ (12) 由第二賦型副反射鏡上最近的已知點(diǎn)4、作二次拋物面展開如下，其相對應(yīng)
的鏡面參數(shù)為,L,G2vl，&.、2,G2、.2
廠''(g,, g2) = 4 ++ g2&2 —會(^gf + G2,2g22 )《 (13)
從主反射鏡反射點(diǎn)逆推的子波束射線與二次拋物展開面相交點(diǎn)，即下一跟 蹤子波束在第二賦型副反射鏡上的反射點(diǎn)& 。
,(gp&)《+^"2, (14) &代表從該反射點(diǎn)到主反射鏡反射點(diǎn)的距離
由饋源、第一賦型副反射鏡反射點(diǎn)、第二賦型副反射鏡反射點(diǎn)、主反射鏡 反射點(diǎn)構(gòu)成下一待求光路。
步驟602:根據(jù)404主反射鏡鏡面參數(shù)和系統(tǒng)出射場的波前參數(shù)，推導(dǎo)出 403第二賦型副反射鏡面反射點(diǎn)與404主反射鏡反射點(diǎn)之間的波前參數(shù)。
采用具有確定形狀的規(guī)則主反射鏡，如球面鏡、拋物面面等，則認(rèn)為主反 射鏡曲面上的所有點(diǎn)的鏡面參數(shù)是已知的，設(shè)為&Uw，(^,C^。期望的出射 場是平面波則波前參數(shù)1 /,^,~2,0:/1,,2 ，則可以對波前參數(shù)進(jìn)行逆向推導(dǎo)，得 出第二賦型副反射鏡面反射點(diǎn)與主反射鏡反射點(diǎn)之間的波前參數(shù)
設(shè)出射電磁波與主反射鏡反射點(diǎn)法向向量夾角《，反射后的出射場波前參
數(shù)傳播方向i,，波面曲率C,pC;和對應(yīng)的曲率向量^,^,反射鏡面參數(shù)有法向 向量&，曲率與相應(yīng)的鏡面參數(shù)U^,(^,c^，則通過下面的矩陣等式求得入
射波的投影矩陣<formula>formula see original document page 13</formula>
(15)
(16)
(17)
(18)
則可求出0是入射波的投影矩陣，其特征值是曲率C,pC,2，特征向量矩陣為r， 則相應(yīng)的曲率向量為
6M =K(1,1)A+F(2,1);2 (19)
& ^(1，2)V^(2,2)S (20)
A(2) = 6,1(2) -2(^/1(2) .。& (21)
入射波束的傳播方向為
2(力.A》m (22) 步驟603:對子波帶進(jìn)行跟蹤，根據(jù)402第一賦型副反射鏡的反射點(diǎn)法向 向量和403第二賦型副反射鏡上的反射點(diǎn)法向向量，求出402第一賦型副反射 鏡反射點(diǎn)與403第二賦型副反射鏡反射點(diǎn)之間的波帶形態(tài)，進(jìn)而求出波前參數(shù)。 步驟603包括步驟701至703，如圖7所示。
步驟701:對饋源場出射的波帶進(jìn)行跟蹤，由饋源與第一賦型副反射鏡反 射點(diǎn)的法向向量，得到第 一賦型副反射鏡反射點(diǎn)與第二賦型副反射鏡反射點(diǎn)之 間起始端的波帶形態(tài)；
射線波帶是指一種能夠描述傳播中子波束形態(tài)變化的一種參量，兩個正交 的波帶即可很好地表述出一束子波束。 一個波帶可以用一個矢量表示，該矢量 的方向垂直于子波束傳播方向，矢量的大小表示波帶的大小。對饋源出射的兩 個波帶進(jìn)行跟蹤，它們到達(dá)第 一賦型副反射鏡反射點(diǎn)前的形態(tài)為
△6* = 5'<》，An, sin鄉(xiāng) (23) 其中 為饋源點(diǎn)到第 一饋源副反射鏡反射點(diǎn)的長度，》為饋源的張角方向向量，-為饋源的方位角方向向量。根據(jù)射線波帶的反射規(guī)律，已知第一賦型 副反射鏡上反射點(diǎn)法向向量& ，可求出第 一饋源副反射鏡反射點(diǎn)到第二饋源副 反射鏡反射點(diǎn)起始端的波帶形態(tài)
= B - 2(Ah Z^)A 、 (24) 化.、.=Ap-2(A.、. A^ X. (25) 步驟702:根據(jù)所述系統(tǒng)映射函數(shù)對電磁波逆向追蹤，由所述第二賦型副 反射鏡面反射點(diǎn)與主反射鏡反射點(diǎn)之間的波前參數(shù)和第二賦型副反射鏡面反射 點(diǎn)的法向向量，得出第 一賦型副反射鏡反射點(diǎn)與第二賦型副反射鏡反射點(diǎn)之間 末端的波帶形態(tài)；
