抛物面天线结构的优化设计
抛物面天线控制系统组成及软件单元设计探讨
抛物面天线控制系统组成及软件单元设计探讨一、引言抛物面天线是以发射或接收天线为抛物面为基础的一种天线类型，具有方向性好、收发性能优良等特点，常用于卫星通信、雷达系统、微波通信等领域中。
在现代通信领域中，抛物面天线被广泛应用，因此对其控制系统的设计和软件单元的开发显得尤为重要。
本文将从抛物面天线控制系统的组成和软件单元的设计两个方面进行探讨。
二、抛物面天线控制系统组成设计抛物面天线控制系统是由多个组成部分构成的，包括电机、控制器、驱动器、传感器等。
下面分别对这些部分进行具体分析：1.电机抛物面天线控制系统中电机拥有十分重要的作用，它可以控制天线的方向，将信号源准确地对准天线后进行传输。
传动电机一般采用步进电机或直流电机，其中直流电机又有刷式和无刷式之分，根据具体需求选取合适的电机作为驱动器。
2.控制器抛物面天线控制的核心部分是控制器，控制器可以根据外界传来的指令从而控制电机的转动方向和速度，以达到天线位置的准确控制。
在控制器的选型中，需要考虑控制器的功耗、精度、可靠性等因素。
3.驱动器驱动器是控制器与电机之间的桥梁，其主要作用是将控制器传送的指令转换成电信号，再通过控制电机的状态来实现精准的天线位置控制。
驱动器可以选用恒流型电路、恒压型电路等。
4.传感器控制器通过传感器从外界采集数据，使系统能够及时进行反馈控制。
常见的传感器有光电传感器、超声波传感器、磁电传感器等。
三、抛物面天线软件单元设计软件单元是抛物面天线控制系统中不可或缺的部分，它使系统更加智能化，实现自动控制、数值计算、数据存储与可视化等功能。
下面分别从软件架构、控制算法和用户界面三个方面进行分析：1.软件架构抛物面天线软件的架构一般可以分为三层，即底层硬件驱动层、中间控制层和上层用户界面层。
其中硬件驱动层主要是将硬件与软件进行接口连接；中间控制层主要是负责控制算法的实现与调用；用户界面层负责图形化界面的设计与实现。
2.控制算法抛物面天线控制系统的核心部分是控制算法，控制算法的好坏将直接影响整个系统的性能和稳定性。
大型可展构架式星载抛物面天线结构设计
第35卷第3期2001年5月浙 江 大 学 学 报 (工学版)Jour nal of Zhejiang Univer sity (Engineering Science)Vol.35№.3May 2001收稿日期:1999-07-05.基金项目:国家自然科学基金资助项目(69982009).作者简介:岳建如(1975-),男,山东临沂人,浙江大学博士,主要从事空间结构、空间可伸展结构的研究.大型可展构架式星载抛物面天线结构设计岳建如,关富玲,陈向阳(浙江大学土木工程学系,浙江杭州310027)摘 要:提出了一个利用伸缩杆驱动的六棱柱展开单元,和国内外已有的设计相比,该单元可动机构数较少,展开可靠度高,结构刚度好,且具有很广泛的几何适应性,能容易地构造复杂二维可展结构,具有广泛的应用前景.利用伸缩杆六棱柱单元,设计了一大型构架式切割抛物面天线,并简要介绍了天线的可展节点细部设计杆件分类统计.该天线的形面精度较高,质量轻,造价低.最后,对天线模型进行了结构分析,说明天线具有良好的刚度.关键词:可展天线;构架式;抛物面天线;六棱柱单元;对角伸缩杆中图分类号:T H122;TU35;V42 文献标识码:A 文章编号:1008-973X(2001)03-0238-06随着人类对宇宙探索的不断深入,超大型、高清晰度的卫星、空间站等航天器成为不可缺少的工具,由于受有效荷载仓的容积限制,世界各国相继发展了大量的大型可展航天结构,但我国对空间可展结构的研究尚处于起步阶段,有待更进一步的深入研究.本文利用拉伸弹簧构造了一个可展伸缩杆六棱柱单元,和国内外类似的可展结构单元相比,该单元在展开后所有展开机构均不需锁定,因而展开可靠度较高,且具有良好的几何适应性.利用该伸缩杆单元,文中设计了一个大型构架式星载抛物面天线,并详细地介绍了设计的各项技术参数,分析了可展天线的展开过程和结构的静力和动力特性,及结构参数的影响.结构分析表明这类构架式可展天线具有展开可靠性高,刚度好,形面精度高和造价低等显著优点.1 结构伸缩杆六棱柱单元结构分析如图1所示为利用弹簧伸缩杆驱动的一个四边形基本单元,周边的四根杆件是不可折叠,也不可收缩的,对角杆设计了弹簧,可以改变杆件长度.折叠状态时,结构成捆状,单元的构件相互平行.由于处于拉伸状态的弹簧收缩,引起结构的逐步展开,到达预定位置后,对角杆受弹簧外套管限制而不能继续收缩,锁定成为几何不变结构.在完全展开状态,结构杆件的尺寸限制了弦杆和竖杆的夹角.