衛(wèi)星環(huán)焦天線波紋饋源筒的設(shè)計(jì)與仿真

蔣志遙

（電信科學(xué)技術(shù)第一研究所，上海 200032）

衛(wèi)星環(huán)焦天線波紋饋源筒的設(shè)計(jì)與仿真

蔣志遙

（電信科學(xué)技術(shù)第一研究所，上海 200032）

本文針對(duì)Ku波段小型環(huán)焦動(dòng)中通天線目前的主流設(shè)計(jì)，分析了饋源筒附近反射對(duì)天線性能的影響，并設(shè)計(jì)了一種具有波紋結(jié)構(gòu)的饋源筒，可以減少此類電磁波并提高天線整體增益。通過(guò)仿真軟件模擬，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)具備提高天線增益的能力。

VSAT動(dòng)中通；環(huán)焦天線；HFSS軟件仿真；饋源設(shè)計(jì)

1 引言

環(huán)焦天線在國(guó)外通常稱為拋物線焦軸偏移軸對(duì)稱雙鏡天線，它在衛(wèi)星通信地球站天線中有獨(dú)特的地位。特別是在中小型衛(wèi)星通信地球站天線中，用這種天線可以克服作為初級(jí)饋源的波紋喇叭所引起的遮擋大于副鏡所造成的次級(jí)遮擋的缺點(diǎn)，從而開(kāi)辟了中小口徑天線低旁瓣化和高極化鑒別率的新途徑。

環(huán)焦天線常用于小型VSAT地面站和動(dòng)中通天線中，在天線面較小的情況下，相對(duì)于前饋以及其他雙反射面天線，環(huán)焦天線具有以下優(yōu)勢(shì)：較低的旁瓣功率，較小的駐波比，較高的增益和G/T。

小型Ku波段環(huán)焦天線經(jīng)常采用帽形饋源。帽形饋源天線概念首先在1986年由挪威人Per-Simon Kildal提出，帽形輻射體最初的模型是由濺散板天線演化而來(lái)的[1]。帽形饋源反射板較小，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。此外，這種天線饋電波導(dǎo)和副反射面直接由介質(zhì)相連，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[2]。

目前，我國(guó)VSAT通信和小型動(dòng)中通天線屬于較新興的領(lǐng)域，此方面研究較少，中國(guó)電科54所的孫立杰等人設(shè)計(jì)了一種適用于小口徑環(huán)焦天線的帽型饋源，給出了該設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果[3]。本設(shè)計(jì)借鑒了該文的設(shè)計(jì)，并在其基礎(chǔ)上加以改良，對(duì)于波紋的參數(shù)通過(guò)遺傳算法而不是理論分析加以優(yōu)化，獲得了更好的仿真結(jié)果。

環(huán)焦天線分為兩類：一類是副反射面母線為橢圓形的，另一類是副反射面母線是雙曲面形的。我們選用了具有廣闊應(yīng)用前景的副反射面母線為橢圓形的環(huán)焦天線反射面天線，如圖1所示。

圖1中，源為饋源喇叭的相位中心，是橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)，它位于環(huán)焦天線的對(duì)稱軸AA上；BP是主鏡拋物線的母線；O＇是該線的焦點(diǎn)，又是橢圓的另一個(gè)焦點(diǎn)；K1是饋源喇叭的口面中心；D是環(huán)焦天線的口面直徑；O＂是以AA為軸、與拋物線BP對(duì)稱的另一拋物線B＇P＇的焦點(diǎn)；T是副反射面的頂點(diǎn)（在AA軸上）；DS是副面的直徑；θV是拋物線BP上任一點(diǎn)與O＇的連線與BO＇的夾角；θvm是與PO＇與BO＇的夾角、是θV的最大值；θ是副面母線上任一點(diǎn)與饋源喇叭相位中心O的連線AA軸的夾角；θ＇m是副面母線邊緣M與O的連線與AA軸的饋源喇叭波紋槽的內(nèi)半徑ah[4]。

圖1 副反射面母線為橢圓形的環(huán)焦天線結(jié)構(gòu)