由步驟101中的系統(tǒng)映射函數(shù)可以求出射線波帶在出射場的相應(yīng)形態(tài)
c/6> = "^^ +生v,卻-生；+ ，j) (26) 30朋 #
進(jìn)行逆向跟蹤，波帶在電磁波傳播段傳播時，波帶的方向和大小都會按以下規(guī)
律變化
d= (d/A )(sC, +1)^ + (t/p' S2 )(>C2 + 1)S2 (27)
其中表示傳播X距離后的波帶狀態(tài)，由于出射場平面波的波前參數(shù)是常數(shù)、 主反射鏡和第二賦型副反射鏡的反射點(diǎn)法向向量是已知的，且之前已求出主反 射鏡與第二賦型副反射鏡反射點(diǎn)之間的波前參數(shù)，則根據(jù)波帶的傳播和反射規(guī) 律，對出射場的波帶形態(tài)進(jìn)行逆向傳播，則可得到第一賦型副反射鏡反射點(diǎn)與
第二賦型副反射鏡反射點(diǎn)末端的波帶狀態(tài)^2.、,,具體過程如下
把通過系統(tǒng)映射函數(shù)求出的相應(yīng)波帶通過主反射鏡逆反射推導(dǎo)得到主反射 鏡與第二賦型副反射鏡反射點(diǎn)之間末端的波帶形態(tài)^,^,，
』-2(&-^艮 (28) = # — 2(/im #X (29) 已知主反射鏡與第二賦型副反射鏡反射點(diǎn)之間的波前函數(shù)，把^,，一,再逆向 傳播至該傳播段的起始端得到,一I ,,)(1-》C")^ +(^, ,2)(l-;y,C,2)(3,2 (30)
化、.=(，？,')(l-;yC, +(命？,2)(1-aC,2)S,2 (31)
最后把^'2,,;'2在第二賦型副反射鏡上作逆反射得到第 一賦型副反射鏡反
射點(diǎn)與第二賦型副反射鏡反射點(diǎn)傳播段末端的波帶形態(tài)
W2、 二 d02、 — 2(A2、.. #2、.X (32)
#2、 二 #2、 - 2 .#2》2,、 (33)
步驟703:根據(jù)射線波帶的傳播規(guī)律，由第一賦型副反射鏡反射點(diǎn)與第二 賦型副反射鏡反射點(diǎn)之間起始端的波帶形態(tài)和末端的波帶形態(tài)得到第 一賦型副 反射鏡反射點(diǎn)與第二賦型副反射#:反射點(diǎn)之間的波前參數(shù)。
由步驟701和步驟702中已經(jīng)求出了第 一賦型副反射鏡反射點(diǎn)與第二賦 型副反射鏡反射點(diǎn)的起始端波帶形態(tài)K^,, 一,、和末端波帶形態(tài)^2.、, ^2、.，由射
線波帶的傳播規(guī)律得出下面等式。
) =6、., )h.C,, ++ . & )(s,C,2 +耽2 (34)
^",) =& )",C、, +1)<^ + ■ & )(&C,2 +1)^2 (35) 由波帶傳播規(guī)律即得出第 一賦型副反射鏡反射點(diǎn)與第二賦型副反射鏡反射 點(diǎn)傳播段的波前參數(shù)，以上向量等式可作以下化簡，先引入?yún)⒖枷蛄?，其中j)是 全局坐標(biāo)中y軸的單位向量。
4 二(夕x^)/l:Px夂l (36) 32 = ^ x(3, (37)
其中&是第 一賦型副反射鏡反射點(diǎn)與第二賦型副反射鏡反射點(diǎn)的波傳播方 向向量，該傳播向量在步驟601中確定各反射鏡上反射點(diǎn)時就已經(jīng)確定。加入 三個輔助未知量
",= Cm (38) w2 =^,Cdcos(2#、.) (39) m^O,,) (40) 其中C =(Cvl+C、.2)/2, C,(C,.,-C、.2)/-、是波前曲率向量和參考向量的夾角，則把以上未知量代入公式可把等式簡化 為矩陣等式
、《《-
《-《《1-6>2
，一％
0 = a6>i.、. ， 4,《=a6>i、. 52, a =化.、..4, p2 =, S2 (41) 6>ml =抓.、^2 =恭-52, l = &2 =