要使结构单元能完全折叠,需要满足以下几何相容条件:l 1+l 2=l 3+l 4.(1)单元对角杆在整个展开过程中长度的变化,即弹簧的伸缩量,可表示为$=l 1+l 2-l 21+l 22.(2)单元间的一维连接:当两个四边形单元并列连接形成一维结构时,可以有如图2所示的两种形式,设计平直的一维支架时,可以由一系列首尾相连的对角杆一起驱动结构展开或收纳,如图2(b)所示,此时,有较小的折叠体积.若对角杆平行布置,收纳时,将成一长条形结构,收纳效果不理想.上述一维单元的连接缺乏侧向稳定性,缺少实用价值,设计馈源支架或机械手等一维可展结构时,必须使用三棱柱或四棱柱单元来构造一维支架.正六棱柱单元:如图3为利用弹簧伸缩杆驱动形成的正六棱柱可展开单元,它由如图1所示的四边形基本单元组成.上下表面的12根杆件和6根竖杆及中心杆均是普通铰接构件,不可改变长度,6根斜腹杆是可伸缩的,且相交于一点.边上的细线表示索单元,需要提高结构的刚度时,可以用中间有扭簧可折叠杆件代替索单元.六棱柱单元可以认为由6个四边形单元和一些附加的索单元构成.完全收纳状态时,结构折叠成捆状,杆件紧密相依,由于处于拉伸状态的弹簧的收缩,驱动六棱柱单元展开.但完全收纳时,各杆件处于自平衡状态,需要外加扰动荷载来保证结构的顺利展开.图1 一维自适应结构图 图2 一维连接Fig .1 Th e structur al figure of one dimensional module Fig .2 T he connected figur e of t he modules图3 正六棱柱单元Fig .3 The hexahedr al module图4 模型布置图F ig .4 T he arr angement of the modules 利用图3所示的六棱柱单元可以方便地形成各种二维可展结构,图4所示为一种典型的模型布置俯视图,每根粗线代表一个伸缩杆四边形单元,虚线表示索单元,中心圆表示6根伸缩杆相交的节点.相邻单元采用同一根索.一个六边形虚框内有6根实线相交于一小圆,代表了图3所示的一个六棱柱可展单元.由于节点设计采用柱饺式,保证杆件绕着接头只能在所限定的一个面内转动,单元如图4布置形成结构后,根据体系分析理论,索单元不是维持结构几何不变的必要构件,但它们可以很好的提高结构的刚度.在支承点附近,利用可折叠杆件代替索单元,能得到较合理的结构.利用六棱柱单元形成的结构,具有适应性广的优点,能方便地设计成各种复杂曲面,其中最吸引人的用途是形成大型构架式可展抛物面天线,此时,上表面构成抛物面天线的反射面.空间可展结构要求有高收纳率,能折叠成较小的体积从而可将大型航天器置于有效载荷仓中;质量轻,可降低发射成本;展开可靠度高,尽可能地降低发射风险;实用性广,可用于构造复杂可展结构,并保证所形成结构的形面精度;刚度较高,能避开姿态控制的频率段.机构数:保证较高的展开可靠度,要减少可展结构机构数,特别是完全展开后需要锁定的机构,因为较少的机构意味着较轻的质量,机构的重量往往占整个展开结构质量的很大一部分.六棱柱单元的节点设计保证杆件只能在一个面内转动,因而相邻的四边形单元的弦杆在整个展开过程中一直保持60°角,这样就有效地减少了可动机构数,便于设计,且有效地提高了展开的可靠度.一个六棱柱单元共含6根伸缩杆,没有其它可动机构,完全展开后,不需锁定,因而具有很高的展开可靠度.但设计锁定装置后,能提高结构的刚度和展开重复精度.而索单元(或折叠杆)虽是柔性构件,由于不是必要构件,不影响展开可靠性.文献[1]提出的另一种六棱柱展开单元Hexapod 利用套筒作为可动结构,具有较少的机构数,但设计适应性较差,设计成抛物面时,节点复杂,且套筒滑动容易卡死,将无法二次展开.文献[4]提出的Packtruss 也是一种较有名的六棱柱展开单元,其它可用于构造二维可展结构的非六棱柱单元主要有VLD 和SHDF truss [3],各模型的具体机构数以及与本文所提出的可展单元的比较如表1所示.239 第3期岳建如,等:大型可展构架式星载抛物面天线结构设计表1 各种展开单元比较T ab.1T he contr ast of the deployable modules单 元需锁定机构数不需锁定机构数收纳率Hexapod A 360.0781Packtr uss 1200.0625VLD 1200.0625SHDF 1500.0625本文单元60.0625图5 四边形单元完全收拢示意图Fig.5 F igure of thequadrilat eral module in fully st owed stat e 收纳率是可展结构的一个基本特点,可以定义为结构完全展开体积和完全收纳体积的比值.