一種三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的一種三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)，包括饋源、主反射鏡、第一賦形副反射鏡和第二賦形副反射鏡，饋源發(fā)出的電磁波經(jīng)過第一賦形副反射鏡反射到第二賦形副反射鏡上，第二賦形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(chǎng)；第一賦形副反射鏡與第二賦形副反射鏡形成卡塞格倫天線結(jié)構(gòu)，第二賦形副反射鏡與主反射鏡形成格里高利天線結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)采用卡塞格倫-格里高利三反射鏡結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)，不僅可以達(dá)到較高的主鏡口徑利用率，保持了優(yōu)良的靜區(qū)性能，而且降低了制造成本。
【專利說明】一種三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及毫米波與亞毫米波準(zhǔn)光【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在民用航天領(lǐng)域中，毫米波與亞毫米波技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。在大氣觀測(cè)中，采用毫米波與亞毫米波技術(shù)可以對(duì)水汽、氧氣、二氧化碳及臭氧等氣體進(jìn)行探測(cè)，從而反演出相應(yīng)的氣候變化；在深空探測(cè)方面，利用毫米波與亞毫米波技術(shù)可以對(duì)宇宙射線進(jìn)行探測(cè)，從而來研究宇宙星系的演變。
[0003]為了保證毫米波與亞毫米波系統(tǒng)的工作質(zhì)量，必須對(duì)其進(jìn)行精確的測(cè)量。但測(cè)量毫米波與亞毫米波段的天線系統(tǒng)是一個(gè)普遍性的難題。在緊縮場(chǎng)反射鏡天線測(cè)量系統(tǒng)中，目前廣泛使用的是緊縮場(chǎng)單反射鏡和緊縮場(chǎng)雙反射鏡天線測(cè)量系統(tǒng)。其中緊縮場(chǎng)單反射鏡天線測(cè)量系統(tǒng)中饋源發(fā)射的電磁波經(jīng)過偏執(zhí)放置的單個(gè)反射鏡的轉(zhuǎn)換，在近距離上形成了天線測(cè)試所需要的近似平面波(靜區(qū))；緊縮場(chǎng)雙反射鏡天線測(cè)量系統(tǒng)中饋源發(fā)射出的電磁波經(jīng)過偏執(zhí)放置2塊反射鏡的反射后，同樣在近距離上形成了所需近似平面波。
[0004]但是，目前單反射鏡系統(tǒng)最大的缺陷是主鏡口徑利用系數(shù)低，主鏡口徑利用系數(shù)是靜區(qū)尺寸與主反射鏡口徑尺寸的比例，特別是單反射鏡系統(tǒng)的主鏡口徑利用系數(shù)只有反射鏡面的30%左右。即，如果需要產(chǎn)生I米口徑的靜區(qū)，必須使用3米口徑的反射鏡。而雙反射鏡系統(tǒng)需要2塊大口徑反射鏡，制造成本高昂。
[0005]而緊縮場(chǎng)三反射鏡天線測(cè)量系統(tǒng)能在較短的距離上產(chǎn)生準(zhǔn)平面波，不僅沒有遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的長(zhǎng)距離要求，解決了大氣吸收等問題；同時(shí)，在室內(nèi)建造緊縮場(chǎng)系統(tǒng)，可以有效地控制背景輻射，并且還能控制溫度等一系列的參數(shù)，提高測(cè)量精度；同時(shí)無需進(jìn)行近遠(yuǎn)場(chǎng)變換，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，操作相對(duì)簡(jiǎn)單。因此，提供一種具有低幅度、相位波動(dòng)的優(yōu)良靜區(qū)質(zhì)量的三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于保證毫米波與亞毫米波系統(tǒng)的工作質(zhì)量具有非常重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)，其采用卡塞格倫-格里高利三反射鏡結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)，不僅可以達(dá)到較高的主鏡口徑利用率，保持了優(yōu)良的靜區(qū)性能，而且降低了制造成本。
`[0007]本發(fā)明提供的一種三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)，包括饋源、主反射鏡、第一賦形副反射鏡和第二賦形副反射鏡，
[0008]饋源發(fā)出的電磁波經(jīng)過第一賦形副反射鏡反射到第二賦形副反射鏡上，第二賦形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(chǎng)；
[0009]第一賦形副反射鏡與第二賦形副反射鏡之間的電磁波傳播光路形成卡塞格倫反射形式。
[0010]優(yōu)選地，第二賦形副反射鏡與主反射鏡之間的電磁波傳播光路形成格里高利反射形式或者卡塞格倫反射形式。
[0011]優(yōu)選地，所述主反射鏡為具有矩形口徑的反射鏡。
[0012]優(yōu)選地，進(jìn)一步包括衍射擋板，所述衍射擋板放置于第二賦形副反射鏡與主反射鏡之間的焦散區(qū)。
[0013]本發(fā)明還提供了一種三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)，包括饋源、主反射鏡、第一賦形副反射鏡和第二賦形副反射鏡，
