新型寬帶饋源的設(shè)計方法

劉 超，趙東賀，耿京朝

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.射電天文技術(shù)聯(lián)合實驗室，河北 石家莊 050081）

新型寬帶饋源的設(shè)計方法

劉 超1，2，趙東賀1，2，耿京朝1，2

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.射電天文技術(shù)聯(lián)合實驗室，河北 石家莊 050081）

提出了一種新型寬帶饋源的建模方法，利用此方法能方便地對各個頻段的寬帶饋源建立仿真模型。利用該建模方法設(shè)計了2－15 GHz寬頻帶饋源，并利用Ansoft HFSS仿真軟件對設(shè)計的饋源進行了仿真，給出了饋源在2 GHz，8 GHz和15 GHz的仿真方向圖，方向圖等化很好，并且具有幾乎相等的10 dB波束寬度。加工實物并進行了測試，測試結(jié)果良好，驗證了設(shè)計方法的正確性。該饋源已經(jīng)應(yīng)用在射電日像儀CSRH-II期工程中，天線性能優(yōu)良，滿足設(shè)計技術(shù)指標(biāo)要求。

寬帶饋源；建模方法；仿真模型；方向圖等化；波束寬度

0 引言

射電天文學(xué)對寬頻帶天線提出越來越高的要求［1］，不僅要求輻射方向圖隨頻率變化不大，還要求相位中心隨頻率變化盡可能小。本文設(shè)計了一種新型寬帶饋源，具有剖面低、頻帶寬、能實現(xiàn)雙線／雙圓極化工作、E／H面波束寬度等化好和相位中心不隨頻率變化等優(yōu)點，適合應(yīng)用于射電天文望遠(yuǎn)鏡中［2］。

新型寬帶饋源目前在國外、國內(nèi)均有成功的應(yīng)用范例，比如瑞典Chalmers大學(xué)的Per-Simon Kildal和楊堅課題組研制的Eleven饋源［3］，國內(nèi)研制的寬帶饋源［4］等。鑒于新型寬帶饋源的諸多優(yōu)點，有必要對其特性進行深入研究，同時給出一種快速建模方法也是很有意義的。

1 設(shè)計理念

新型寬帶饋源采用對數(shù)周期結(jié)構(gòu)為單元，與對數(shù)周期天線不同的地方在于集合線。采用大張角設(shè)計，縮短單個饋源的縱向尺寸，最大限度地減小饋源對反射面天線口徑的遮擋。新型寬帶饋源保留標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)周期天線的非頻變特性，即當(dāng)頻率f連續(xù)變化時，天線的電特性隨著頻率的對數(shù)作周期性變化。對數(shù)周期天線由N根折合振子周期性的平行排列在集合線上構(gòu)成。天線各振子的尺寸和位置與振子的序號有關(guān)，按照結(jié)構(gòu)比例因子τ設(shè)計排列，滿足：

式中，n表示振子的序號，n＝1，2，3…N－1；sn為第n根與第n＋1根振子間的距離，n＝1，2，3…N－1；ln為第n根振子的長度［5］。其中l(wèi)1為最長振子。

對數(shù)周期天線可以在很寬的頻帶內(nèi)獲得幾乎不變的阻抗、方向圖和增益值，具有十分優(yōu)良的寬頻帶特性。但是，小張角天線的縱向尺寸過大，做反射面饋源使用時往往對反射面天線造成嚴(yán)重的口徑遮擋，限制了它在反射面饋源方面的應(yīng)用；對數(shù)周期天線的有效工作區(qū)隨著頻率沿天線的軸向單調(diào)地移動，因此對數(shù)周期天線寬頻帶工作時不具有確定的相位中心。

為了克服對數(shù)周期天線寬頻帶工作時，天線的縱向尺寸過大，且相位中心隨工作頻率的變化而移動等不適合于反射面饋源應(yīng)用的缺點，設(shè)計了以大張角倒置對數(shù)周期天線為單元的天線陣列，構(gòu)造出新型低剖面寬帶雙極化反射面天線饋源。