为简单起见,研究正六棱柱单元的收纳率,并假设单元的所有刚性杆件的管径为d ,六棱柱的边长为l ,展开后,六棱柱单元的高度为h ,完全折叠的六棱柱单元示意图如图5所示,六棱柱的平面投影面积减少约(4.0d /l )2倍,高度则从原来的h 变为l +h ,因而伸缩杆六棱柱单元的收纳率为l 2h(4.0d )2(l +h )=0.0625l 2h d 2(l +h ).(3)这表明,一个口径为20m 的天线,若厚度为50cm,单元杆长67cm,管径15mm ,发射时,能折叠成一直径约180cm ,高117cm 的体积而置于有效荷载仓中.式(3)右端的值越大,说明单元的收纳率越高.从式(3)还能知道,收纳率和杆件管径密切相关,若能采用更细的构件,收纳体积会显著减小.其它几种展开单元的收纳率也可类似求得,各单元收纳率的系数如表1所示,说明各种展开单元的收纳率大体同.设计适应性:这种伸缩杆六棱柱单元虽然机构数很少,但具有很广的适用性,能方便的形成各种复杂结构.一般而言,可动机构数较少,会有较多的几何约束条件,适应性较差,通常形成平面结构不成问题,但难以设计成复杂的结构.因而设计复杂的二维展开结构时,需要认真分析六棱柱单元的几何约束问题.如图3所示,六棱柱单元的可折叠的充分必要条件为l ii +l i 7′=l i 7+l 77′,i =1,2, (6)(4)其中上下表面各点可能要求位于某确定曲面上.若各单元的下表面是由上表面竖直向下平移一定距离而成,则有l i 7=l i ′7′,l ii ′=l 77′,i =1,2, (6)(5)则单元的可折叠条件自然满足,使复杂结构的几何设计非常简单,杆长不需利用几何约束条件迭代求解,没有因为折叠约束条件而引入的数值误差.可展结构的基本单元相互连接形成二维结构时,单元之间往往需要满足一定几何关系,如常见的剪式单元,但本文设计的伸缩杆六棱柱单元,相邻的展开单元之间没有必要的几何约束,因而可以方便地形成复杂的空间折叠结构.2 可展抛物面天线几何分析和节点设计根据上述分析,设计了一个5.0m ×2.88m 的切割抛物面天线,焦距为4.0m,天线设计需要满足的条件有:¹可折叠几何约束条件;º上表面(反射面)位于给定的抛物面上;»保证结构具有一定的刚度;¼较轻的质量;½造价较低廉,尽量使节点和杆件的类型统一.其中前两个条件必须严格满足,后两个条件是设计的优化指标,不一定严格满足,第三个条件主要和结构的厚度及约束条件相关.天线的平面网格划分如图6所示,并由此确定节点的平面坐标,虚线代表索单元.对平面点作抛物面抬升,使其满足条件º,即z j -12f(x 2j +y 2j )=0,(6)式(6)中,f 为抛物面的焦距.背架的下表面可由上表面竖直向下平移求得,即240浙 江 大 学 学 报(工学版) 2001年 z j -12f (x 2j +y 2j )+h =0,(7)式(7)中,h 为上下表面的竖直距离,由结构的刚度要求确定,h 大,则结构刚度较好,但质量会有所增加.所形成的抛物面天线中间厚,四周略薄,是综合考虑条件式(3)、(4)后较合理的结构.天线的杆件长度相互相差不大,能较好地满足质量条件.由于天线保持了较高的对称性,因而杆件的种类较少,所需制造模具数量也少,从而减少了制造成本;节点的造价在整个结构中占了很大比例,本模型的弦杆在整个展开过程之中始终相互保持60°的夹角,因此设计简单,种类较统一,只需两类节点,使天线制造费用较低.在展开和收纳两种状态及展开过程中,相邻弦杆间角度一直保持60°,任何时候各单元的平面投影为六边形,只是投影尺寸有所变化.折叠时,杆件紧密相依.图7是天线完全展开时的透视图,为表示简洁,已略去索单元.图6 抛物面天线的网格划分Fig.6 Th e arr angemen t of the parabolic an tenna图7 抛物面天线透视图Fig.7 T he perspective figu re of the parab o lic antenna 天线的节点设计:展开结构的节点设计关系到可展结构的展开可靠度和展开重复精度,是可展结构设计的重要一环.同时可展结构的节点又和结构自重及造价相关,为降低自重,要求节点尺寸尽可能小,为降低造价,应使节点种类较统一.六棱柱单元的节点连接了6个方向的杆件,且需要保证杆件绕着节点在一个面内转动.天线只采用两类节点,如图8所示,图8(b)为连接有对角杆的节点,图8(a)则未和对角杆相连,两类节点共有97个.