一種Ka頻段雙圓極化天線設(shè)計(jì)及熱變形分析

張麗娜，劉偉棟

(上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109)

一種Ka頻段雙圓極化天線設(shè)計(jì)及熱變形分析

張麗娜，劉偉棟

(上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109)

針對(duì)衛(wèi)星高速通信系統(tǒng)雙圓極化、小型化及高可靠性應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一種Ka頻段雙圓極化高極化隔離度天線，饋源采用大張角波紋喇叭，通過隔板圓極化器實(shí)現(xiàn)雙圓極化。通過對(duì)環(huán)焦天線的賦形設(shè)計(jì)，提高了天線效率，增加了波束內(nèi)增益。采用NX軟件對(duì)天線的熱環(huán)境進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明熱變形對(duì)天線的性能影響較小。天線仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，實(shí)測(cè)天線效率大于55%，各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

反射面賦形；環(huán)焦天線；熱變形分析；雙圓極化

0 引言

為提高衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸速率，緩解頻譜資源緊張局面，星載天線的工作頻段由X波段提升至Ka頻段，工作帶寬由原先的幾百M(fèi)Hz增至幾個(gè)GHz，由單一圓極化拓展為雙圓極化工作。

在衛(wèi)星通信中為了獲得較好的輻射方向圖特性及效率，可采用對(duì)反射面天線賦形設(shè)計(jì)方法。反射面天線賦形一種是實(shí)現(xiàn)對(duì)覆蓋區(qū)域的波束賦形；另一種是根據(jù)覆蓋區(qū)域的形狀及增益要求設(shè)計(jì)天線反射面。早在1975年，日本學(xué)者就提出了一種反射面賦形的設(shè)計(jì)方法，即波前分析方法，隨后北美和歐洲的研究人員在此基礎(chǔ)上，根據(jù)幾何光學(xué)(GO)、物理光學(xué)(PO)、幾何繞射理論(GTD)和物理繞射理論(PTD)等，提出了反射面賦形的直接和間接綜合方法。直接方法的優(yōu)化對(duì)象是反射面本身的形狀，用各種函數(shù)展開式表示反射面，通過優(yōu)化函數(shù)的系數(shù)進(jìn)行反射面綜合賦形。間接方法的優(yōu)化對(duì)象是賦形反射面天線的一些特性參數(shù)，如波前、口徑面場(chǎng)分布等，通過優(yōu)化這些參數(shù)來滿足賦形要求，進(jìn)而確定反射面的形狀。文獻(xiàn)[1]根據(jù)幾何光學(xué)原理對(duì)反射面進(jìn)行賦形設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地球賦形波束設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)采用最小P乘法[2]和Minimax法[3]優(yōu)化饋源激勵(lì)系數(shù)，提出了用歸一化功率偏差值作為目標(biāo)函數(shù)的反射面賦形設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[4]采用射線追蹤的方法對(duì)側(cè)饋卡塞格倫天線的主反射面進(jìn)行了面賦形設(shè)計(jì)，改善了星載天線的寬角掃描特性。文獻(xiàn)[5]將反射面表面劃分為網(wǎng)格，通過優(yōu)化反射面上網(wǎng)格點(diǎn)在拋物面焦軸方向上的變形獲得賦形波束。文獻(xiàn)[6]采用了Minimax算法對(duì)發(fā)射面進(jìn)行了賦形優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了星載反射面數(shù)傳天線的波束賦形。文獻(xiàn)[7]利用幾何光學(xué)方法通過優(yōu)化口徑場(chǎng)的分布間接獲得賦形反射面。

本文設(shè)計(jì)了一種工作于Ka頻段的雙圓極化環(huán)焦天線，反射面采用直接展開法對(duì)環(huán)焦天線進(jìn)行賦形設(shè)計(jì)，提高了天線效率及波束內(nèi)增益。該天線相對(duì)工作帶寬大于10%，雙圓極化工作，軸比小于1 dB，極化隔離度小于-26.5 dB，可滿足衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)天線的需求。

1 環(huán)焦天線仿真設(shè)計(jì)

環(huán)焦天線[8]因其焦點(diǎn)的軌跡是一個(gè)圓環(huán)而得名，國外通常叫拋物線焦軸偏移對(duì)稱雙反射面天線，最早是由J.L.Lee提出的。該天線克服了初級(jí)饋源的波紋喇叭所引起的遮擋大于副鏡造成的次級(jí)遮擋、副鏡反射對(duì)饋電系統(tǒng)影響的缺點(diǎn)，具有緊湊的小型反射面、低旁瓣化和高極化鑒別率的優(yōu)點(diǎn)，因此在星載天線中有著獨(dú)特的應(yīng)用地位[9]。

