一種Ku波段帽型組合饋源設(shè)計分析

孫立杰，張文靜，杜 彪，董忠文

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊 050081;2.中國人民解放軍66440部隊，河北石家莊 050081)

0 引言

由于環(huán)焦天線焦點(diǎn)為環(huán)，因此對支撐副面的支桿來說，會更靠近焦點(diǎn)，這必將導(dǎo)致支桿所形成的球面遮擋較大。當(dāng)主面口徑尺寸要求二三十個波長甚至更小時，副面尺寸需相應(yīng)縮小，此時伴隨而來的副面邊緣繞射會相當(dāng)嚴(yán)重。因此針對甚小口徑的衛(wèi)星通信天線的需求，一種新型的饋源形式——帽型組合饋源應(yīng)運(yùn)而生。

帽型饋源天線的概念首先是在1986年由挪威人Per-Simon Kildal提出來的。帽型輻射體最初的模型是由濺散板天線演化而來的［1］。

這種饋源的反射板較小，輻射方向圖波束很寬，適用于小焦徑比的反射面天線，使得結(jié)構(gòu)緊湊;除此之外，這種天線饋電波導(dǎo)和副反射面直接由介質(zhì)相連，因此可以自支撐副反射面，消除支桿遮擋，降低近軸旁瓣，提高天線效率。

文獻(xiàn)［2］和文獻(xiàn)［3］給出了幾種帽型天線的典型設(shè)計。然而，由于以往天線普遍采用波紋開槽的反射板作為副面而且波導(dǎo)環(huán)形輻射口較小，致使天線駐波特性受限，工作帶寬一直得不到有效改善。

這里針對船載小口徑衛(wèi)星通信天線應(yīng)用需求，在保證駐波特性的前提下，討論一種新型帽型天線的設(shè)計思路。

1 設(shè)計方案

該類饋源的結(jié)構(gòu)一般是由饋電波導(dǎo)、平板徑向輻射波導(dǎo)和副反射面構(gòu)成。饋源的饋電選擇的是利用圓波導(dǎo)TE11模單模工作的圓波導(dǎo)饋電。平板波導(dǎo)由副反射板和圓波導(dǎo)的徑向輻射部分構(gòu)成，中間用介質(zhì)連接，介質(zhì)環(huán)的介電常數(shù)選為2.1。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 組合饋源數(shù)學(xué)模型

國外該類相關(guān)饋源一般選擇的副面結(jié)構(gòu)多為波紋剖面，為了改善了波紋面帶來的帶寬限制，降低加工難度，副反射面的選取拋棄了以往波紋開槽的模式，采用階梯式結(jié)構(gòu)。

另外，為了盡可能提高天線輻射效率，波導(dǎo)外壁選擇了開橫向波紋槽［4］的結(jié)構(gòu)，通過對槽深的控制，可以有效地抑制電磁波沿波導(dǎo)外表面輻射，使得波束展寬，提高輻射效率。

由理論分析和綜合優(yōu)化給出的組合饋源主要參數(shù)數(shù)據(jù)為:副面直徑D=71 mm;介質(zhì)環(huán)長度δ=16.4 mm;介質(zhì)環(huán)厚度t=1.8 mm。

組合饋源的設(shè)計工作頻率為雙頻帶，其中低端接收頻率為12.25～12.75 GHz、高端發(fā)射頻率為14～14.5 GHz。工作頻帶內(nèi)駐波特性需優(yōu)于1.5∶1。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 徑向平板波導(dǎo)內(nèi)的模式分析

饋源激勵部分簡化模型如圖2所示。

圖2 圓波導(dǎo)與平板波導(dǎo)轉(zhuǎn)接頭簡視圖

當(dāng)饋源為Y向線極化工作時，平板波導(dǎo)內(nèi)波函數(shù)可以寫成如下形式:

由此可以看出，若圓波導(dǎo)由主模激勵，由于TE11模電磁場表達(dá)式中φ變量為一階，因此徑向波導(dǎo)里不能存在更高階φ變量，因此n=1，而忽略更高次模的影響徑向波導(dǎo)里就只存在TM01、TM11和TE113 種模式［7］。

2.2 環(huán)形端口輻射場的計算方法

饋源方向圖至關(guān)重要，它直接影響著天線的電氣性能，還是雙鏡反射面天線賦形的依據(jù)，因此饋源方向圖的準(zhǔn)確計算關(guān)系到實(shí)際所得的天線口面場分布是否與預(yù)期相同。傳統(tǒng)的饋源輻射場計算方法主要為朱蘭成公式法，但是該法僅僅適用于副面處于饋源的遠(yuǎn)區(qū)和菲涅耳區(qū)，顯然不適合該組合饋源環(huán)形口輻射場的求解。文獻(xiàn)［5］中還用幾何繞射理論求解了同軸多模饋源輻射場，其思路主要是利用幾何繞射理論求出投射到離饋源口面距離約3λ的無限大平面上的場，以此為二次輻射源求取輻射場。由于副反射板的限制，該方法同樣不適用于該組合饋源。另外球面波展開法也是計算饋源輻射場行之有效的方法，但是這種方法需要求取球面波系數(shù)，相對來說更加復(fù)雜。因此，為了計算饋源的輻射場，下面介紹一種新的求解思路。

對于圓波導(dǎo)與徑向波導(dǎo)接口可通過模式匹配法進(jìn)行分析求解［6］，從而可得環(huán)形輻射口的口面場表達(dá)式如下:

式中，V是與模式有關(guān)的參數(shù)。

空間任意電磁場均可寫成:

由于半空間內(nèi)亥姆霍茲方程的特征值有著連續(xù)譜，因此由傅里葉變換［7］可以得到空間的電矢位和磁矢位表達(dá)式如下:

利用電磁矢位函數(shù)值可以求得用fn(w)和gn(w)表示的空間電磁場，另外有饋電波導(dǎo)外壁上的電磁場與空間的電磁場必須匹配［8］，從而必須滿足:

式中，Ei，Hi為外壁感應(yīng)場;a為環(huán)形輻射端口直徑;ηz和ηφ為波導(dǎo)外壁為各向異性時的表面阻抗。

從而由式(7)和波導(dǎo)壁邊界條件確定的式(8)便可求得 fn(w)和 gn(w)，將其帶入遠(yuǎn)場表達(dá)式(9)即可得遠(yuǎn)場輻射結(jié)果:

2.3 環(huán)形口面與半空間匹配的分析

為了提高輻射效率，降低天線的交叉極化，饋源輻射方向圖需要盡可能旋轉(zhuǎn)對稱。饋電波導(dǎo)內(nèi)傳播模式的幅度系數(shù)在到達(dá)環(huán)形輻射口面時需要有一個合適的比例關(guān)系。由對圓波導(dǎo)和徑向波導(dǎo)接頭進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)綜合的過程來看，影響口面模式幅度系數(shù)的確定主要是饋電網(wǎng)絡(luò)散射矩陣的求解。由于篇幅所限在此不做求解散射矩陣的介紹。從計算結(jié)果可知，介質(zhì)環(huán)是對最終輻射方向圖對稱性影響最大的部件，而且由于介質(zhì)環(huán)厚度對模式相位影響巨大，為后期模型的優(yōu)化分析和調(diào)試增加了一定的難度。

在得到期望的模式幅度系數(shù)以后，就可以通過環(huán)形口面與半空間近場的切向分量匹配來求取中間參數(shù)fn(w)和gn(w)，最終用其來求解空間遠(yuǎn)場表達(dá)式。

3 組合饋源的系統(tǒng)仿真

利用CST對圖1模型各頻率方向圖仿真結(jié)果如圖3、圖4、圖5和圖6所示，駐波曲線如圖7所示。由圖3、圖4、圖5和圖6可見，φ=0°面和φ=90°面在低頻端和高頻端基本上都達(dá)到了旋轉(zhuǎn)對稱，-10 dB波束半張角約為90°左右，方向圖后瓣最高為-18 dB，駐波在工作頻帶內(nèi)優(yōu)于1.5∶1的要求。從研究各參數(shù)對方向圖影響的過程來看，為了對設(shè)計結(jié)果有一個整體把握，介質(zhì)環(huán)參數(shù)和波導(dǎo)內(nèi)徑需要首先考慮。副面階梯環(huán)、介質(zhì)環(huán)厚度和波導(dǎo)口縱環(huán)是調(diào)節(jié)方向圖等化程度的主要部位;副面背部開槽對于降低方向圖后瓣及其有效;而圓波導(dǎo)基模經(jīng)過徑向彎折部分激勵起來的平板波導(dǎo)內(nèi)的模式到達(dá)輻射口面的幅度和相位主要由介質(zhì)環(huán)的厚度和長度決定。

圖3 12.25 GHz饋源輻射方向圖

圖4 12.75 GHz饋源輻射方向圖

圖5 14 GHz饋源輻射方向圖

圖6 14.5 GHz饋源輻射方向圖

圖7 VSWR曲線圖

4 結(jié)束語

通過理論指導(dǎo)給出的設(shè)計模型經(jīng)過仿真得到了基本旋轉(zhuǎn)對稱的輻射方向圖，從而降低了天線主反射面輻射場交叉極化電平，提高了天線輻射效率。副反射板作為次級輻射源電尺寸減小到3個波長以下，這正是小口徑天線饋源設(shè)計追求的目標(biāo)。波束寬度相對于普通饋源喇叭增加很多，這使得饋源更加適用于小焦徑比天線，從而減小了天線的結(jié)構(gòu)尺寸。

值得一提的是，副反射板為階梯結(jié)構(gòu)，各階梯的半徑和軸向深度對方向圖和駐波均影響較大。另外由于徑向波導(dǎo)內(nèi)為多模工作，致使0°面和90°面在近軸方向差距較大，希望下一步的工作能夠使之消除。

［1］KILDAL P S，NYSETH A.The Hat Feed:A New Class of Splashplate Antenna Having Loss Cross Polarization［J］.IEEE Antennas Propagat.Soc.Int.Symp.Dig，1986(1):75-78.

［2］KILDAL P S，JENSEN T.Efficient Small Reflector With Hat Feed［C］.Norway，ICAP89.1989:154-157.

［3］KILDAL.P S，YANG JIAN.FDTD Optimizations of the Bandwidth of The Hat Feed for mm-wave Reflector Antenns［C］.Canada，1997 IEEE AP-S，Montreal，1997:13-18.

［4］KILDAL P S.Artificially Soft and Hard Surfa-ces in Electromagnetic［J］.IEEE.Trans.Antennas Propagation，1990，38(10):1537-1544.

［5］楊可忠，楊智友，章日榮.現(xiàn)代面天線新技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社，1993.

［6］KILDAL P S.The Hat Feed:A Dual-mode Rear Radiating Waveguide Antenna Having Low Cross Polarization［J］.IEEE.Trans.Antenna Propagat，1987，35(9):1010-1016.

［7］HARRINGTON R F.Time-Harmonic Electromg-netic Fields［M］.New York.McGraw Hill，1961.

［8］ULVERSOY TORE，KILDAL P S.Radiation From Slots in Artificially Soft and Hard Cylinders［J］.IEEE.Trans.Antenna Propagat，1989，37(12):1628-1632.