上下表面弦杆和竖杆均采用6.4mm(直径)×0.5mm (壁厚)的CFRP 管,对角杆的构造如图9所示,其中粗杆为8.0mm (直径)×0.8mm (壁厚),细杆为6.4mm (直径)×0.5mm (壁厚).表2对天线模型的杆件材料进行了统计.表中,X 表示弦杆,S 表示竖杆,D 表示对角杆,数字表示杆长的分类,其中对角杆的长度为完全展开时的长度,各杆件长度考虑了节点尺寸的影响.从表2中可以看出,虽然抛物面天线的几何很复杂,但按照本文的方法设计的模型杆件种类仍旧很少.表2 杆件种类统计表Tab .2 The table of the kinds of the r ods杆件编号长度/mm 数量杆件编号长度/mm 数量杆件编号长度/m m 数量X1359.3676X7398.5032D5440.222X2361.3164X8419.248D6628.1838X 3374.7560D 1738.8222D 7480.9616X4389.5444D2526.5730D8796.364X5369.0556D3575.9432S 1491.0097X 6430.924D 4682.6428总计-613图8 节点示意图Fig .8 T he figur e of the joints in t he module 图9 对角杆F ig .9 The diagonal member241 第3期岳建如,等:大型可展构架式星载抛物面天线结构设计3 天线模型的结构分析天线上下表面的弦杆、竖杆和节点间采用销钉连接,可以采用普通的铰接杆单元计算.铰接点分别位于节点的6个伸出臂上,实际计算时,将它们等效为一个铰接点.若对角杆未设计锁定装置,其刚度可以近似为弹簧刚度,且根据能量相等的原则将其等代为普通杆单元,等代杆件面积为A =kl E,(8)式(8)中,k 为两根弹簧的串联刚度系数,E 和l 分别为等代杆单元的弹性模量和长度.对角杆若设计了锁定装置,则可以认为由三段不等截面的梁单元组成,如图9所示,根据能量相等的原则,也可以将其等代为一根杆单元,等代杆件面积为A =A 1A 2l2A 2l 1+A 1l 2,(9)图10 模型展开状态模态实验图Fig.10 T he mode exper iment ofpar t of t he ant enna module式(9)中,A 1,A 2分别为粗杆和细杆的截面积,l 1为细杆在锁定装置间的有效长度,l 为等代杆件长度.当天线含索单元时,为使索单元绷紧,必须施加一定预应力,但因为预拉力的值不大,计算时忽略了预应力对结构模态的影响.最中间的四个下弦节点和星体相连,可以近似为简支约束.计算时,忽略了星体运动对结构的影响.为了检验模态计算时建模的正确性,对一部分结构做了模态实验,模型的口径为1.714m.单独测试Z 方向模态,实验结果如下:模型在实验时的收拢和展开照片见图10,前三阶振型图如图11、图12、图13.图11 一阶振型图(f 1=12.58Hz)F ig .11 T he first mode of the str uctur e图12 二阶振型图(f 2=12.58Hz)Fig .12 T he second mode of the structure图13 三阶振型图(f 3=15.29Hz )F ig.13 The third mode of t he str uctur e 模型自振频率测试结果见表3,表4给出了通过有限元分析计算所得的测试模型的前10阶频率,由表3和表4可知,理论上所建立的模型基本上是符合实际的,但是有限元分析时的频率比较集中,由此对上述整个天线进行有限元分析.天线在完全展开状态处于非锁住状态时,预应力索直径为1.0mm ,所有材料采用铝合金,整个结构总体上按桁架计算.结构的前10阶振型表如表5.分析表明,天线具有良好的动力性能,在星体的振动所引起的强迫振动的条件下一般不会发生共振现象.在具体设计时,需要综合考虑卫星各部件的频率,使得结构的整体频率控制在一定范围内,防止共振现象的发生.表3 部分天线结构自振频率表(实验)Ta b.3 T he frequency of the pa rabolic antennaHz 振 型12345678910242浙 江 大 学 学 报(工学版) 2001年 进行有限元分析时所得到的结果:表4 部分天线结构自振频率表(有限元分析)Ta b .4 T he frequency of the pa rabolic antennaHz振 型12345678910频 率12.5812.5815.2925.3325.9725.9730.3530.3531.5234.24表5 整个天线结构自振频率表(有限元分析)Ta b .5 T he frequency of the pa rabolic antennaHz振 型12345678910频 率3.374.947.077.7511.5311.9212.4814.2914.8416.234 结 论(1)本文提出了一个利用伸缩杆驱动的六棱柱展开单元,该单元展开后不需要锁定的机构,因此展开可靠度高,且结构刚度好,具有很广泛的适应性,能容易地构造复杂二维可展结构.