則通過已知的兩端波帶狀態(tài)，求出經(jīng)第 一賦型副反射鏡反射點(diǎn)與第二賦型副反
射鏡反射點(diǎn)傳播段上波前參數(shù)中曲率C,pC。和向量夾角A，相應(yīng)的曲率向量為
= 4 cos 0、. + S2 sin A (42)
5、.2 = -S, sin A + <22 cos A (43)
上述步驟701和步驟702并無執(zhí)行的先后順序。
步驟604:由主反射鏡反射點(diǎn)與第二賦型副反射鏡反射點(diǎn)之間的波前參數(shù)、 第 一賦型副反射鏡反射點(diǎn)與第二賦型副反射鏡反射點(diǎn)之間的波前參數(shù)，得到第 二賦型副反射鏡反射點(diǎn)的鏡面參數(shù)；
由第 一賦型副反射鏡反射點(diǎn)與第二賦型副反射鏡反射點(diǎn)之間的波前參數(shù)， 饋源場的波前參數(shù)，得到第一賦型副反射鏡反射點(diǎn)的鏡面參數(shù)；
各傳播段的波前參數(shù)都已求出，則由步驟602中反射前后的波前參數(shù)和鏡 面參數(shù)的關(guān)系公式即公式15到18，可以求出賦型反射鏡上反射點(diǎn)的鏡面參數(shù)。 但由于用之前的矩陣等式即公式15到18不適合已知波前參數(shù)求鏡面參數(shù)的模 式，因此對之做出一定的修改。以下以第一賦型副反射鏡反射點(diǎn)鏡面參數(shù)為例 先引入兩個參考向量
S = (_p x /5U) /|_p x 4.、.I ， 4 = 4.、.x 4 (44)
加入三個中間變量
C =(C l+C。2)/2, C^^(C,廣C 2)/2
Cm, =(C,, +C,2)/2， C,、. =(Csl -C,2)/2 (45) G =(G,,1+G,,2)/2, G,,2)/2C ,, C 2是饋源相對應(yīng)的波前曲率，C、.,, C,2是第 一賦型副反射鏡反射點(diǎn)與第二
賦型副反射鏡反射點(diǎn)之間波前相對應(yīng)的波前曲率，G,.、,，(^是第 一賦型副反射鏡 反射點(diǎn)對應(yīng)的鏡面曲率。
把以上變量代入之前的波前參數(shù)反射關(guān)系式，公式15到18，化簡得到矩 陣計算式，其中《是波束在第一賦型副反射鏡上的入射角
<formula>formula see original document page 17</formula>(46)
其中v, ^C^cos《/(ac/-6c)2 v2 =cos《cos(2^、.) /(ac/ — 6c)2 v3 =cos《sin(2^v) /(ad - 6c)2 "=& 《，" &， c = 5。2 " S 2.4 爿=a2+62+c2+d2, 5 = _a2+62 —c2+t/2, C = -2(a6_cd)， = —a2 一62+c2+t/2, ￡ = a2-62—c2 + t/2,尸=2("6-a/)， G—2(ac + M)， 77 = —2(W —ac), / = 2(a"6c)
求出第 一賦型副反射鏡該反射點(diǎn)對應(yīng)的反射面曲率vl, 、.2和向量夾角A ， 相應(yīng)的曲率向量為
= 6, cos A + 62 sin A. (47) A,、.2 = -sin 0、. + 4 cos A (48) 同樣的，在求解第二賦型副反射鏡反射點(diǎn)鏡面參數(shù)時引入兩個參考向量
"=(》x O / |夕x & I,《=A.、.x " (49) 加入三個中間變量
Cm,=(Csl+C、2)/2, Q.=(C、,-C,2)/2
C ,=(C,,+C,2)/2， C,(C',-C,2)/2 (50) G =(G2,, +G2,2)/2, -G2,2)/2
把以上變量代入之前的波前參數(shù)反射關(guān)系式，公式9到12，化簡得到矩陣計算
式，其中《是在第二賦型副反射鏡上的入射角<formula>formula see original document page 18</formula>其中v, =Gwcos《/("(i-6c)2 v2 =cos《cos(20、.)/((^ —6c)2 v3 = Gd cos《sin(2^;、.) /(a<i - 6c)一
