倒置卡塞格倫天線(xiàn)拋物面以及饋源的設(shè)計(jì)

摘 要：研究了倒置卡塞格倫天線(xiàn)的拋物面以及饋源，并采用FEKO進(jìn)行仿真優(yōu)化，設(shè)計(jì)了工作在8~9GHz的倒置卡塞格倫天線(xiàn)的拋物面以及饋源，給出了拋物面參數(shù)的選擇方法以及饋源的尺寸。

關(guān)鍵詞：倒置卡塞格倫天線(xiàn)；FEKO；拋物面；饋源

中圖分類(lèi)號(hào)：TN823文獻(xiàn)識(shí)別碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2014）06-0062-02

0引言

天線(xiàn)在電視、雷達(dá)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，隨著人造衛(wèi)星和航空航天技術(shù)的新的高精尖科技的發(fā)展，人們對(duì)跟蹤雷達(dá)的要求進(jìn)一步提高，主要體現(xiàn)在跟蹤雷達(dá)的跟蹤速度、跟蹤精度、跟蹤距離和抗干擾能力上。

倒置卡塞格倫天線(xiàn)[1]就是在這種背景下產(chǎn)生的，它采用極化扭轉(zhuǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的快速掃描、精確跟蹤，其結(jié)構(gòu)為饋源、拋物面反射器、極化扭轉(zhuǎn)板。本文將介紹倒置卡塞格倫天線(xiàn)設(shè)計(jì)中的首要工作，即倒置卡塞格倫天線(xiàn)拋物面的選擇以及饋源的設(shè)計(jì)。

1天線(xiàn)設(shè)計(jì)原理

拋物面天線(xiàn)[2]是以幾何光學(xué)法為理論基礎(chǔ)的一種天線(xiàn)形式。通過(guò)幾何光學(xué)法的理論基礎(chǔ)，我們可以知道如果在拋物面焦點(diǎn)上放置一個(gè)點(diǎn)源，經(jīng)過(guò)拋物面反射會(huì)得到一組平行的射線(xiàn)束。所以饋源發(fā)射的球面波經(jīng)過(guò)拋物面反射以后，轉(zhuǎn)變成拋物面口徑上的平面波前，這使得拋物面天線(xiàn)具有銳波束、高增益的性能。

拋物面天線(xiàn)的幾何關(guān)系示意圖如圖1所示，根據(jù)拋物面性質(zhì)可得：

OP+PQ=2f=const （1）

其中OP=r' ，OQ=r' cosθ'，所以代入式（1）可得：

（2）

因?yàn)閽佄锩媸怯蓲佄锞€(xiàn)繞其軸旋轉(zhuǎn)而成的，所以?huà)佄锩嬗行D(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，表現(xiàn)在球坐標(biāo)r'，θ'，φ'里就是其特性不存在φ'方向的變化。

在拋物面分析中，需要得出其表面反射點(diǎn)出垂直于此處切線(xiàn)的單位矢量，所以我們先將式（2）改寫(xiě)為：

（3）

然后對(duì)式（3）取梯度得出表面法線(xiàn)再根據(jù)幾何關(guān)系以及直角-球坐標(biāo)變換公式，進(jìn)而可以得到拋物面焦距直徑比（焦徑比）f/d 與半張角θ0之間的關(guān)系：

（4）

2拋物面天線(xiàn)參數(shù)的選擇

拋物面天線(xiàn)主要設(shè)計(jì)參數(shù)[3]為焦徑比f(wàn)/d以及半張角? 0，根據(jù)式（3）可知焦徑比和半張角只需確定其中一個(gè)，另外一個(gè)就可以計(jì)算出來(lái)。在長(zhǎng)焦距的情況下，f/d一般在 0.3～0.5 之間選擇，f/d取的小的優(yōu)點(diǎn)是饋源前伸量較小，噪聲比較低；而f/d取的大的優(yōu)點(diǎn)是拋物面深度小，交叉極化小。所以，我們根據(jù)電腦仿真結(jié)果便可確定焦徑比f(wàn)/d的大小。本例中的拋物面直徑選擇為1 400 mm。

采用 FEKO 進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，其仿真模型如圖 2 所示。拋物面仿真結(jié)果如表1 所列。

圖1拋物面天線(xiàn)幾何關(guān)系示意圖圖2拋物面仿真模型

表1拋物面仿真結(jié)果

焦徑比 f/d8.5 GHz 增益（dB）S11(8～9 GHz)波束寬度

0.329.1＜-20dB16.4°

0.432＜-20dB16.8°

0.535.5＜-20dB17.6°

綜合上述仿真結(jié)果，我們選擇倒置卡塞格倫天線(xiàn)的拋物面焦徑比為 0.5，也即直徑 d=1 400 mm，焦距f=700 mm。

3倒置卡塞格倫天線(xiàn)饋源[4]設(shè)計(jì)