2 目前饋源筒存在的問(wèn)題

一般的饋源筒外壁會(huì)傳導(dǎo)干擾性的反射電磁波，方向與主波束相近。我國(guó)衛(wèi)星天線入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中的旁瓣性能要求主要針對(duì)主波束20度內(nèi)的性能，饋源筒（如圖2所示）反射干擾對(duì)其影響不能忽略。在同樣的口徑下，影響環(huán)焦天線性能的因素以及其和近饋源筒反射電磁波的影響如下：

（1）副反射面遮擋。自天線面的反射波在副反射面投影之下的部分，都會(huì)受到副反射面的遮擋，從而不能匯入主波束。這部分被遮擋的能量將以旁瓣的形式發(fā)散出去，導(dǎo)致天線旁瓣升高，主波束變寬。

近饋源筒反射波基本沿饋源筒外側(cè)傳播，反射角小，最終會(huì)被副反射面遮擋，造成以上后果。

（2）饋源照射效率。饋源能量被主天線面接收到的效率，照射到天線面外的輻射能量不能被利用。

（3）主反射面功率分布不均。主反射面功率分布過(guò)于集中，而一些部分的功率過(guò)低，其效果相當(dāng)于一部分主反射面沒(méi)有得到利用，間接減小了天線的口徑。

近饋源筒反射如果功率很大，就會(huì)導(dǎo)致功率集中于天線面中央，加劇了主反射面功率分布的不均。

（4）駐波。一般的天線都要求較低的駐波比。駐波比為1時(shí)表示能量全部被天線輻射出去，而無(wú)窮大則為全部反射回饋源。駐波比直接地顯示了天線的品質(zhì)，而較差的駐波比性能不僅降低了輻射功率，而且會(huì)造成干擾。

近饋源筒反射的一部分功率會(huì)反射返回饋源，會(huì)造成駐波比增大。

（5）主副反射面的精度?？梢?jiàn)，其中（1），（3），（4）都與近饋源筒反射相關(guān)，所以減少近饋源筒輻射理論上可以提高天線的性能。

圖2 一般衛(wèi)星環(huán)焦天線饋源筒（以及副反射面）

由圖2中的普通饋源筒仿真得其功率分布如圖3，圖3中，X軸為副反射面的反射波和饋源之間反射角度，Y軸為輻射場(chǎng)強(qiáng)。黑線之間的部分為±10度之間，這部分電磁波靠近饋源筒，可見(jiàn)這部分場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)，功率較集中。這部分電磁波處于副反射面陰影之下，不能被天線面利用，還會(huì)對(duì)反射后的功率主瓣產(chǎn)生干擾。

圖3 普通饋源筒近場(chǎng)（至天線面）場(chǎng)強(qiáng)分布圖，

3 波紋結(jié)構(gòu)饋源筒的設(shè)計(jì)與仿真

在本設(shè)計(jì)中，模擬的應(yīng)用為Ku波段交叉極化雙向通信。Ku頻段為12GHz-18GHz。在仿真和測(cè)試中，采用14GHz作為模擬頻率，為實(shí)際衛(wèi)星通信應(yīng)用中發(fā)射頻率的最低值（14GHz-14.5GHz）。由微波的頻段特性可知，頻率越高，指向和增益都呈會(huì)顯著提高故，本實(shí)驗(yàn)中模擬的是實(shí)際應(yīng)用中最糟糕的情況，理論結(jié)果應(yīng)好于本次實(shí)驗(yàn)的仿真結(jié)果。

針對(duì)傳統(tǒng)環(huán)焦天線饋源筒反射產(chǎn)生回波的問(wèn)題，我們?yōu)轲佋赐布尤霐?shù)個(gè)波紋狀吸波結(jié)構(gòu)，可以從理論上減少副反射面陰影下反射的電磁波。通過(guò)遺傳算法，我們對(duì)波紋的寬度、厚度和兩個(gè)波紋之間的厚度差三個(gè)變量進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化的參考值為駐波比和幾個(gè)反射角的功率譜，分別取適當(dāng)?shù)臋?quán)重。由于VSAT天線的規(guī)定中對(duì)于VSWR要求較高，設(shè)置VSWR必須小于1.3。通過(guò)仿真得到結(jié)果進(jìn)行修正設(shè)計(jì)的波紋饋源筒如圖4。

圖4 波紋饋源筒波紋設(shè)計(jì)