[0014]饋源發(fā)出的電磁波經(jīng)過第一賦形副反射鏡反射到第二賦形副反射鏡上，第二賦形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(chǎng)；
[0015]第一賦形副反射鏡與第二賦形副反射鏡之間的電磁波傳播光路形成格里高利反射形式，第二賦形副反射鏡與主反射鏡之間的電磁波傳播光路形成格里高利反射形式或者卡塞格倫反射形式。
[0016]優(yōu)選地，所述主反射鏡為具有矩形口徑的反射鏡。
[0017]優(yōu)選地，進(jìn)一步包括衍射擋板，所述衍射擋板放置于第二賦形副反射鏡與主反射鏡之間的焦散區(qū)。
[0018]由上述技術(shù)方案可見，在本發(fā)明中，采用卡塞格倫-格里高利、格里高利-卡塞格倫、或者卡塞格倫-卡塞格倫三反射鏡結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)，不僅可以獲得較高的交叉極化隔離度，還可以獲得優(yōu)良的低靜區(qū)幅度相位波動(dòng)。
[0019]進(jìn)一步地，本發(fā)明的三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)的主反射鏡采用矩形口徑的反射鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圓形口徑的反射鏡，其非軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu)能夠克服經(jīng)過圓形口徑反射鏡天線反射的電磁波在口徑的軸線上產(chǎn)生的干涉，消除了靜區(qū)場(chǎng)在中心區(qū)域的波動(dòng)，進(jìn)一步改善了靜區(qū)質(zhì)量，降低了靜區(qū)幅度、相位波動(dòng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2a為本發(fā)明的三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)的靜區(qū)幅度性能圖；
[0022]圖2b為本發(fā)明的三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)的靜區(qū)相位性能圖；
[0023]圖3a為圓形主鏡口徑和矩形主鏡口徑的三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)的靜區(qū)主極化場(chǎng)幅度變化對(duì)比圖；
[0024]圖3b為圓形主鏡口徑和矩形主鏡口徑的三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)的靜區(qū)主極化場(chǎng)相位變化對(duì)比圖；
[0025]圖4為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖5為本發(fā)明的三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法的流程圖；
[0027]圖6為本發(fā)明的實(shí)施例中對(duì)饋源和出射場(chǎng)的網(wǎng)格劃分圖；
[0028]圖7為本發(fā)明實(shí)施例中描述曲面和波前面的參數(shù)示意圖；
[0029]圖8為本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法中確定第一賦形副反射鏡全部鏡面參數(shù)和第二賦形副反射鏡全部鏡面參數(shù)的流程圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0030]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0031]在本發(fā)明中，提供了一種三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)，其采用卡塞格倫-格里高利、格里高利-卡塞格倫、或者卡塞格倫-卡塞格倫三反射鏡結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)，不僅可以獲得較高的交叉極化隔離度，還可以獲得優(yōu)良的低靜區(qū)幅度相位波動(dòng)。
[0032]圖1為本發(fā)明的三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明提供的一種三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)，包括饋源101、一個(gè)確定形狀的主反射鏡102、和兩個(gè)由不規(guī)則表面點(diǎn)構(gòu)成的賦形副反射鏡，即第一賦形副反射鏡103和第二賦形副反射鏡 104。
[0033]饋源101發(fā)出的電磁波經(jīng)過第一賦形副反射鏡103反射到第二賦形副反射鏡104上，第二賦形副反射鏡104將電磁波反射到主反射鏡102上，經(jīng)主反射鏡102反射的電磁波以平面電磁波出射，生成系統(tǒng)出射場(chǎng)，其在短距離上形成中部平坦的出射場(chǎng)，如圖2a和圖2b所示，曲線中部的平坦區(qū)域即為適用于天線測(cè)量的靜區(qū)。
[0034]其中，主反射鏡102的形狀是鏡面大小、曲率半徑等參數(shù)確定的球面、橢球面、拋物面或雙曲面等，兩個(gè)賦形副反射鏡則是由不規(guī)則表面點(diǎn)構(gòu)成的參數(shù)待定的賦形反射鏡。
[0035]第一賦形副反射鏡103與第二賦形副反射鏡104之間的電磁波波束近似平行，形成為卡塞格倫反射形式，第二賦形副反射鏡104與主反射鏡103之間的電磁波波束在特定區(qū)域匯聚(焦散區(qū))，形成格里高利反射形式。