^ = a2+62+c2+d2, 5 = —a2+62 _c2+d2, C = —2("6_cd), ￡) = —a2-62+c2+c/2,五=a2-62-c2+<i2, F = 2(a6 — c<i), G = —20c + M)， // = -2(M-ac)， / = 2(a"6c)
求出第二賦型副反射鏡該反射點(diǎn)對應(yīng)的反射面曲率C^,G^和向量夾角A,相應(yīng) 的曲率向量為
i2.vl = " cos A + 6; sin A (52)
i2、'2 = -A' sin A. + ^ cos A. (53) 步驟605:改變饋源場出射電磁波的子波帶，執(zhí)行步驟601至605，直到完
成T次對饋源場波帶的分析。
通過上述步驟，逐步對饋源子波束進(jìn)行跟蹤、分析、計算，可以求出第一
賦型反射鏡和第二賦型反射鏡的全部鏡面參數(shù)，從而確定出整個三反射鏡測量
系統(tǒng)的參數(shù)。
另外，在本發(fā)明的另一個實施例，采用一種三反射鏡緊縮場天線測量方 法得到出雙格里高利三反射鏡緊縮場系統(tǒng)。如圖8中，該系統(tǒng)包括一個801 饋源和三個反射鏡，其中包括一個確定形狀的804主反射鏡和802第一賦型 副反射鏡、803第二賦型副反射鏡、反射鏡間的電磁波傳播光路構(gòu)成雙格里 高利反射形式。
804主反射鏡形狀是鏡面大小、曲率半徑等參^:確定的球面、橢球面、拋 物面或雙曲面等，兩個賦型副反射鏡是參數(shù)待定的賦型反射鏡。
雙格里高利反射形式三反射鏡緊縮場系統(tǒng)，在802第一賦型副反射鏡與803 第二賦型副反射鏡之間產(chǎn)生了 807第一焦散區(qū)、803第二賦型副反射鏡與804 主反射鏡之間產(chǎn)生了 808第二焦散區(qū)一一電磁波傳播路徑的集中區(qū)域。在過程中，設(shè)饋源出射至第一賦型副反射鏡反射后，子波束的方位角為p,傳播至第 二副反射鏡并反射后子波束方位角為一 =^ +冗，再傳播至主反射鏡并反射后子 波束方位角為p、p + 2;r。方位角的變化可以由設(shè)計者在過程中自主安排。
所述雙格里高利反射形式的一個很大優(yōu)勢是可獲得很好的交叉極化隔離 度。采用波束展開模式對三反射鏡系統(tǒng)分析，可得到符合以下關(guān)系式最大交叉 極化與最大共極化的比值C
C =
(54)
w, = ;rw'W2(55) w2 = ;rvv2w3 /(<i2A) (56)
,'=(sl3>/^T±7')/Wl.3■ (57)
eW2=l (58) 其中A是系統(tǒng)電磁波波長，/是第i個反射鏡的有效焦距，vv,是第i個反射
鏡入射波束半徑，《是相應(yīng)的中央波束入射角度。f,(s)在格里高利形式時等于 -1,卡塞格林形式時等于l。經(jīng)過上述公式的簡單運(yùn)算，當(dāng)其他參數(shù)不變時雙格 里高利的C值最大，即交叉極化隔離度最好，理想狀態(tài)下雙格里高利反射形式 的交叉極化隔離度比雙卡塞格倫，卡塞格倫-格里高利，格里高利-卡塞格倫反 射形式的交叉極化隔離度至少高出9dB。
另外，本發(fā)明方法針對的是毫米波段以上的高頻天線，頻率越高電磁波的 衍射性越弱，則經(jīng)反射鏡反射后由邊緣衍射引起的衍射波能量減少。緊縮場系 統(tǒng)的邊緣衍射波能量越小，對靜區(qū)的影響越小，靜區(qū)擾動越小。且應(yīng)用高斯光 學(xué)原理，則每個鏡子的泄漏能量也減少，系統(tǒng)漏波對出射場影響變小，進(jìn)一步 提高靜區(qū)質(zhì)量。
上述的雙格里高利反射形式，還可以在不擋住正常反射光路的條件下，在 雙格里高利反射形式的焦散區(qū)域設(shè)置可以吸收反射鏡邊緣衍射波的805衍射擋 板。由于靜區(qū)的擾動很大一部分來自于邊緣衍射波的影響，所以在其焦散區(qū)加 上衍射擋板，進(jìn)一步削弱反射鏡邊緣衍射波的影響，如圖8所示。理想上805衍射擋板放置于807第一焦散區(qū)效果更好，因為802第一賦型副反射鏡的邊緣 場能量分布大，邊緣衍射波強(qiáng)，對靜區(qū)影響大，而經(jīng)過802第一賦型副反射鏡 聚焦，能量相對集中于中部的電磁波到達(dá)803第二賦型副反射鏡時，邊緣場能 量已經(jīng)減弱，衍射波相對弱。而且從圖6看，加于807第一焦散區(qū)的805衍射 擋板還把801饋源與802第一賦型副反射鏡的漏波吸收掉，防止漏波對靜區(qū)影 響。
