[发明专利]基于反射面天线焦面场采样相控阵馈源的最优化设计方法

说明书

本发明公开了一种基于反射面天线焦面场采样相控阵馈源的最优化设计方法，它涉及通信、测控以及射电天文等领域中的高性能多波束天线技术，旨在提供一种高效率和低通道数的高性价比的相控阵馈源设计方法。本发明方法通过分析不同焦径比和不同扫描角时反射面天线焦平面场的特性，研究焦面场最优采样时相控阵馈源的参数选取原则，总结了天线口径效率与PAF设计参数之间的关系，给出了相控阵馈源最优单元间距与焦径比的关系曲线，导出了PAF单元数量的计算公式，并给出了一个PAF的设计实例和性能分析，验证了设计方法的有效性。该方法适合用于射电天文、卫星通信以及深空探测等领域馈源的设计。

技术领域

本发明涉及通信、测控以及射电天文等领域中的一种相控阵馈源的设计方法，更具体地讲，涉及相控阵馈源基于反射面天线焦面场采样的最优化设计。

背景技术

配备相控阵馈源(phased array feed,PAF)的反射面天线结合了反射面天线的高增益、低成本和相控阵天线波束扫描灵活等优点，可以形成多个连续覆盖、性能优良的波束，有效地扩大反射面天线的视场，提升天线系统质量。基于PAF馈电的反射面天线在学术界一直是个研究的热点。

Roshi D A等人在2018年发表的《Performance of a highly sensitive,19-element,dual-polarization,cryogenic L-band phased-array feed on the GreenBank Telescope》中公开了一种结合制冷技术的L波段高灵敏度双极化偶极子PAF，并用于绿岸的射电天文望远镜。范瑾等人在2019年发表的《Design of octave-bandwidth phasedarray feed for large radio telescope》，设计了一种基于紧馈蝶形偶极子天线的宽带PAF，基于经验其单元间距为0.5个波长。韩玉兵等人在2016发表的《五百米口径球面射电望远镜的相控阵馈源设计》和伍洋等人发表的《Design study of an L-band PAF for wide-field surveys and vibration compensation on FAST》，分别为中国五百米口径球面射电望远镜(Five-hundred Meter Aperture Spherical Telescope,FAST)设计了工作在L波段的PAF，都是通过固定单元间距改变单元数量，以及固定单元数量改变单元间距，计算比较不同参数下反射面天线性能的方法，来确定PAF的单元数量和单元间距。CHEN K Y等人2020年发表的《Optimising the design of phased array feeds for survey speed》，在固定单元数量的情况下，计算了超方向性单元的单元间距随射电望远镜巡天速度的变化规律，以巡天速度最高时的单元间距作为最优单元间距，这与韩玉兵等人和伍洋等人中确定最优单元间距的方法相同，但得到的单元间距并不是最优的，仅是小范围内的最优值。

HAY S G等人发表的《Optimising the design of phased array feeds forsurvey speed》和伍洋等人发表的《焦面场分析与相控阵馈源设计》均是通过焦面场公式以及Nyquist采样定理确定单元间距，即采样频率大于焦面场空间谱最高频率的2倍，这样确定的单元间距能在一定程度上恢复焦面场，但不是最优单元间距。

Ivashina M V等人发表的《Optimal number of elements and element spacingof wide-band focal plane arrays for a new generation radio telescope》主要针对小焦径比的反射面天线，研究天线效率最高时PAF的单元间距和单元数量，且只考虑了PAF正方形排布时的情况，研究了PAF的单元数量和单元间距对反射面天线性能的影响，认为合成一个波束的单元数量为7×7到9×9时，天线的口径效率最高，但单元数量过多，造成后端链路成本过高。