[0036]進(jìn)一步地，本發(fā)明還提供了兩種三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)，分別為:格里高利-卡塞格倫三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)和卡塞格倫-卡塞格倫三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)。
[0037]其中，格里高利-卡塞格倫三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)的第一賦形副反射鏡與第二賦形副反射鏡之間的電磁波波束在特定區(qū)域匯聚，形成格里高利反射形式；第二賦形副反射鏡與主反射鏡之間的電磁波束近似平行，形成為卡塞格倫反射形式。
[0038]卡塞格倫-卡塞格倫三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)的第一賦形副反射鏡與第二賦形副反射鏡之間的電磁波波束近似平行，形成為卡塞格倫反射形式；第二賦形副反射鏡與主反射鏡之間的電磁波束近似平行，形成為卡塞格倫反射形式。
[0039]相較于雙格里高利反射形式的三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)，本發(fā)明的這三種三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)形形的組合方式，結(jié)果使得本測(cè)量系統(tǒng)可以獲得較低的靜區(qū)幅度和相位波動(dòng)。經(jīng)過數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，以卡塞格倫-格里高利三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)為例，如圖2a和圖2b所示，以運(yùn)行頻率為200GHz的饋源為例,在靜區(qū)內(nèi)，無論是在偏移平面還是在對(duì)稱平面內(nèi)，幅度和相位的波動(dòng)均很小。
[0040]對(duì)于主反射鏡102的形狀來說，通常均采用圓形口徑的反射鏡。但是由于圓形口徑為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此經(jīng)過圓口徑反射鏡天線反射的電磁波在口徑的軸線上存在較強(qiáng)的干涉，造成靜區(qū)場(chǎng)在中心區(qū)域存在較大程度的波動(dòng)，降低了靜區(qū)場(chǎng)的質(zhì)量。進(jìn)一步地，為了改善靜區(qū)質(zhì)量，降低靜區(qū)幅度、相位波動(dòng)，本發(fā)明的三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)的主反射鏡102為矩形口徑的反射鏡。矩形口徑的反射鏡為非軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其在軸線方向上的干涉較小，從而降低了靜區(qū)中心區(qū)域的幅度和相位波動(dòng)。
[0041]圖3a和圖3b示出了圓形主鏡口徑和矩形主鏡口徑的三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)靜區(qū)主極化場(chǎng)幅度變化和相位變化對(duì)比，從圖中可以看出，矩形主鏡口徑的三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)靜區(qū)主極化場(chǎng)的波動(dòng)要明顯小于圓形主鏡口徑的三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)靜區(qū)主極化場(chǎng)，靜區(qū)質(zhì)量得到明顯改善。[0042]圖4示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示,本發(fā)明的三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)一步包括衍射擋板401，其放置于第二賦形副反射鏡104與主反射鏡103之間的焦散區(qū)，用于吸收反射鏡邊緣的衍射波。由于靜區(qū)的擾動(dòng)相當(dāng)一部分來自于邊緣衍射波的影響，特別是在頻率較低的情況下，因此在其焦散區(qū)放置衍射擋板401能夠進(jìn)一步削弱反射鏡邊緣衍射波的影響。
[0043]為了實(shí)現(xiàn)上述本發(fā)明的三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)，其采用如下方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算得到三反射鏡結(jié)構(gòu)的參數(shù)。
[0044]圖5為本發(fā)明的三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法的流程圖。該流程包括如下步驟:
[0045]步驟501:根據(jù)饋源場(chǎng)的分布和系統(tǒng)出射場(chǎng)的分布確定系統(tǒng)映射函數(shù)。
[0046]首先根據(jù)饋源場(chǎng)分布ρ( Θ )和要求的出射場(chǎng)分布P(r)確定映射函數(shù)。根據(jù)能量守恒原理，即饋源發(fā)出的總場(chǎng)能量與從主反射鏡出射的總場(chǎng)能量是相等的?？梢郧蟪鲳佋磸埥铅ê拖到y(tǒng)出射場(chǎng)位置半徑r的關(guān)系，即饋源具有Θ張角發(fā)出的射線經(jīng)過反射后最終會(huì)到達(dá)系統(tǒng)出射場(chǎng)半徑為r的位置。從能量守恒的角度考慮，在此Θ張角內(nèi)的饋源能量占饋源總能量的比例，等于對(duì)應(yīng)的出射場(chǎng)半徑r內(nèi)的能量占主反射鏡出射總能量的比例，E(r)是系統(tǒng)出射電磁場(chǎng)強(qiáng)度，G( Θ )饋源場(chǎng)強(qiáng)度，如下式