圖5 波紋結(jié)構(gòu)饋源筒的局部電場(chǎng)仿真與普通饋源筒對(duì)比圖

圖5中藍(lán)線為波紋饋源筒饋源筒近場(chǎng)（至天線面）場(chǎng)強(qiáng)分布圖，紅線為圖3中普通饋源筒近場(chǎng)（至天線面）場(chǎng)強(qiáng)分布圖。X軸為副反射面的反射波和饋源筒之間角度，Y軸為輻射場(chǎng)強(qiáng)。黑線之間的部分為±10度之間?？梢?jiàn)與普通饋源筒相比，波紋結(jié)構(gòu)饋源筒在黑線之間，也就是副反射面遮蓋的部分場(chǎng)強(qiáng)較小，而在10度以上的角度場(chǎng)強(qiáng)較高，這一部分天線面沒(méi)有遮擋，可以最大地利用其功率。

但是，只有饋源筒的電場(chǎng)仿真還不能說(shuō)明天線的性能得到了改善，因?yàn)殡m然到達(dá)天線有效面積（角度為10～90度）的電磁波能量提高了，仍需要證明有多少電磁波可通過(guò)反射面成為主波束。因此，我們通過(guò)一個(gè)小型天線面進(jìn)行天線的仿真驗(yàn)證。

4 天線的仿真驗(yàn)證

我們使用波紋結(jié)構(gòu)饋源筒和傳統(tǒng)的饋源筒在同一個(gè)天線面下進(jìn)行仿真測(cè)試，其副反射面和其他部分都相同。該天線面為一環(huán)焦拋物面，如圖6所示。

圖6 采用的環(huán)焦天線面，設(shè)其為PerfectE表面

圖7 波紋饋源筒和普通饋源筒在仿真軟件中測(cè)試的結(jié)果

表1 有波紋和無(wú)波紋的饋源比較

表1是有波紋和無(wú)波紋的饋源比較，圖7為波紋饋源筒和普通饋源筒在仿真軟件中測(cè)試的結(jié)果。直觀可見(jiàn)在0度時(shí)，波紋饋源筒的發(fā)射增益高于普通饋源筒；而在±2.5度內(nèi)，波紋饋源筒隨著偏離中心衰減更快，所以主波束更窄，對(duì)臨星干擾更小。

但是結(jié)果也顯示雖然波紋饋源筒可使主波束更窄、增益更高，但是在偏離軸向7.5度左右的位置產(chǎn)生的第二旁瓣略高于普通饋源筒，可能對(duì)臨星干擾性能造成影響，在將來(lái)的研究中將尋求進(jìn)一步的改進(jìn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）饋源筒外側(cè)的波紋可以改變副反射面反射波在天線面上的分布，場(chǎng)強(qiáng)分布角度顯著增大，而靠近饋源柱附近的反射波減弱。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析一致。

（2）根據(jù)天線理論認(rèn)為，減小饋源柱附近的反射波可以減少遮擋的無(wú)用反射，并將部分能量分布于反射角較大的天線面區(qū)域，使得能量在反射面的分布更均勻，可以提高主反射面的利用率，從而提高天線的增益。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，饋源筒外側(cè)的波紋結(jié)構(gòu)可以提高小型環(huán)焦天線的增益，饋源筒外側(cè)的波紋結(jié)構(gòu)可以使主波束更窄。

（3）采用波紋饋源筒的天線第二旁瓣增高，不利于天線的臨星干擾性能。在天線設(shè)計(jì)中，主瓣性能和旁瓣性能往往是相互矛盾的變量：當(dāng)降低旁瓣時(shí)，能量被擠向主瓣，導(dǎo)致主瓣變寬。在未來(lái)的研究中，可能需要將主反射面和饋源作為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化解決，這將大大增加仿真的工作量。

（4）采用波紋饋源筒的饋源可用于提高船載動(dòng)中通等小型天線的增益，在同等增益性能的情況下減小口徑，縮小體積。■

[1] P.-S. Kildal,--The hat feed: A dual-mode rear-radiating waveguide antenna having low cross polarization,‖ IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 35, no. 9, pp. 1010-1016, Sep. 1987.