雙格里高利反射形式三反射鏡緊縮場系統(tǒng)可以按照 一種三反射鏡緊縮場天 線測量方法進(jìn)行設(shè)置，在此就不再重復(fù)敘述。
以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù) 范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等， 均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種三反射鏡緊縮場天線測量系統(tǒng)，包括饋源和主反射鏡，其特征在于，還包括第一賦型副反射鏡和第二賦型副反射鏡，饋源發(fā)出的電磁波經(jīng)過第一賦型副反射鏡反射到第二賦型副反射鏡上，第二賦型副反射鏡將電磁波反射到主反射鏡上，經(jīng)主反射鏡反射的電磁波以平面電磁波出射，生成系統(tǒng)出射場；根據(jù)饋源場的分布和所述系統(tǒng)出射場的分布確定系統(tǒng)映射函數(shù)；采用動態(tài)波帶跟蹤理論對饋源發(fā)出的電磁波進(jìn)行跟蹤分析，由所述系統(tǒng)映射函數(shù)、饋源場波前參數(shù)和主反射鏡鏡面參數(shù)確定出所述第一賦型副反射鏡全部鏡面參數(shù)和所述第二賦型副反射鏡全部鏡面參數(shù)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括衍射擋板，所述衍 射擋板放置于第一賦型副反射鏡和第二賦型副反射鏡之間的焦散區(qū)，和所述衍 射擋板放置于第二賦型副反射鏡和主反射鏡之間的焦散區(qū)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括衍射擋板，所述衍 射擋板放置于第 一賦型副反射鏡與第二賦型副反射鏡之間的焦散區(qū)。
4、 一種三反射鏡緊縮場天線測量方法，其特征在于，包括以下步驟 根據(jù)饋源場的分布和系統(tǒng)出射場的分布確定系統(tǒng)映射函數(shù)；采用動態(tài)波帶跟蹤理論對饋源發(fā)出的電磁波進(jìn)行跟蹤分析，由所述系統(tǒng)映 射函數(shù)、饋源場波前參數(shù)和主反射鏡鏡面參數(shù)確定出第一賦型副反射鏡全部鏡 面參數(shù)和第二賦型副反射鏡全部鏡面參數(shù)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述方法，其特征在于，所述采用動態(tài)波帶跟蹤理論對 饋源發(fā)出的電磁波進(jìn)行跟蹤分析，由所述系統(tǒng)映射函數(shù)、饋源波前參數(shù)和主反 射鏡鏡面參數(shù)確定出第 一賦型副反射鏡全部鏡面參數(shù)和第二賦型副反射鏡全部 鏡面參數(shù)包括如下步驟將饋源張角分為N份，則饋源出射電磁波被劃分為N個子波帶，循環(huán)求解 反射鏡面參數(shù)包括，a、 獲得子波帶在第一賦型副反射鏡和第二賦型副反射鏡上的反射點(diǎn)法向向量；b、 根據(jù)主反射鏡反射點(diǎn)鏡面參數(shù)和期望的系統(tǒng)出射場的波前參數(shù)，得到第 二賦型副反射鏡面反射點(diǎn)與主反射鏡反射點(diǎn)之間的波前參數(shù)；c、 對步驟a中的子波帶進(jìn)行跟蹤，根據(jù)系統(tǒng)映射函數(shù)、第一賦型副反射鏡 的反射點(diǎn)法向向量和第二賦型副反射鏡上的反射點(diǎn)法向向量，得到第一賦型副 反射鏡反射點(diǎn)與第二賦型副反射鏡反射點(diǎn)之間的波前參數(shù)；d、 由主反射鏡反射點(diǎn)與第二賦型副反射鏡反射點(diǎn)之間的波前參數(shù)、第一賦 型副反射鏡反射點(diǎn)與第二賦型副反射鏡反射點(diǎn)之間的波前參數(shù)，得到第二賦型 副反射鏡反射點(diǎn)的鏡面參數(shù)；由第 一賦型副反射鏡反射點(diǎn)與第二賦型副反射鏡反射點(diǎn)之間的波前參數(shù)， 已知的饋源場的波前參數(shù)，得到第一賦型副反射鏡反射點(diǎn)的鏡面參數(shù)；e、 重新確定子波帶，執(zhí)行步驟a至e，循環(huán)執(zhí)行T次后結(jié)束，T為正整數(shù)， 且T不大于N。