基于微擾法的低駐波比反射面天線設(shè)計(jì)

陳毅喬

(中國電子科技集團(tuán)公司 第十研究所，四川 成都 610036)

0 引 言

反射面天線是一種主瓣窄、副瓣低、增益高的微波天線，目前在雷達(dá)、通信、射電天文中獲得了廣泛的應(yīng)用［1－3］.在一些特定的應(yīng)用領(lǐng)域中，如微波中繼通信、連續(xù)波體制的雷達(dá)，往往需要反射面天線具有極低的駐波比，如VSWR≤1.1，以滿足收、發(fā)共用天線系統(tǒng)的隔離度的要求，如連續(xù)波體制雷達(dá)一般要求收、發(fā)隔離度小于－85 dB［4］.

反射面天線通常由饋源和反射面組成，由饋源產(chǎn)生電磁波，并通過反射面的反射形成定向輻射.同時(shí)，反射面的一部分散射波又返回到饋源，從而引起饋源的失配.通過在反射面頂部加入一個(gè)或多個(gè)金屬頂板，使該部分的反射與反射面的反射相消，可有效地降低天線的電壓駐波比.但是，該方法對天線的副瓣會帶來較嚴(yán)重的惡化，因此應(yīng)用較少［5］.此外，通過改變饋源的匹配設(shè)計(jì)，使饋源反射與反射面的反射相消，從而減小天線的駐波比.該技術(shù)已在Ka 波段的反射面天線進(jìn)行了驗(yàn)證，并得到了工程應(yīng)用［6］.這種方法雖不影響天線的輻射性能，但是其能夠?qū)崿F(xiàn)低駐波比帶寬較窄，其電壓駐波比小于1.1 的相對帶寬僅為1%左右，從而限制了其應(yīng)用范圍.

本研究分析了一種反射面微擾設(shè)計(jì)的方法，通過改變反射面的外形，可有效降低天線的電壓駐波比，同時(shí)對天線的輻射性能也基本不減弱.在此基礎(chǔ)上，本研究以Ka 波段的反射面天線為例，采用該方法實(shí)現(xiàn)了對該天線的低駐波設(shè)計(jì).

1 基本原理

反射面天線匹配主要有2 個(gè)方面，一是饋源的匹配，二是反射面反射失配的匹配.對于饋源的匹配，可通過在饋源喇叭中加入調(diào)諧螺釘?shù)姆绞絹韺?shí)現(xiàn);對于反射引起的失配，則要通過改變反射面頂面區(qū)域的形狀來實(shí)現(xiàn)，也就是通過反射面頂部輪廓微擾的方式，使這部分的反射波與反射面其他區(qū)域的反射波對消，從而實(shí)現(xiàn)匹配.

1.1 反射面駐波比計(jì)算

對于反射面引入的駐波比，可通過數(shù)值分析進(jìn)行計(jì)算.如圖1 所示，源場為球面波Et和Ht，反射面為S，反射點(diǎn)處法向矢量為ntds，則反射系數(shù)R 的表達(dá)式可表示為［6］，

圖1 反射系數(shù)計(jì)算示意圖

若饋源的方向圖接近軸對稱，E 面和H 面的方向圖基本相同，即f1(θ)≈f2(θ)，可用fpr(θ)來表示，此時(shí)，反射系數(shù)R 的公式可簡化成為，

式中，θ0為反射面的照射角，fpr(θ)為空間衰減因子校正后的方向圖，

式中，f(θ)為計(jì)算的或?qū)崪y的饋源球面波方向圖，r0為常數(shù)，則反射面反射系數(shù)表達(dá)式為，

在已知源場的情況下，即可由上述公式計(jì)算出反射面的駐波比為，

1.2 反射面微擾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在保持反射面的外形(S)基本不變的條件下，對反射面頂部區(qū)域引入外形的微擾(S1)(見圖2).且該微擾與反射面原形應(yīng)為平滑的變化，以減小對輻射特性的影響，該微擾結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)為，

圖2 反射面微擾結(jié)構(gòu)示意圖

式中，θa、θb為微擾的起止角域區(qū)域，U 為微擾系數(shù).

通過式(5)可迭代計(jì)算出，并優(yōu)化出滿足駐波比及電性能要求的微擾結(jié)構(gòu)參數(shù).

2 設(shè)計(jì)與分析

運(yùn)用上述微擾設(shè)計(jì)方法，本研究對一工作中心頻率為35 GHz 的低駐波比單反射面天線進(jìn)行了設(shè)計(jì).