Ρ(? _ ρ{θ)
[0047](1)

r
[0048]Ar) = j|A'(r)|J Ιπ,-dr
0 (2)

Θ
[0049]Ρ{θ) = ||(7(^)|" 2;τsin θ?θ
0(3)
[0050]01]1是最大饋源張角，饋源在θπ方向上的電磁場(chǎng)比饋源最大出射電磁場(chǎng)下降了特定值。
[0051]求出Θ對(duì)應(yīng)的出射半徑r后，利用波束的方位角P則可求出映射函數(shù)
[0052]
X = Z-(^)Cosai, f = /.(^)sin<p(4)
[0053]步驟502:采用動(dòng)態(tài)波帶跟蹤理論對(duì)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(chǎng)波前參數(shù)和主反射鏡鏡面參數(shù)確定出第一賦形副反射鏡全部鏡面參數(shù)和第二賦形副反射鏡全部鏡面參數(shù)。
[0054]在進(jìn)入循環(huán)求鏡面參數(shù)前，先把饋源出射電磁波按照不同的出射角劃分為N個(gè)足夠細(xì)的子波束。如圖6所不，子波束的出射角是按照張角Θ和方位角P劃分的。[0055]波前參數(shù)和鏡面參數(shù)是一種對(duì)曲面的描述方法，對(duì)某個(gè)小區(qū)域的曲面可以用5個(gè)參數(shù)進(jìn)行描述，分別是曲面的法向向量?jī)蓚€(gè)相互正交的曲面曲率方向免,么和相對(duì)應(yīng)的
曲率G1, G2，如圖7所示。在波前面上，6描述出射場(chǎng)傳播方向、乏,良描述波面曲率向量和G1, G2對(duì)應(yīng)的曲率。在鏡面上，A描述鏡面的法向向量、gI5g2描述鏡面曲率向量和G1, G2對(duì)應(yīng)的曲率。
[0056]如圖8所示，步驟502包括如下步驟:
[0057]步驟801:首次進(jìn)入反射鏡面參數(shù)循環(huán)求解時(shí)，如圖1，確定子波帶在主反射鏡、第一賦形副反射鏡和第二賦形副反射鏡上的反射點(diǎn)位置坐標(biāo)，圖1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)原理確定第一賦形副反射鏡和第二賦形副反射鏡上的反射點(diǎn)法向向量。圖1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。
[0058]已知饋源和第一賦形反射鏡、第二賦形反射鏡、主反射鏡的反射點(diǎn)位置分別是
}以第一賦形副反射鏡上反射點(diǎn)為例，電磁波的入射單位向量和反射單位向
量為
【權(quán)利要求】
1.一種三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括饋源、主反射鏡、第一賦形副反射鏡和第二賦形副反射鏡， 饋源發(fā)出的電磁波經(jīng)過第一賦形副反射鏡反射到第二賦形副反射鏡上，第二賦形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(chǎng)； 第一賦形副反射鏡與第二賦形副反射鏡之間的電磁波傳播光路形成卡塞格倫反射形式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，第二賦形副反射鏡與主反射鏡之間的電磁波傳播光路形成格里高利反射形式或者卡塞格倫反射形式。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述主反射鏡為具有矩形口徑的反射鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(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二賦形副反射鏡與主反射鏡之間的焦散區(qū)。
5.一種三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括饋源、主反射鏡、第一賦形副反射鏡和第二賦形副反射鏡， 饋源發(fā)出的電磁波經(jīng)過第一賦形副反射鏡反射到第二賦形副反射鏡上，第二賦形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(chǎng)； 第一賦形副反射鏡與第二賦形副反射鏡之間的電磁波傳播光路形成格里高利反射形式，第二賦形副反射鏡與主反射鏡之間的電磁波傳播光路形成格里高利反射形式或者卡塞格倫反射形式。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述主反射鏡為具有矩形口徑的反射鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的三反射鏡緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(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二賦形副反射鏡與主反射鏡之間的焦散區(qū)。
【文檔編號(hào)】G01R29/08GK103513117SQ201310296808
【公開日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月16日
【發(fā)明者】俞俊生, 楊誠(chéng), 陳曉東, 姚遠(yuǎn), 劉小明, 晁永輝, 陸澤健 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)