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述方法，其特征在于，所述循環(huán)求解之前，進(jìn)一步包 括確定三反射鏡緊縮場天線測量系統(tǒng)的對稱面，按所述對稱面進(jìn)行所述的循環(huán)求解。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述方法，其特征在于，所述按照對稱面進(jìn)行循環(huán)求解， 所述T=ni+*(n2 + n3+—+nk)+k-1，nk=2'(mk)， /(mJ為log2(16mk/3)的整數(shù)部分，0/0.5°, mk=l,2，3，4，...，k, m,二l， n=l， 6>是饋源張角。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述方法，其特征在于，所述循環(huán)求解中，所述 T=N-n|+n2+n3+—+nk, nk=2"m*)， /(mk)為log2(16mk/3)的整數(shù)部分， k^6>/0.5。， mk =l,2，3,4，...,k， m,二l， n,二l ， 6>是饋源張角。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述方法，其特征在于，步驟c包括如下步驟由饋源場的分布與第 一賦型副反射鏡反射點(diǎn)的法向向量，得到第 一賦型副反射鏡反射點(diǎn)與第二賦型副反射鏡反射點(diǎn)之間起始端的波帶形態(tài)；根據(jù)所述系統(tǒng)映射函數(shù)對子波帶逆向追蹤，由所述第二賦型副反射鏡面反 射點(diǎn)與主反射鏡反射點(diǎn)之間的波前參數(shù)和第二賦型副反射鏡面反射點(diǎn)的法向向 量，得出第 一賦型副反射鏡反射點(diǎn)與第二賦型副反射鏡反射點(diǎn)之間末端的波帶形態(tài)；根據(jù)射線波帶的傳播規(guī)律，由第 一賦型副反射鏡反射點(diǎn)與第二賦型副反射 鏡反射點(diǎn)之間起始端的波帶形態(tài)和末端的波帶形態(tài)得到第 一賦型副反射鏡反射 點(diǎn)與第二賦型副反射鏡反射點(diǎn)之間的波前參數(shù)。
全文摘要
一種三反射鏡緊縮場天線測量方法，包括根據(jù)饋源場的分布和系統(tǒng)出射場的分布確定系統(tǒng)映射函數(shù)；采用動態(tài)波帶跟蹤理論對饋源發(fā)出的電磁波進(jìn)行跟蹤分析，由所述系統(tǒng)映射函數(shù)、饋源場波前參數(shù)和主反射鏡鏡面參數(shù)確定出第一賦型副反射鏡全部鏡面參數(shù)和第二賦型副反射鏡全部鏡面參數(shù)。本發(fā)明實施例還公開了一種三反射鏡緊縮場天線測量系統(tǒng)。應(yīng)用本發(fā)明實施例以后，可以適用于高于300GHz以上的饋源，并使系統(tǒng)出射場具有較大的靜區(qū)利用系數(shù)，靜區(qū)利用系數(shù)可以達(dá)到70％以上且交叉極化隔離度高、結(jié)構(gòu)緊湊，測量頻帶寬。
文檔編號G01R29/10GK101576591SQ200910086569
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月9日
發(fā)明者俞俊生, 劉小明, 劉紹華, 亮 徐, 瑋 汪, 王宇鋒, 蘇漢生, 陳曉東, 魏欽剛, 源 麥 申請人:北京郵電大學(xué)