拋物面天線(xiàn)一般以圓錐喇叭或是角錐喇叭作為饋源，本文中將采用角錐喇叭 作為天線(xiàn)的饋源，根據(jù)工作頻段設(shè)計(jì)角錐喇叭的尺寸。

角錐喇叭天線(xiàn)是由矩形波導(dǎo) E 面和 H 面的兩壁張開(kāi)而成的，其輻射特性基本上是 E 面和 H 面扇形喇叭的結(jié)合，其角錐喇叭結(jié)構(gòu)如圖3所示。

（a）結(jié)構(gòu)示意圖 （b）矩形喇叭的E平面（c）矩形喇叭的H平面

圖3角錐喇叭示意圖

倒置卡塞格倫天線(xiàn)工作在 8～9 GHz，所以需要根據(jù)工作頻率，選擇合適的矩形饋電波導(dǎo)尺寸。經(jīng)過(guò)查表，我們可以得到 BJ84（WR112）工作頻率為 6.57～9.99 GHz，與我們要設(shè)計(jì)的頻率相符，所以選用該型號(hào)的波導(dǎo)作為角錐喇叭的的饋電波導(dǎo)，其尺寸為 a=28.499 mm，b=12.624 mm。

在確定了角錐喇叭饋電波導(dǎo)的尺寸后，根據(jù)公式以及預(yù)計(jì)的增益范圍即可大概計(jì)算出角錐喇叭的其它尺寸初始值，并用 HFSS 建模仿真優(yōu)化，最后得到角錐喇叭天線(xiàn)的尺寸為：a1=80mm，b1=70 mm，Re=90 mm，a=28.499 mm，b=12.624mm

角錐喇叭的駐波比如圖4 所示。

角錐喇叭 E 面和 H 面方向圖如圖5 所示。

從仿真結(jié)果來(lái)看，角錐喇叭天線(xiàn)在整個(gè)頻段上駐波比小于 1.75，中心頻率上天線(xiàn)最大增益為 19.6 dB。喇叭性能良好。

圖 4角錐喇叭駐波比 圖5角錐喇叭E面和H面方向圖

4天線(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)果

將角錐喇叭與拋物面結(jié)合在一起，并在 FEKO[6]中進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖6所示。

（a）天線(xiàn)增益曲線(xiàn)圖 （b）中心頻率（f=8.5GHz）時(shí)E 面 H 面增益曲線(xiàn)

（c）天線(xiàn)S11示意圖

圖6 FEKO中的仿真結(jié)果圖

最終的結(jié)果是天線(xiàn)在整個(gè)8～9 GHz頻段內(nèi)的增益均在34～35.8 dB之間，中心頻率處的天線(xiàn)增益為35.5 dB，同時(shí)整體的S11均在-20 dB以下，天線(xiàn)的波束寬度為17.6°。

5結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了工作在8～9 GHz頻段的倒置卡塞格倫天線(xiàn)的拋物面以及饋源，仿真設(shè)計(jì)結(jié)果證明，兩者匹配良好，可為后面設(shè)計(jì)拋物面柵格以及極化扭轉(zhuǎn)板提供良好的基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]馮強(qiáng).毫米波極化正交倒置卡塞格倫天線(xiàn)研究[D].南京：東南大學(xué)，2006.

[2]魏文元，宮德明，陳必森.天線(xiàn)原理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1982.

[3]馮濤.極化扭轉(zhuǎn)卡塞格倫天線(xiàn)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

[4]李萌.饋源喇叭天線(xiàn)的研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2010.

[5]李明洋.HFSS天線(xiàn)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[6]范麗思，崔耀中.FEKO5.4實(shí)例教程[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

作者簡(jiǎn)介：鈔春曉（1966—），男，大專(zhuān)學(xué)歷，佳縣電視轉(zhuǎn)播臺(tái)技術(shù)部主任工程師。研究方向是微波天線(xiàn)小型化在廣播電視及其它領(lǐng)域的應(yīng)用。

Design of Parabola and Feed Source of Inverse Cassegrain Antenna

Chao Chun-xiao

( Television station of Jia County，Yulin 719200， China)

Abstract: The parabola and feed source of inverse cassegrain antenna which work in 8~9GHz is researched in this article based on simulation of FEKO. The way of choosing parameters of parabola and the size of the feed source is represented in this article.

Keywords: inverse cassegrain antenna; FEKO; parabola; feed source