[发明专利]VICTS天线方向图和波束指向快速计算方法

摘要

本发明属于卫星通信天线技术领域，特别是涉及一种VICTS天线方向图和波束指向快速计算方法，首先，物理模型理论化，辐射缝隙等效为由离散化的磁流元组成的阵列；然后，建立动态坐标系，在CTS层转动条件下，X轴和Y轴动态选取，始终垂直和平行于辐射缝隙，坐标原点取在VICTS天线的旋转中心，在动态坐标系下建立VICTS天线的波束扫描理论模型；利用快速傅里叶变换实现波束扫描理论模型的快速计算。本发明基于动态坐标系，建立了VICTS天线的波束扫描理论模型，可以用来快速计算天线的波束指向和任意口径形状、任意幅度分布的VICTS天线的方向图。

主权项

1.一种VICTS天线方向图和波束指向快速计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，物理模型理论化，辐射缝隙等效为由离散化的磁流元组成的阵列，具体实现过程如下：定义X'轴正方向为准TEM波的传播方向，Y'轴方向为准TEM波的等相位面，X'OY'即为固定的参考坐标系；当馈电层和CTS层相对转动时，准TEM波的等相位面与辐射缝隙间存在相对转动角度γ；步骤2，动态坐标系的建立，在CTS层转动条件下，X轴和Y轴动态选取，始终垂直和平行于辐射缝隙，坐标原点取在VICTS天线的旋转中心；步骤3，在动态坐标系下建立VICTS天线的波束扫描理论模型，具体实现过程如下：步骤301，一般阵列模型的建立天线工作频率为f，天线的缝隙间距为d，在方向余弦空间进行天线方向图公式推导，方向余弦空间(u,v)定义为：u＝kd_xsinθcosφ,v＝kd_ysinθsinφ             (1)其中，k是波数，k＝2πf/c，c是真空中的光速，d_x,d_y分别为阵元在X、Y方向上的阵元间距，θ是天线波束扫描时偏离口径面法线方向的俯仰角，φ是天线波束的波束扫描方位角；在(u,v)方向余弦空间得到阵列天线阵因子s(u,v)模型为：a_mn＝|a_0mn|exp[‑j(mu₀+nv₀)]其中，是在动态坐标系下X/X'轴和Y/Y'轴方向上磁流元序号，a_mn是每个磁流元的激励复值，|a_0mn|是激励的幅度，u₀，v₀是相邻点源之间在X/X'、Y/Y'方向上初始相位差；步骤302，在动态坐标系下建立VICTS天线的波束扫描理论模型动态坐标系下阵元间距与γ无关，X方向上点源间距d_x＝d，网格密度由d_y决定，d_y等于半个工作波长；基于动态坐标系推导得到u₀，v₀如下：其中，ε_e为等效介电常数，将式(3)和式(4)代入式(2)得到VICTS天线方向图级数求和公式，为了能够实现基于任意口径形状VICTS天线方向图计算，在式(2)中增加形状因子w_m,n，其定义为：若在X方向上等效磁流元的最大离散点数为M＝2M′+1，Y方向为N＝2N′+1，则VICTS天线阵因子为：当忽略复杂的互耦和边缘效应，归一化的元因子F_e如式(7)所示，由此，根据方向图乘积定理，可以得到VICTS天线的方向图函数F(u,v)，如式(8)所示，其中S(u,v)是对式(6)的归一化；F(u,v)＝F_e(u,v)S(u,v).                  (8)上述推导是在动态坐标系下得到的，最终需要将式(8)投影在原有的X′OY′坐标系中，原坐标系下对应的方向余弦u′，v′函数可以由下式确定：步骤4，利用快速傅里叶变换实现波束扫描理论模型的快速计算，具体实现过程如下：采用快速傅里叶变换方法，对式(6)进行变换，实现VICTS天线波束指向的快速计算，已知IFFT2公式如下：其中，N_x,N_y分别为X、Y方向上的采样点数，取值为2^α，α为正整数，当M<N_x,N<N_y时，需对F(m,n)进行补零处理，p,q是空间采样点的序号；在使用IFFT2之前，首先对式(2)进行采样处理：(u_m,v_n)是对(u,v)的采样，u_m和v_n取值是关于零点对称的，这使得p和q不满足IFFT2的定义，故定义u_m′和v_n′如下：此时p′＝0,1,2,...N_x‑1,q′＝0,1,2,...N_y‑1，将式(12)代入式(11)中，同时综合考虑形状因子和激励幅度影响，通过IFFT2得到的任意口径面的VICTS天线方向图：考虑到傅里叶变换的周期性，通过IFFT2计算得到的实际方向图为：同样，通过式(14)得到的方向图需投影至X′OY′坐标系下，可利用式(9)实现u_m，v_n向u′，v′方向余弦空间的转换。