(2)利用伸缩杆六棱柱单元,设计了一大型构架式切割抛物面天线,该天线的形面精度较高,质量轻,造价低,满足了可展结构设计的基本要求.对天线模型进行了结构分析,并对部分模型进行了实验分析,结果与理论计算基本吻合.表明天线具有很好的刚度.参考文献:[1] Junjir o Onoda ,Fu Dan -ying ,Kenji Minesugi .T wo -dimensional deployable hexapod truss [J ].J Spacecr aftand Rockets ,1996,33(3):416-421.[2] Hir oshi F ur uya ,Kenichi Higashiyama.Dynamics of closed linked variable geomet ry tr uss manipula tor s[J].Acta Astronaut ica,1995,36(5):251-259.[3] OnodaJ .Two -dimensionally deploya ble tr uss str uct ur es for space applicat ion [J ].J Spacecraft and R ockets ,1988,25(2):109-116.[5] Hedgepeth J M,Miller R K.Str 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ds :deployable antenna;truss structure;par abolic antenna;hexahedral module;diagonal extensible member243 第3期岳建如,等:大型可展构架式星载抛物面天线结构设计。
抛物面天线控制系统组成及软件单元设计探讨的研究报告
抛物面天线控制系统组成及软件单元设计探讨的研究报告抛物面天线控制系统是一种用于控制和管理太阳能发电设施的高效和随动控制系统。
它由几个不同的系统构成，包括抛物面天线传感器，控制电路，工作站，可编程控制器，数据库，远程控制服务器和人机界面软件等。
本研究将重点关注抛物面天线控制系统中的软件单元设计，详细讨论其组成、功能和软件开发技术。
首先，抛物面天线控制系统中的控制电路包括多级电源、检测和采样电路、控制电路、转换和保护电路以及智能控制器等组成。
此外，抛物面天线传感器用于实时监测太阳能发电设备的性能，并根据实时检测的性能参数来进行控制。
工作站是实现人机交互的主要部件之一，是连接控制电路和数据库的中心通道。
另外，远程控制服务器系统用于实现远程监控和控制，并与数据库交换信息。
进一步地，抛物面天线控制系统的软件部分包括人机界面软件、智能控制器软件以及远程控制服务器软件等。
其中，人机界面软件是控制系统的重要组成部分，用于显示和调节控制变量，监控和管理整个系统，并实现人机交互。
智能控制器软件则用于实现自适应控制算法，实时监测太阳能发电设施的性能并根据检测到的参数调整控制变量。
最后，远程控制服务器软件负责实现远程监控和控制功能，并与数据库交换参数和状态信息。
总之，抛物面天线控制系统是一种高效的控制系统，其软件部分由人机界面软件、智能控制器软件和远程控制服务器软件组成。
软件的设计必须考虑到安全性、可靠性和效率等问题。
通过系统的智能控制和可靠性监控，可以有效地调整太阳能发电设施的组合比例，提高控制效果，减少能源消耗。
抛物面天线控制系统的重要性不言而喻，它可以有效地实现对太阳能发电设施的控制。
因此，有必要对该系统的实际运行数据进行分析，以了解其效果，并基于分析结果来改善系统性能。
首先，应考虑太阳能发电设施的性能数据，包括太阳能发电量、日平均功率、抛物面天线控制系统的太阳能发电量占整体太阳能发电量的比例、控制变量调整后的太阳能发电量、控制器调整前后的太阳能发电量占整体太阳能发电量比例等。
微波通信技术与抛物面天线设计
微波通信技术与抛物面天线设计微波通信技术是一种通过微波频段进行通信的技术，由于其具有传输速度快、带宽大等优点，因此在现代通信领域得到了广泛的应用。
