[发明专利]一种三反射镜紧缩场天线测量系统及结构和参数确定方法

权利要求书

1.一种三反射镜紧缩场天线测量系统，其特征在于，所述系统包括：方向移动装置、馈源、主反射镜、第一赋形副反射镜以及第二赋形副反射镜；

所述馈源，设置在所述方向移动装置上，用于产生电磁波；

所述方向移动装置，用于带动所述馈源移动以调整所述电磁波的辐射方向；

所述主反射镜为镜面大小固定且曲率参数固定的曲面镜；

所述第一赋形副反射镜和第二赋形副反射镜是由不规则表面点构成的凹凸性可调的赋形反射镜；

所述第一赋形副反射镜和第二赋形副反射镜的曲面形式、凹凸性以及各个反射镜之间的相互几何位置关系，是预先基于等效抛物面理论和波束模式展开理论计算确定的；

所述馈源发出的电磁波经过第一赋形副反射镜反射到第二赋形副反射镜上，第二赋形副反射镜将电磁波反射到主反射镜上，经主反射镜反射的电磁波以平面电磁波出射，生成系统出射场；

所述第一赋形副反射镜与第二赋形副反射镜之间的电磁波波束趋近平行，形成卡塞格伦反射形式；

所述第二赋形副反射镜与主反射镜之间的电磁波波束在特定区域汇聚，形成格里高利反射形式；

其中，所述第一赋形副反射镜和第二赋形副反射镜的曲面形式、凹凸性以及各个反射镜之间的相互几何位置关系通过以下步骤确定：

通过多次移动所述方向移动装置确定实际所需的馈源辐射方向；

基于等效抛物面理论、馈源辐射方向和消除交叉极化成分的要求，确定三反射镜紧缩场天线测量系统的几何结构形式、及所述第一赋形副反射镜和第二赋形副反射镜曲面形式；所述几何结构形式，用于表征三个反射镜之间的相对几何位置关系；

基于波束模式展开理论和所述馈源辐射方向，对已确定的几何结构形式，求解满足系统静区性能要求的自由变量的初始值以及各个反射镜光心位置的初始坐标值；其中，自由变量包括：θ₀、α、β、l、L₀；其中，θ₀为所述馈源辐射的电磁波的方向与水平方向的夹角，记为馈源偏置角；α为所述第一赋形副反射镜光心到第二赋形副反射镜光心的射线与水平方向的夹角；β为所述第二赋形副反射镜光心到所述主反射镜光心的射线与水平方向的夹角；l为所述第一赋形副反射镜光心与所述第二赋形副反射镜焦点连线的长度；L₀为所述馈源与第一赋形副反射镜光心之间的距离；

基于所述馈源的场的分布以及期望的出射场分布，根据能量守恒原理确定系统映射函数；所述映射函数，用于表征馈源张角θ和系统出射场位置半径r的映射关系；

基于动态波带跟踪理论，对所述馈源发出的电磁波进行跟踪分析，获取所述赋形副反射镜的所有镜面参数；所述镜面参数包括：镜面法向量、两个相互正交的镜面曲率方向和对应的曲率；

所述基于等效抛物面理论、馈源辐射方向和消除交叉极化成分的要求，确定三反射镜紧缩场天线测量系统的几何结构形式、及所述第一赋形副反射镜和第二赋形副反射镜曲面形式；所述几何结构形式，用于表征三个反射镜之间的相对几何位置关系的步骤，包括：

获得所述方向移动装置确定的馈源辐射方向；

基于三反射镜紧缩场天线测量系统及其等效抛物面间的转换关系式、所述馈源辐射方向，和所述馈源辐射方向的中心轴线应与等效抛物面中心轴线一致的要求，为所述三反射镜紧缩场天线测量系统建立其等效抛物面模型及其等效关系，以及第一交叉极化相消条件；

基于所述馈源辐射方向、等效抛物面模型及其等效关系，以及第一交叉极化相消条件，确定三反射镜紧缩场天线测量系统的几何结构形式、及所述第一赋形副反射镜和第二赋形副反射镜曲面形式；所述几何结构形式，用于表征三个反射镜之间的相对几何位置关系；

所述三反射镜紧缩场天线测量系统及其等效抛物面间的转换关系式为：

其中，ε为等效抛物面模型中的馈源偏置角，θ₀为所述三反射镜紧缩场天线测量系统中的馈源偏置角，θ₁为所述馈源与所述第一赋形副反射镜、第二赋形副反射镜的共焦焦点的连线与水平方向的夹角，θ₂为所述第一赋形副反射镜、第二赋形副反射镜的共焦焦点与所述主反射镜的焦点的连线与水平方向的夹角，e为方向向量，P_i为曲面形式，δ_i为曲面的凹凸性，i为曲面编号；

所述第一交叉极化相消的条件的公式为：

P₁＝-sign(l)

其中，sign为符号函数，θ₀为馈源偏置角；α为第一赋形副反射镜光心到第二赋形副反射镜光心的射线与水平方向的夹角；β为第二赋形副反射镜光心到主反射镜光心的射线与水平方向的夹角；l为所述第一赋形副反射镜光心与所述第二赋形副反射镜焦点连线的长度；L₀为所述馈源与第一赋形副反射镜光心之间的距离；

所述第一赋形副反射镜和第二赋形副反射镜曲面形式确定为：

所述P_i为+1时，曲面为双曲面，P_i为-1时，曲面为椭圆，所述δ_i为+1时，曲面为凹面，δ_i为-1时，曲面为凸面；

所述基于波束模式展开理论和馈源辐射方向，对已确定的几何结构形式，求解满足系统静区性能要求的自由变量的初始值以及各个反射镜光心位置的初始坐标值的步骤，包括：

基于波束模式展开理论，分别得到三个反射镜的等效焦长与反射距离之间的关系，其中反射距离为：射线从入射侧焦点和反射侧焦点到反射面光心位置的距离；所述反射镜的等效焦长与反射距离之间的关系如下式：

其中，f₁、f₂、f₃分别为所述第一赋形副反射镜、第二赋形副反射镜和主反射镜的等效焦长；R_i、R_i’(i＝1,2,3)分别为射线从入射侧焦点和反射侧焦点到对应反射镜光心位置的距离；

基于所述馈源辐射方向，运用波束模式分析法，得第二交叉极化相消条件如下式：

R′₃＝∞

其中，σ1＝180-θ₀+α,σ3＝180-β,σ2＝σ3+α；L1为所述第一赋形副反射镜光心到第二赋形副反射镜光心的射线的长度，L2为所述第二赋形副反射镜光心到主反射镜光心的射线的长度；α为第一赋形副反射镜光心到第二赋形副反射镜光心的射线与水平方向的夹角；β为第二赋形副反射镜光心到主反射镜光心的射线与水平方向的夹角；

由所述三个反射镜的等效焦长与反射距离之间的关系，和第二交叉极化相消条件，求得满足系统静区性能要求的自由变量的初始值；

根据已确定的几何结构形式，基于几何原理求得各个反射镜光心位置的初始坐标值。