天線的反射面采用標(biāo)準(zhǔn)拋物面，其焦距F 為96 mm，口徑D 為240 mm，其在旋轉(zhuǎn)面的極坐標(biāo)表達(dá)式為，

天線饋源采用矩形喇叭，口徑尺寸為9.00 mm×7.13 mm，該喇叭饋源的E、H 面3 dB 波束寬度均為59 °，邊緣照射電平為－12.5 dB，且方向圖的E、H面基本一致，如圖3 所示.

圖3 饋源喇叭增益方向圖

運(yùn)用饋源喇叭的方向圖和式(3)、(4)、(5)對微擾設(shè)計(jì)前的拋物反射面的駐波比進(jìn)行計(jì)算，得到工作頻帶的駐波比如圖4 所示.

圖4 微擾設(shè)計(jì)前反射面駐波比分析圖

對反射面的外形進(jìn)行微擾迭代分析，并從駐波與電能性綜合考慮，優(yōu)化出了最佳的微擾設(shè)計(jì)參數(shù)，微擾設(shè)計(jì)的反射面結(jié)構(gòu)如圖5 所示，該反射面仍為軸對稱結(jié)構(gòu).微擾之后的極坐標(biāo)方程為，

其中，△ρ 如公式(6)所述，且各微擾參數(shù)為θa=11 °，θb=20.5 °，U=0.6.

圖5 微擾反射面結(jié)構(gòu)圖

運(yùn)用饋源喇叭的方向圖和式(3)、(4)、(5)對微擾設(shè)計(jì)后的拋物反射面的駐波比進(jìn)行計(jì)算，得到駐波比如圖6 所示.

圖6 微擾設(shè)計(jì)后反射面駐波比分析圖

通過反射面微擾設(shè)計(jì)，天線反射面引入的駐波比在34 GHz ～36 GHz 的工作頻帶內(nèi)，從1.15 左右下降到1.02 以下，從而有效地改善了天線的駐波特性.

3 仿真驗(yàn)證

在仿真驗(yàn)證中，本研究采用電磁仿真軟件FEKO，并應(yīng)用多層快速多極子方法(Multilevel Fast Multipole Method，MLFMM)對所設(shè)計(jì)的Ka 波段低駐波比反射面天線進(jìn)行全波仿真，仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D7 所示.

圖7 低駐波比反射面天線仿真模型圖

通過全波仿真，得到在低駐波比反射面天線在工作頻帶內(nèi)的駐波比情況，將其與微擾設(shè)計(jì)前的駐波比進(jìn)行對比，結(jié)果如圖8 所示.

圖8 天線駐波比對比圖

從仿真結(jié)果可見，在較寬的頻寬內(nèi)反射面回波均未引起天線駐波的惡化，微擾設(shè)計(jì)后的天線駐波比與饋源的駐波比基本一致，其駐波比小于1.1 的相對帶寬達(dá)到了6%左右.

同時(shí)，計(jì)算得到該天線中心頻率35 GHz 的天線增益方向圖與微擾設(shè)計(jì)前的增益方向圖對比結(jié)果如圖9、10 所示.

圖9 天線E 面增益方向圖對比圖

圖10 天線H 面增益方向圖對比圖

從仿真結(jié)果可看出，H 面的副瓣由－31.42 dB變?yōu)椋?9.61 dB;E 面的副瓣由－30.94 dB 變?yōu)椋?7.67 dB，增益由37.09 dBi 下降為37.07 dBi.

仿真驗(yàn)證結(jié)果表明，通過反射面的微擾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該Ka 波段低駐波比反射面天線輻射特性的影響相對較小，保證了天線良好的輻射性能.

4 結(jié) 論

本研究利用反射面微擾設(shè)計(jì)的方法成功地設(shè)計(jì)出了一毫米波段低駐波比反射面天線.該反射面天線在保證天線的電能性的前提下，有效降低了天線電壓駐波比.該天線與傳統(tǒng)的饋源對消設(shè)計(jì)天線相比，其駐波比小于1.1 的相對帶寬從1% 展寬到6%，從而擴(kuò)展了反射面天線在低電壓駐波比要求下的應(yīng)用范圍，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值.

［1］徐曉非，孫磊，郭先松，等.0.3 THz 緊湊型反射面天線［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2014，36(1):52－54.

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［5］田車輦.高性能微波中繼天線設(shè)計(jì)技術(shù)［J］.移動(dòng)通信，1997，20(3):49－52.

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