副反射面是橢球的環(huán)焦天線如圖1所示。

圖1 副鏡母線為橢圓的環(huán)焦天線

O是饋源的相位中心,又是橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)，位于環(huán)焦天線的對(duì)稱軸AA′上；BP是主拋物面的母線；O′是拋物線的焦點(diǎn)，又是橢圓的另一個(gè)焦點(diǎn)，且OO′與AA′軸有一定的夾角，稱為焦軸偏移；T是副反射面在AA′軸上的頂點(diǎn)；M是橢圓的另一個(gè)頂點(diǎn)。BP繞AA′旋轉(zhuǎn)形成主反射面的拋物面，TM繞AA′軸旋轉(zhuǎn)形成副反射面的橢球面，這樣焦點(diǎn)O′繞AA′旋轉(zhuǎn)形成一個(gè)焦環(huán)，故稱為環(huán)焦天線。

1.1 饋源喇叭仿真設(shè)計(jì)

饋源喇叭是反射面天線系統(tǒng)的核心部件，饋源喇叭輻射方向圖的對(duì)稱性主要影響反射面天線的效率和交叉極化性能，因此饋源喇叭的選擇和設(shè)計(jì)是決定整個(gè)天饋系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。波紋喇叭在寬頻帶內(nèi)可獲得軸對(duì)稱波束和低旁瓣,同時(shí)可以將交叉極化分量抑制在-30 dB以下，結(jié)合技術(shù)指標(biāo)綜合考慮選擇波紋喇叭作為環(huán)焦天線的饋源。大張角波紋喇叭與一般波紋喇叭相比，有以下顯而易見的優(yōu)點(diǎn)：

① 大張角波紋喇叭的主極化方向圖主要由張角決定，而不是由口徑尺寸決定；

② 大張角波紋喇叭的相位中心基本維持在頂點(diǎn)，即其相位中心在頻率變化時(shí)維持不變。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[10]得到大張角波紋喇叭的仿真模型如圖3所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有：喇叭半張角為30°,口徑為37 mm,饋電端直徑12 mm，波紋數(shù)目為4個(gè)，結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示。

采用HFSS仿真軟件對(duì)喇叭進(jìn)行仿真，在中心頻點(diǎn)的方向圖如圖3所示。

圖2 大張角波紋喇叭結(jié)構(gòu)剖面

圖3 大張角波紋喇叭中心頻點(diǎn)仿真方向

1.2 圓極化器仿真設(shè)計(jì)

隔板式圓極化器[11]由于結(jié)構(gòu)緊湊，易于一體化加工，體積小和重量輕等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于波導(dǎo)組成的天饋系統(tǒng)中，其最顯著的一個(gè)特點(diǎn)就是將功分、移相和正交分離/合成同時(shí)實(shí)現(xiàn)。隔板極化器采用輸入端口為矩形波導(dǎo)，輸出端口為方波導(dǎo)，仿真模型如圖4所示。它是在方波導(dǎo)中插入具有臺(tái)階的金屬隔板實(shí)現(xiàn)圓極化的，通過調(diào)整臺(tái)階區(qū)域隔板的長(zhǎng)度和寬度，從矩形波導(dǎo)口輸入的TE10模功率通過臺(tái)階后一分為二，轉(zhuǎn)換成共用方波導(dǎo)中2個(gè)正交的TE01和TE10模。對(duì)于TE10模，從矩形波導(dǎo)到隔板區(qū)域其傳輸常數(shù)幾乎不變；而對(duì)于TE01模,隔板區(qū)可以看成是鰭形或是脊形波導(dǎo)，它的傳播常數(shù)與隔板階梯的寬度和長(zhǎng)度有關(guān)。通過調(diào)整隔板的長(zhǎng)度和寬度，使得入射信號(hào)在經(jīng)過整個(gè)隔板后，2個(gè)模式幅度相等、相位差90°，形成圓極化波，并保證輸入端口具有良好的匹配特性和輸入端口間的高隔離度。結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 隔板極化器仿真模型

圖5 隔板極化器結(jié)構(gòu)尺寸

1.3 環(huán)焦天線仿真設(shè)計(jì)

根據(jù)上述公式可求得環(huán)焦天線的離心率e、放大系數(shù)M、饋源相位中心到副反射面的距離OT等，即可確定環(huán)焦天線的結(jié)構(gòu)。