[2] 孫立杰，張文靜，杜彪，董忠文．一種Ku波段帽型組合饋源設(shè)計(jì)分析．天線與伺服技術(shù)

[3] 付光宇，寇松江，開(kāi)敏．一款Ku頻段帽形饋源饋電環(huán)焦天線的設(shè)計(jì)

[4] 伍捍東，王英英，李科娟，王立志，潘云飛．Ku波段靜中通環(huán)焦反射面天線的設(shè)計(jì)

[5] 林昌錄．天線工程手冊(cè)．北京：電子工業(yè)出版社，2002.pp.608-610

首屆中以科技創(chuàng)新投資大會(huì)在北京舉行

2016年1月6日，由以色列經(jīng)濟(jì)部、中國(guó)科技部、以色列駐華使館、英飛尼迪集團(tuán)共同發(fā)起的首屆中以科技創(chuàng)新投資大會(huì)在北京召開(kāi)。以色列國(guó)家基建、能源及水資源部長(zhǎng)Yuval Steinitz、中國(guó)科技部副部長(zhǎng)陰和俊、以色列駐華大使Matan Vilani（馬騰）等出席了本次大會(huì)并致辭。

這場(chǎng)旨在促進(jìn)中以科技、創(chuàng)新、投資領(lǐng)域的企業(yè)合作對(duì)接的大會(huì)共吸引了來(lái)自以色列的優(yōu)秀企業(yè)和中國(guó)投資機(jī)構(gòu)的決策者與思想領(lǐng)袖等共計(jì)2,000余人。據(jù)悉，參與本次大會(huì)的以色列企業(yè)共計(jì)130余家，參會(huì)中國(guó)企業(yè)共計(jì)1,000余家，涉及智慧城市、醫(yī)療器械、農(nóng)業(yè)科技、清潔技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信等領(lǐng)域。眾所周知，以色列以其人才資本、顛覆性技術(shù)、世界級(jí)企業(yè)而聞名全球市場(chǎng)。基于以色列市場(chǎng)的高度創(chuàng)新，已吸引了英特爾、阿里巴巴、谷歌、中國(guó)化工集團(tuán)公司等眾多跨國(guó)企業(yè)進(jìn)行深度投資。近年來(lái)，中國(guó)對(duì)以色列的投資迅速增長(zhǎng)，各市場(chǎng)領(lǐng)域的并購(gòu)活動(dòng)迅猛增加，此次大會(huì)引領(lǐng)中以雙方投資與合作進(jìn)入了新的局面。

在開(kāi)幕式的現(xiàn)場(chǎng)，以色列國(guó)家基建、能源及水資源部長(zhǎng)Yuval Steinitz熱忱地表達(dá)了對(duì)中國(guó)投資方的歡迎。中國(guó)科技部副部長(zhǎng)陰和俊表達(dá)了對(duì)以色列這個(gè)國(guó)家創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神的高度認(rèn)可并提出了進(jìn)一步加強(qiáng)中以創(chuàng)新合作的相關(guān)建議。以色列駐華大使Matan Vilani（馬騰）也表示此次大會(huì)對(duì)于中以雙方企業(yè)而言都是非常難得的機(jī)會(huì)。以色列經(jīng)濟(jì)部外國(guó)投資及工業(yè)應(yīng)用部主管Ziva Eger對(duì)于中國(guó)作為世界第二大經(jīng)濟(jì)體的實(shí)力與前景非常認(rèn)同，并稱要更深層次地與中國(guó)建立合作。

值得一提的是，以色列國(guó)家基建、能源以及水資源部長(zhǎng)Yuval Steinitz還分別與中國(guó)科技部副部長(zhǎng)陰和俊、國(guó)家能源局副局長(zhǎng)張玉清進(jìn)行會(huì)面，就加強(qiáng)中以雙方在科技與能源方面的合作，建構(gòu)雙方的經(jīng)濟(jì)紐帶進(jìn)行了深入交流。

Design and Simulation for the Ring Focus Antenna with Corrugated Feed Tube

Jiang Zhiyao
(The First Research Institute of Telecommunications Technology, Shanghai, 200032)

According to current popular design of small ring focus satellite communication in ku band, we analyzed reflection influence on antenna’s performance near the feed tube, and designed a corrugated feed tube, which can reduce the return influence meanwhile increasing overall antenna gain. The design effect, which can increase antenna gain, has been proved through software simulation.

VSAT Satellite communication; Ring focus antenna; HFSS software simulation; Feed design.

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.01.003

TN828.5

A

1672-7274（2016）01-0013-04