2 建模方法

新型寬帶饋源的建模分以下幾個步驟進行：①選擇一組結(jié)構(gòu)周期常數(shù)τ和間隔因子σ，根據(jù)要求的頻率范圍以及對數(shù)周期天線的計算方法，得到一組振子參數(shù)；②調(diào)整結(jié)構(gòu)周期常數(shù)τ和間隔因子σ使振子間距和距地板高度滿足要求；③確定折合振子寬度等其他參數(shù)。下面對這幾個步驟簡要介紹：

2.1 選擇τ和σ確定一組振子參數(shù)

首先選擇一組τ和σ，根據(jù)要求的頻率范圍，根據(jù)下列公式確定一組振子參數(shù)：

上述式子中的參數(shù)分別表示：σ：振子間距因子；τ：周期比；α：振子對于頂點的半張角；Bar：帶寬參數(shù)；BS：結(jié)構(gòu)帶寬；l1，ln：第1根、第n根振子長度；fmax：最高頻率；fmin：最低頻率；

f0：中心頻率；L：集合線長度。對數(shù)周期的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通過上述公式能確定一組振子長度、集合線長度和間距的參數(shù)。

圖1 對數(shù)周期結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 調(diào)整τ和σ

根據(jù)仿真計算分析，在拼陣振子間距取相對應(yīng)頻率的0．5 λ，振子距離地板高度取相對應(yīng)頻率的0．16 λ，低頻端振子長度取0．46 λ時，能夠保證天線的相位中心位于地板中心［6］，因此新型寬帶饋源可以在很寬的頻帶內(nèi)實現(xiàn)對稱的E、H波瓣寬度、優(yōu)良的交叉極化特性等，很好滿足了反射面天線對饋源指標(biāo)要求［7］。

為了滿足以上尺寸要求，取相對的一對振子組的集合線、地板中心線、高度線所在的平面得到圖2［8］。振子與地板的夾角為β，從圖2中可以看出tanβ＝0．16／0．25＝0．64，從而得到β＝32．60。集合線的長度為：0．25 λ高頻／cosβ。接下來要做的就是通過調(diào)整τ和σ使2.1節(jié)中計算的L與本節(jié)中計算的L相等，則建模的基本參數(shù)確定。

圖2 截面尺寸圖

2.3 建模示例

根據(jù)上述建模步驟，建立2～15 GHz的饋源模型，首先根據(jù)式：

求得集合線長度為56.6 mm，再調(diào)整τ和σ，最后取τ＝0．81，σ＝0．057 5時計算得到L＝56.6 mm。確定了τ和σ后，并有得到的各振子長度、振子間距，選擇合適的折合振子的寬度可以建立模型。

3 饋源仿真結(jié)果

應(yīng)用Ansoft HFSS軟件對建立的新型寬帶饋源模型進行了仿真計算，結(jié)合工程應(yīng)用，計算了圓極化情況下饋源的方向圖［9］。圖3給出了饋源在頻率f＝2 GHz、f＝8 GHz和f＝15 GHz下的仿真方向圖。

圖3 部分頻點仿真方向圖

從圖3中可以看出，饋源在f＝2 GHz、f＝8 GHz和f＝15 GHz下的10 dB波束寬度變化很小，有良好的寬頻帶特性。不同頻率的10 dB波束寬度如表1所示。

表1 不同頻率的10 dB波束寬度

4 饋源實測結(jié)果

根據(jù)仿真模型，加工了饋源實物，并對其進行了測試。實物如圖4所示，部分頻點實測方向圖如圖5所示。

圖4 饋源實物圖

圖5 部分頻點測試方向圖

從圖中可以看出，測試結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合，驗證了建模方法和仿真的正確性。

5 結(jié)束語

設(shè)計并加工了2－15 GHz寬頻帶饋源，測試結(jié)果良好［10］并得到了工程應(yīng)用驗證；根據(jù)介紹的建模方法能夠快速準(zhǔn)確的建立饋源模型，有著較高的借鑒價值；介紹的設(shè)計方法在平方公里陣（SKA）等國際重大項目中都有著廣泛的應(yīng)用，有較高的應(yīng)用價值。

［1］曹艷東，張 旭.射電望遠(yuǎn)鏡天線的指向精度測量系統(tǒng)設(shè)計［J］.無線電工程，2012，42（7）：52－54.