為了提高效率及改善交叉極化電平，本文采用反射面直接展開法對(duì)環(huán)焦天線進(jìn)行賦形設(shè)計(jì)，反射面直接展開法主要是采用特殊函數(shù)展開式來表示反射面表面的形狀，將展開式系數(shù)作為優(yōu)化參數(shù)，直接進(jìn)行反射面賦形。該方法正交全局展開式可選三角函數(shù)展開式、貝塞爾函數(shù)展開式和傅里葉級(jí)數(shù)等，最終的形成的反射面是光滑連續(xù)的，邊界定義嚴(yán)格且具有一階連續(xù)導(dǎo)數(shù)。本文對(duì)主、副反射面的賦形采用二項(xiàng)式展開，主、副反射面的展開式為Z=a0+a1X+a2X2+a3X3+a4X4，工程設(shè)計(jì)時(shí)，為了提高設(shè)計(jì)效率，采用商用仿真軟件FEKO，通過對(duì)主、副反射面展開式中的a0、a1、a2、a3和a4的值進(jìn)行優(yōu)化，得到滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的雙反射面天線。經(jīng)過優(yōu)化，得到主反射面的曲線方程

Z= -4.08924-0.40065X+0.00391X2-8.24234×10-6X3+

1.15655×10-8X4(60≤X≤215)，

繞Z軸旋轉(zhuǎn)360°而成。副反射器的曲線方程為：

Y= -14.038-0.6093X+0.01197X2-8.03902×10-5X3+

3.95726×10-7X4(0≤X≤60),

繞Y軸旋轉(zhuǎn)360°而成。

反射面天線賦形前后在中心頻點(diǎn)的方向圖對(duì)比如圖6所示，可見，通過對(duì)反射面賦形設(shè)計(jì)，天線的最高增益在原來基礎(chǔ)上提高了0.4 dB左右， 3 dB波束寬度由1.49°展寬到1.58°，第一副瓣電平降低1.8 dB?？梢娡ㄟ^對(duì)主、副反射面賦形設(shè)計(jì)可提高天線效率，增加波束內(nèi)增益，進(jìn)一步提升天線性能。

圖6 反射面賦形前后在中心頻點(diǎn)f0方向圖對(duì)比

因左旋圓極化端口與右旋圓極化端口具有對(duì)稱性，因此僅給出典型頻點(diǎn)fm的左旋圓極化增益方向圖如圖7所示，軸比方向圖如圖8所示。

圖7 仿真典型頻點(diǎn)fm增益方向

圖8 仿真典型頻點(diǎn)f軸比方向

仿真3個(gè)頻點(diǎn)(f-、fm、f+)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表 1所示。從上述仿真結(jié)果可見，該天線最高增益在工作頻段內(nèi)大于38.5 dB，在±0.7°波束范圍內(nèi)的增益大于36.5 dB，軸比在±1°范圍內(nèi)小于0.5 dB，極化隔離在波束范圍內(nèi)小于-30 dB，可滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 仿真的各個(gè)頻點(diǎn)的增益結(jié)果

2 反射面天線的熱變形分析

為了保證天線能夠在空間環(huán)境中可靠工作，需通過對(duì)真空高低溫條件下熱力學(xué)分析，得到極限溫度下變形情況，從而分析出極限形變狀態(tài)下的電性能變化情況，考慮天線應(yīng)力釋放措施，確定該天線結(jié)構(gòu)方案的可行性，進(jìn)一步指導(dǎo)產(chǎn)品的環(huán)境試驗(yàn)方案實(shí)施。

2.1 熱變形仿真輸入

反射面天線中，主反射面材料為碳纖維和鋁蜂窩的夾層結(jié)構(gòu)，碳纖維選用M40J，副反支撐桿也為碳纖維材料。喇叭、極化器及波導(dǎo)均采用鋁合金材料，表面導(dǎo)電氧化處理。

根據(jù)天線產(chǎn)品工作環(huán)境溫度要求，主反射面天線的工作溫度范圍為-110～+110 ℃，其余部件工作溫度為-90～+100 ℃。

2.2 熱分析

結(jié)構(gòu)熱變形和熱應(yīng)力分析是以熱分析得到的溫度場(chǎng)分布作為載荷輸入條件，一般僅以最惡劣的瞬間溫度條件作為分析載荷的輸入，并且認(rèn)為結(jié)構(gòu)的熱變形和熱應(yīng)力只與溫度載荷的大小和分布有關(guān)，而與加載的路徑和方式無關(guān)。對(duì)于實(shí)際的天線結(jié)構(gòu)，材料的使用一般限制在線彈性范圍內(nèi)。