而抛物面天线作为微波通信系统中的重要组成部分，也在不断地进行设计和优化，以满足不同应用领域的需求。
本文将从微波通信技术的基本原理入手，介绍微波通信技术及其在抛物面天线设计中的应用。
一、微波通信技术的基本原理微波通信技术是一种利用微波频段进行信号传输的通信技术。
微波通信系统一般由发射端、传输介质和接收端三部分组成。
发射端主要是将信号转换成微波信号并传输出去，传输介质主要是微波在空气或其他介质中的传播，接收端则是将微波信号转换成可读的信号。
微波通信技术由于其传输速度快、带宽大、抗干扰能力强等特点，被广泛应用于通信、雷达、卫星通信等领域。
二、抛物面天线的设计原理抛物面天线是一种采用抛物面形状的反射器来聚焦微波信号的天线，其结构简单、性能稳定，因此被广泛应用于微波通信系统中。
抛物面天线的设计原理主要包括反射器的设计和馈源的设计两部分。
1. 反射器的设计抛物面天线的主要部分是其抛物面形状的反射器，其作用是将发射出的微波信号聚焦到馈源上，或将接收的微波信号聚焦到接收器上。
在抛物面天线的设计中，反射器的曲率半径、口径和形状等参数需要根据通信频率和工作波段来进行精确计算和设计，以保证天线的性能达到最佳状态。
2. 馈源的设计三、抛物面天线在微波通信系统中的应用1. 通信在微波通信系统中，抛物面天线常被用于实现长距离、高速率的数据传输。
由于其具有高增益、窄波束等特点，能够提高信号的传输距离和质量，因此在微波通信系统中得到了广泛的应用。
在卫星通信系统中，地面站和卫星之间的通信往往采用抛物面天线进行，以提高信号的传输距离和质量。
2. 雷达。
基于偏置抛物面天线结构设计方法的研究
Figure 2. Conventional interception paraboloid three-dimensional map 图 2. 常规方式截取抛物面三维图
a=
= b
D 2
2
(2-3)
x D 1+ 0 2 2f
(2-4)
2.2. 最大有效面积切割抛物面
如图 3 根据常规的抛物面设计方法，用直径为 D 的圆柱切割抛物面，圆柱在 xoy 平面的投影为圆， 其面积为
1 0 T = 0 0 0 0 dx 1 0 dy 0 1 dz 0 0 1
(3-1)
其中 d x ，d y 和 d z 是纯平移向量 d 相对于参考坐标系各对应坐标轴的分量。 纯平移坐标系变换后的矩阵表 达式为：
1 0 = 0 0 0 0 Px nx 1 0 Py × ny 0 1 Pz nz 0 0 1 0 ox oy oz 0 ax ay az 0 Px nx n Py = y nz Pz 1 0 ox oy oz 0 ax ay az 0 Px + d x Py + d y P + dz 1
摘
要
偏置抛物面天线避免了馈源的遮挡损耗，使得天线效率提高，同时也具有结构简单的优点，在现代卫星
31
基于偏置抛物面天线结构设计方法的研究
通信地面固定站中广泛使用。 本文提出一种偏置抛物面天线结构设计的方法， 与传统的设计方法相比较， 在限定的物理尺寸下，能够保证天线具有最大的有效面积。本文还将对截取的抛物面进行坐标系变换的 推导求解。
关键词
偏置抛物面天线，有效面积，坐标系变换
1. 引言
抛物面天线的辐射方向具有高定向性，被广泛的应用于卫星通信和地面远距离通信中。目前馈源性 能的优化使前馈抛物面天线性能较过去有显著提高，但馈源及其支杆遮挡带来的旁瓣上升和输入电压驻 波比过高的问题没有改善，且收发单元装在馈源后面，又带来了结构支撑问题。偏置抛物面天线能够避 免抛物面的反射引起的馈源喇叭驻波特性恶化以及馈源系统和支撑结构的阻挡引起的增益下降等问题。 偏置抛物面天线是相对于正馈抛物面天线而言的，正馈抛物面天线为中心聚焦的抛物面天线，正馈抛物 面天线为反射面盘面为正圆，馈源位于天线抛物面的焦点，偏置抛物面天线的馈源安装位置不再与天线 中心切面垂直且过天线中心的直线上，故不会存在所谓的馈源阴影的影响，在天线面积、加工精度以及 接受频率相同的前提下， 偏置抛物面天线的增益大于正馈抛物面天线[1]-[3]。 由于偏置抛物面天线馈源的 定位方式即其相位中心必须严格与偏置天线的焦距保持一致且必须对准，常规抛物面天线的最大辐射值 落在椭圆形反射面的几何中心，不能够精准的定位馈源，导致了偏置抛物面天线的效率和增益的降低。 本文提出一种偏置抛物面天线结构设计的方法，在限定的物理尺寸下，保证天线具有最大的有效面积， 使得天线的增益等性能有了一定的提高。本文还将对截取的抛物面进行坐标系变换的推导求解。
抛物面天线的工作原理