［2］Yan Yi-hua，Zhang Jian，Guangli Huang.On the Chinese Spectral Radioheliograph（CSRH）Project in Cm-and Dm-Wave Range［C］∥Radio Science Conference，2004 Asia-Pacific，Beijing：House of Electronics Industry，2004：391－392，

［3］Yang J，Chen X，Wadefalk N，et al.Design and Realization of a Linearly Polarized Eleven Feed for 1－10GHz［J］IEEE Antennas Wireless Propag Letter，2009（8）：64－68.

［4］劉 超，耿京朝.射電頻譜日像儀2米天線設(shè)計［J］無線電通信技術(shù)，2014，40（6）：58－60.

［5］Richard C.J.Antenna Engineering Handbook［M］.USA：McGraw-Hill，inc，1984.

［6］Olsson R，Kildal P S，Weinreb S.The Eleven Antenna：A compact Low-Profile Decade Bandwidth Dual Polarized Feed for Reflector Antennas［J］.IEEE Trans.Antennas Propag，2006，54（2）：368－374.

［7］Yang J，Kildal PS.Calculation of Ring-Shaped Phased Centers of Feeds for Ring-Focus Paraboloids［J］.IEEE Trans.Antennas Propag，2000，4（48）：524－528.

［8］AghdamK MP，F(xiàn)arajj-DanaR，Rashed-MohasselJ. Compact Dual-Polarisaton Palanar Log-Periodic Antennas with Integrated Feed Circuit［J］.IEEE Proc.-Microw An-tennas Propag，2005，5（152）：227－232.

［9］劉 亮，郭 健.一種寬帶3 dB耦合器的設(shè)計與分析［J］.無線電工程，2013，43（6）：34－36，43.

［10］張志華，陳輝，秦順友，等.饋源喇叭相位中心測量及誤差分析［J］.無線電通信技術(shù)，2011，37（5）：28－30.

Design Method of a New Wideband Feed

LIU Chao1，2，ZHAO Dong-he1，2，GENG Jing-chao
（1.The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China 2.Joint Laboratory for Radio Astronomy Technology，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

A modeling method for a new wideband Feed is presented in the paper.The 2－15GHz wideband feed is designed using this method and it is simulated using Ansoft HFSS software.The simulated patterns for f＝2GHz，8GHz，15GHz are given.The equal E and H pattern they have have almost the same 10dB beam width.At last we manufactured it and tested it，the test result was satisfactory. The feed is used for China Spectral Radio Heliograph（CSRH）array and The performance fulfills application requirement.

Wideband feed；Modeling method；Simulation model；The equal E and H pattern；Beamwidth

TN82

A

1003－3114（2015）06－54－4

10.3969／j.issn.1003－3114.2015.06.14

劉 超，趙東賀，耿京朝.新型寬帶饋源的設(shè)計方法［J］.無線電通信技術(shù)，2015，41（6）：54－57.

2015－07－10

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目計劃（973計劃）（2013CB837900）；國家自然科學(xué)基金國際合作與交流項目（11261140641）；國家國際科技合作專項項目（2012DFB00120）

劉 超（1982―），男，工程師，主要研究方向：線天線設(shè)計、寬帶饋源設(shè)計等。耿京朝（1964―），男，研究員，主要研究方向：天線理論研究、寬帶天線、特種天線設(shè)計等。