在有溫度變化的條件下，線彈性材料的本構(gòu)關(guān)系式可表達(dá)為:

σ=D[ε+(T-T0α)]。

式中，σ為應(yīng)力矢量；ε為機(jī)械載荷引起的應(yīng)變矢量；D為工作溫度下的材料彈性剛度矩陣；α為材料熱膨脹系數(shù)矢量；T0為材料的初始溫度；T為材料的工作溫度。

溫度可以看作“載荷“條件，實(shí)際效應(yīng)相當(dāng)于使結(jié)構(gòu)具有一定的初應(yīng)變。在本構(gòu)關(guān)系式中，可以把與溫度相關(guān)的項(xiàng)當(dāng)作初應(yīng)變來理解。根據(jù)小變形假設(shè)得到的應(yīng)變與位移的幾何關(guān)系，可以進(jìn)一步確定熱變形和應(yīng)力的關(guān)系。

結(jié)構(gòu)熱變形問題和一般的結(jié)構(gòu)靜力問題可以統(tǒng)一起來考慮。按照結(jié)構(gòu)力學(xué)求解的一般過程，引入相應(yīng)的載荷和位移邊界條件，通過求解力平衡方程來獲得結(jié)構(gòu)的熱變形，進(jìn)而根據(jù)變形和應(yīng)力的關(guān)系來獲得熱應(yīng)力。在采用解析方法求解時(shí)，一般應(yīng)用位移法。在實(shí)際天線結(jié)構(gòu)的熱變形分析中，解析法應(yīng)用很少，基于靜力分析的有限元方法比較容易實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的熱變形分析，計(jì)算精度也可以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要。當(dāng)連接環(huán)節(jié)的局部對(duì)于熱應(yīng)力敏感或局部熱變形對(duì)于結(jié)構(gòu)整體變形影響很大，就需要詳細(xì)模型仿真，而在本天線的各零件連接處，考慮到局部熱效應(yīng)的影響，很小的連接間隙或局部變形對(duì)與結(jié)構(gòu)整體變形的影響可以忽略不計(jì)。

產(chǎn)品選用材料的性能參數(shù)： 鋁合金2A12，材料熱導(dǎo)率：121.4 W/m℃；熱膨脹系數(shù)：24.9E-6/℃;比熱容：920.9 J/Kg℃;M40J，熱膨脹系數(shù)：-0.83E-6/℃。

對(duì)天線采用NX7.5進(jìn)行熱分析。根據(jù)產(chǎn)品各部件工作溫度范圍對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行熱分析。

2.3 仿真結(jié)果

對(duì)主反射面、副反射面施加±110 ℃溫度載荷，為其余零件施加-90～+100 ℃溫度載荷，進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖9所示。

(a) 主反射面熱變形仿真云

(b) 副反射面熱變形仿真云

(c) 饋源喇叭熱變形仿真云圖9 給定溫度載荷下天線位移云

由位移云圖可得到，主反射面的最大形變量為0.214 mm，副反射器的最大形變量為0.376 mm，喇叭的最大形變量為0.47 mm。天線的最大位移出現(xiàn)在饋源喇叭頂端，在190 ℃的溫差條件下，鋁合金喇叭有這樣的位移量符合預(yù)期，整體而言，天線產(chǎn)品選擇的材料耐高低溫性能好，能夠滿足極限溫度條件下產(chǎn)生可接受的變形量。但該條件是極限溫差條件，在實(shí)際使用中采用了被動(dòng)熱控措施，通過在天線表面涂覆溫控白漆的熱設(shè)計(jì)措施，SR107-ZK白漆具有較低的太陽吸收率(αa=0.15～0.27)和較高的發(fā)射率(ε=0.86～0.95)，進(jìn)一步保證了天線產(chǎn)品在極端溫度環(huán)境下的可靠性。熱控實(shí)施后饋源喇叭的工作溫度為-50.2+66.1 ℃，副反射面的工作溫度為-62.6+83.9 ℃，主反射面溫度為-66.6+75.2 ℃，該溫度遠(yuǎn)低于熱變形仿真的極限溫度。因此，熱變形對(duì)反射面天線性能產(chǎn)生的影響不大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算，約有0.2 dB的增益損失，因此通過對(duì)該產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)分析，可以認(rèn)為其能夠滿足熱設(shè)計(jì)的輸入要求。