抛物面天线的工作原理标题：抛物面天线的工作原理引言概述：抛物面天线是一种常用于通信领域的天线类型，其特殊的设计结构使其具有优异的性能。
本文将从抛物面天线的工作原理出发，详细介绍其工作原理及优势。
一、焦点集中性1.1 抛物面天线的设计原理是利用抛物面的几何特性，将来自无线信号源的信号聚焦在抛物面的焦点处。
1.2 抛物面的曲率使得信号在反射时能够聚焦在一个点上，从而提高信号的接收效率。
1.3 通过调整抛物面的曲率和直径，可以实现不同频率的信号的聚焦，从而实现多频段的通信。
二、辐射方向性2.1 抛物面天线的设计使得其具有较强的辐射方向性，能够将信号沿着特定的方向传输。
2.2 通过调整抛物面的曲率和直径，可以实现不同辐射方向的调节，从而满足不同通信需求。
2.3 抛物面天线的辐射方向性能使其在长距离通信和定向通信中具有重要的应用价值。
三、抗干扰能力3.1 抛物面天线的设计使其具有较强的抗干扰能力，能够有效抵御周围环境的干扰信号。
3.2 抛物面天线在接收信号时能够将干扰信号滤除，保证接收到的信号质量。
3.3 通过优化抛物面天线的设计参数，可以进一步提高其抗干扰能力，确保通信质量稳定。
四、波束调节4.1 抛物面天线在通信中可以通过调节波束的方向和宽度，实现信号的定向传输。
4.2 通过控制抛物面天线的波束调节器，可以实现不同通信需求下的波束调节。
4.3 抛物面天线的波束调节功能使其在无线通信系统中具有灵便性和可调节性。
五、应用领域5.1 抛物面天线广泛应用于卫星通信、雷达系统、挪移通信等领域。
5.2 在卫星通信中，抛物面天线能够实现长距离通信和高速数据传输。
5.3 在雷达系统中，抛物面天线能够实现目标的高精度探测和跟踪。
结论：抛物面天线作为一种重要的通信天线类型，具有焦点集中性、辐射方向性、抗干扰能力、波束调节等优势，广泛应用于各种通信领域。
深入理解抛物面天线的工作原理，有助于更好地应用和优化其性能，推动通信技术的发展。
微波通信技术与抛物面天线设计
微波通信技术与抛物面天线设计一、微波通信技术的基本原理微波通信是利用微波进行信息传输的通信技术，通常指的是在30MHz至100GHz频段内进行的通信。
微波通信技术具有传输速度快、抗干扰能力强、传输距离远等优点，因此被广泛应用于卫星通信、无线通信、雷达系统等领域。
微波通信技术基于电磁波的传输原理，其中电磁波是由电场和磁场相互作用而产生的一种波动。
在微波通信中，微波信号被发送器发射出来，经过天线发射出去，经过空间传播后，再被接收天线接收回来，最终经过接收器处理成电信号。
而天线作为微波通信系统中负责发送和接收信号的设备，其设计质量直接影响了通信系统的性能。
二、抛物面天线的设计原理抛物面天线是一种由抛物面所形成的反射面天线，其具有较高的增益和指向性。
其设计原理是利用抛物面的反射特性，将来自馈源的微波信号汇聚到抛物面的焦点处，再由天线馈源将信号发送或接收，从而实现较远距离的通信。
抛物面天线的主要特点包括：1. 高增益：抛物面天线的反射面设计使得其具有较高的增益，可以增强信号的发送和接收能力。
2. 窄波束宽度：抛物面天线的设计使得其具有较强的指向性，能够集中信号发送或接收的方向，减小了由外部干扰引起的信号干扰。
3. 抗干扰能力强：抛物面天线能够减小环境干扰对信号的影响，保障通信质量。
抛物面天线的设计原理为微波通信提供了重要的技术支持，使得微波通信系统具有了更高的性能和可靠性。
抛物面天线的设计优势主要体现在以下几个方面：4. 构造简单：抛物面天线的结构相对简单，易于制造和安装，成本较低。
通过以上分析，可以看出抛物面天线的设计优势使得其成为微波通信技术中的重要组成部分，被广泛应用于卫星通信、雷达系统、无线通信等领域。
四、抛物面天线的应用前景随着通信技术的不断发展，抛物面天线在微波通信领域的应用前景较为广阔。
具体表现在以下几个方面：1. 卫星通信：抛物面天线的高增益和指向性使得其在卫星通信中具有重要作用，能够实现卫星和地面站之间的可靠通信。
天线原理与设计—第八章抛物面天线
8.2 卡塞格伦天线
8.2 卡塞格伦天线
双曲面的性质：
（1）双曲线上任一点N到两个焦点的距离之差等于 常数 （2）点源由双曲线的实焦点F向另一条双曲线照射， 不同点的反射线反向延长时，都相交于虚焦点F’。 因此，反射线犹如从位于F’点的点源所辐射出来。
8.2 卡塞格伦天线
8.2 卡塞格伦天线
卡塞格伦天线的优点
提高了口面利用系数 结构紧凑，馈电方便
缩短天线的纵向尺寸
匹配好 比抛物面天线略高的效率
习题
简述旋转抛物面天线和卡塞格伦天线的原 理，比较异同处，并作出评述。