3 反射面天線測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述反射面天線的曲線方程，為驗(yàn)證反射面天線的電性能，實(shí)際工程中加工了天線原理樣機(jī)，并在近場(chǎng)暗室進(jìn)行左、右旋圓極化方向圖的測(cè)試。測(cè)試時(shí)將天線安裝在測(cè)試臺(tái)上，天線的輻射口面和平面近場(chǎng)掃描架的掃描平面(探頭采樣平面)平行，即天線波束和掃描平面垂直，保證探頭采樣在天線輻射的近場(chǎng)區(qū)內(nèi)進(jìn)行。實(shí)際測(cè)試的典型頻點(diǎn)fm的左旋圓極化輻射方向圖如圖10所示，軸比方向圖如圖11所示，右旋圓極化實(shí)測(cè)輻射方向圖如圖12所示，軸比方向圖如圖13所示。

圖11 左旋圓極化典型頻點(diǎn)fm軸比測(cè)試結(jié)果

圖12 右旋圓極化典型頻點(diǎn)fm增益方向圖測(cè)試結(jié)果

圖13 右旋圓極化典型頻點(diǎn)fm軸比測(cè)試結(jié)果

實(shí)測(cè)的在工作頻帶內(nèi)的測(cè)試結(jié)果如表2和表3所示。由表2和表3可知，所設(shè)計(jì)的環(huán)焦天線最高增益在低頻點(diǎn)為38.3 dB，在高頻點(diǎn)為38.8 dB，±0.7°波束范圍內(nèi)所有工作頻段內(nèi)的增益均大于36.3 dB，在±1°波束范圍內(nèi)的增益大于33.6 dB，在±1°范圍內(nèi)最大軸比小于0.9 dB，極化隔離在±1°范圍內(nèi)小于-26.5 dB，實(shí)測(cè)天線效率大于55%。與表1的仿真結(jié)果相比，在高頻點(diǎn)增益略低約0.5 dB，極化隔離度與副瓣電平略高，主要是由加工和裝配誤差引起的，但從實(shí)測(cè)結(jié)果可見,天線各項(xiàng)性能指標(biāo)均可滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 左旋圓極化輻射特性測(cè)試結(jié)果

表3 右旋圓極化輻射特性測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了一種工作于Ka頻段的雙圓極化賦形反射面天線的設(shè)計(jì)，并對(duì)其工作環(huán)境的熱變形進(jìn)行分析。采用反射面二項(xiàng)式直接展開法對(duì)環(huán)焦天線主、副反射面進(jìn)行賦形設(shè)計(jì)，賦形后天線實(shí)測(cè)效率大于55%，雙圓極化工作相對(duì)帶寬超過10%，在工作帶寬內(nèi)軸比小于1 dB，極化隔離度小于-26.5 dB。在工作溫度范圍內(nèi)，其最大形變量為0.47 mm，形變量對(duì)增益的影響約為0.2 dB，可滿足衛(wèi)星使用環(huán)境要求應(yīng)用于星載系統(tǒng)中。

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張麗娜 女，(1983—)，博士，高級(jí)工程師。主要研究方向：天饋線設(shè)計(jì)。

劉偉棟 男，(1984—)，碩士，工程師。主要研究方向：天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

Design of a Ka-band Dual-circular Polarized Antenna and Thermal Deformation Analysis

ZHANG Li-na,LIU Wei-dong

(ShanghaiAerospaceElectronicsandCommunicationEquipmentResearchInstitute,Shanghai201109,China)

A Ka-band dual-circular polarized high-isolation antenna is designed in the paper to meet the circular-polarized radiation and high reliability requirement of high-speed satellite communication system.The feed adopts a wide-flare-angle corrugated horn,and the dual circular-polarized radiation is realized by using the septum polarizer.By means of the shaped design of the ring-focus reflector antenna,the efficiency of the antenna is improved,and the gain of the beam is increased.The thermal environment of the antenna is simulated by using the NX software.The results show that the thermal deformation has little effect on the performance of the antenna.The experimental results are consistent with the simulated results,with the efficiency more than 55%,and are superior to the technical specification requirement.

shaped reflector；ring focus antenna；thermal deformation analysis；dual-circular polarized

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.04.14

張麗娜，劉偉棟.一種Ka頻段雙圓極化天線設(shè)計(jì)及熱變形分析[J].無線電工程,2017,47(4):58-64.

2017-01-08

國防科研基金資助項(xiàng)目。

TN82

A

1003-3106(2017)04-0058-07