馈源产生弱方向性的球面波，经抛物面反射面后 变成方向性尖锐的平面波。
8.1 旋转抛物面天线
8.1 旋转抛物面天线 抛物面在直角坐标系的几何关系
在极坐标系中： 旋转抛物面具有两个主要的几何特性： 1）由焦点F出发的射线经抛物面反射后，反射线 平行于z轴，形成一束平行线。反之，当平行线 经抛物面反射后，全都会聚焦在焦点F。 2）由焦点F发出并经抛物面反射的各条线到达口 径面（或垂直于z轴的任一平面）所走的路程相 等。这一路程为： 3）意味着焦点F发出的球面波反射后成为平面波。
图a:1-抛物面；2-同轴线；3-对称振子；4-反射圆 盘；5-短路塞；6-λ/4阻抗变换器；7-λ/4扼流套； 方向图近似为： 图b是一种宽带馈源。馈源的相位中心位于振子和 反射面之间，略靠近反射面。
8.1 旋转抛物面天线
波导馈电的振子型馈源
8.1 旋转抛物面天线
喇叭馈源
8.1 旋转抛物面天线
8.1 旋转抛物面天线
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（ 中 国电子科 技集 团公 司第 三 十九研 究所 ， 陕西 西 安 ７ １ ０ ０ ６ ５ ）
摘
要： 为 了进一步提 高天线反射 面的表面精度 ， 本文采用数学规划法， 建立 了抛物面天线 中心体和背
架结构优化设计的数学模型， 并将 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ 软件和数 学规 划法相结合， 以重量为 目 标 函数对抛物 面天线 中心体和 背 架结 构进 行优 化设 计 ， 大 大提 高 了天 线反 射 面的表 面精 度 。 本 文 的研 究 结果 对提 高 天线 结 构设计的效果， 改进天线的性能有一定的作用。 关键词 ： 数 学规 划法； 优化设计 ； 表面精度 ； 天线背架结构 中 图分类 号 ： Ｔ Ｎ ８ ２ 文 献标 识码 ： Ａ 文 章编 号 ： １ ０ ０ ８ — ５ ３ ０ ０ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ — ０ ０ ２ ３ — ０ ４
ｒ ｅ ｃ ｔ ｌ ｙ ｔ ｒ ｅ ａ ｔ ｅ ｄ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｂ ｊ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ，ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ｔ ｅ ｎ ｎ ａ ｒ ｅ ｌ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｉ ｓ ｉ ｍ ｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ
第２ ９卷第 １ 期
２ ０ １ ３年 ２月
电 子 机 械 工 程
Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ － Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅｎ ｇ ｉ Ｎｏ ． １ Ｆ ｅ ｂ ． ２ ０１ ３
抛 物面天线结构 的优化设计
徐 曙斌 ， 陈庚 超
引 言
工程结构优化设计… 是近代 数学规划法 和 电子 计算机相结合的产物 ， 其实质是在给定 的外载及环境 条件下 ， 在结构性态 、 几何关系或其他 因素的限定范围
内， 选取 合适 的设 计 参 数 ， 通过优化设计方法 ， 使 目标
量 为目 标函 数 对 抛物 面 天 线 结 构进 行 优 化 设 计。
１ 天线 结构优化理论和数学模型
１ ． １ 天线 结构 优化 理论 和数 学描 述
优化设计理论主要有数学规划法 、 准则法、 遗传算
法 等 。本 文 对 天 线 结 构 的 优 化 设 计 采 用 数 学 规 划 法 Ｊ ， 它可将 非线 性 函数 通 过 一定 方 法 转 化 为标 准 的 单 纯 形法 和修 改单 纯形 法 ， 从 一个 初始 可行解 出发 ， 以 高 效率 搜索 到最 优 解 。 因为 理 论基 础牢 固 ， 该 方 法 是 解 决工 程 优 化 问题 的 常用 方 法 。数 学 规 划 法 Ｊ 一 般 可 描述 为从 初始 点 “ ’ 出发 ， 根 据结 构分 析 的结 果 ， 按 照 某种 方式 构造 下一 个 迭 代 步 ： 一 是 确定 使 目标 函数