基于超材料的橢圓波束饋源技術研究

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(中國電子科技集團 第五十四研究所,石家莊 050081)

0 引言

近年來，世界衛(wèi)星技術飛速發(fā)展，每當出現(xiàn)緊急情況，如自然災害等使地面通訊中斷，衛(wèi)星移動通信[1]總會第一時間到達現(xiàn)場，保障通信通道的暢通。而天線技術作為衛(wèi)星移動通信技術發(fā)展的重中之重，更是受到極大的重視，橢圓波束天線[2-4]由于其天線效率較高、副瓣較低且天線剖面較低，便于攜帶和移動，受到研究人員的廣泛關注。目前橢圓波束天線多以賦形雙反射面天線為主，而橢圓波束饋源直接照射反射面的天線由于饋源性能的制約應用較少。

設計橢圓波束饋源的技術方案主要有以下3種：1)橢圓波紋喇叭技術，這種喇叭加工難度大；2)橢圓形或矩形波導內介質錐加載技術[5]，這種饋源的介質錐不容易安裝固定；3) 矩形喇叭內壁開槽技術[6-7]，這種喇叭帶寬窄，開槽尺寸無規(guī)律，研究設計較為復雜且用途單一。

普通角錐喇叭的波束不等化，而采用超材料技術[8-10]設計超材料片層，將片層貼裝于角錐喇叭內壁，可以調節(jié)邊界的阻抗特性，從而獲得混合平衡[11-[14]模式。

故設計一種基于超材料的橢圓波束饋源，工作頻率為10.95～14.5 GHz。通過在角錐喇叭內壁加載超材料層，產生極化波束等化較好的橢圓波束，即水平極化和垂直極化的波束接近一致。結果表明，與傳統(tǒng)的饋源相比，本文基于超材料的橢圓波束饋源，極化波束等化好，且依照此方法設計橢圓波束饋源具有橢圓比可調的優(yōu)點，具有廣闊的應用前景，我們以橢圓比為2:1饋源研究作為設計實例進行說明。

基于這種新型饋源的反射面天線系統(tǒng)具有結構緊湊的特點，可以應用于移動載體衛(wèi)星通信中，顯著降低天線系統(tǒng)的高度。

1 橢圓波束饋源設計原理

一般角錐喇叭的輻射波束為橢圓波束，但是其兩種極化的波束等化特性較差，交叉極化電平高，不能用作饋源照射反射面天線輻射橢圓波束。文章所研究的基于超材料的橢圓波束饋源是在角錐喇叭內壁加載一層超材料層，超材料層的原理是通過優(yōu)化設計超材料單元，使?jié)M足阻抗匹配條件，周期排列構建電磁平衡表面，加載到角錐喇叭內壁。使得加載超材料層后的角錐喇叭具有類似波紋喇叭的特性，傳輸類平衡混合模式，此時X極化和Y極化的輻射波束近似一致，且交叉極化電平也會降低。

同時，其橢圓比調節(jié)是通過控制喇叭口面長寬比。在大量研究設計經驗表明，小張角喇叭更易利用超材料層實現(xiàn)極化波束等化，故設計喇叭過程中需根據(jù)喇叭口面尺寸調節(jié)喇叭長度,使得喇叭張角盡量小。然后根據(jù)不同口面尺寸對超材料層的貼片尺寸，排列間距、介質厚度等參數(shù)進行優(yōu)化，對橢圓比為2:1的超材料角錐喇叭饋源進行研究，并將其分別作為前饋饋源和后饋饋源照射反射面天線進行電性能驗證。

2 饋源設計

2.1 超材料單元設計優(yōu)化

本文設計的超材料單元采用類蘑菇型的超材料結構，采用上層周期排布金屬貼片，中層介質層加導電通孔，和底層接地的結構。為了構造電磁平衡表面，對貼片尺寸進行優(yōu)化。首先初步設計一個梯形貼片形狀，貼片單元分為兩個矩形貼片拼接在一起，矩形貼片的尺寸參數(shù)和中間導電過孔的位置和內徑可調，如圖1顯示了超材料的結構圖和貼片單元的平面圖。

圖1 超材料單元結構圖

超材料單元設計需滿足阻抗條件，下式則為阻抗條件：

(1)

(2)

(3)

ZTE和ZTM分別為喇叭內壁TE模式和TM模式的表面波阻抗，為真空中波阻抗，α為照射角，ΓTE和ΓTM分別為TE模式和TM模式傳輸?shù)姆瓷湎禂?shù)。此設計需要對超材料單元的所有尺寸參數(shù)進行優(yōu)化調整，計算出兩種模式的波阻抗使其滿足式(1)。

根據(jù)本文工作頻率的要求，初步確定超材料單元的尺寸(十分之一工作波長左右)，對貼片單元的初步模型進行優(yōu)化仿真，貼片材質為銅，介質層材料為Rogers RT5870，介電常數(shù)為2.33，初始尺寸定為W1=1.8 mm，W2=1.1 mm，L1=L2=1.5 mm，介質層厚度h=2.54 mm，介質頂層尺寸為3.1 mm×3.1 mm。在此基礎上對參數(shù)進行優(yōu)化。

文章采用軟件仿真的辦法得到超材料單元的阻抗特性。使用全波電磁仿真軟件，可以得到單元模型對TE和TM極化波的反射系數(shù)。根據(jù)公式(2)和公式(3)，可以計算出波阻抗和，進而求出波阻抗乘積K，并相對真空波阻抗進行歸一化，若K值為1則說明實現(xiàn)阻抗條件，允許K值有一定的偏移，下圖為優(yōu)化貼片尺寸后的阻抗匹配曲線。

在優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)貼片尺寸變化時有如下規(guī)律：初始尺寸的W1和W2不變，變化L1和L2，發(fā)現(xiàn)L1單獨增大時，阻抗匹配曲線低頻處向左平移，谷值下降，高頻處基本不變(低頻和高頻分別指曲線與阻抗乘積為1直線相交處的低頻端和高頻端，谷值指曲線中段頻率處坡度較緩部分的數(shù)值大小)；L2單獨增大時，阻抗匹配曲線向左平移，谷值下降，高頻處基本不變。L1,L2保持不變，將W1和W2分別變化時，發(fā)現(xiàn)W1增加時，曲線高頻處向左平移，低頻處基本不變，且曲線谷值下降；W2增加時，曲線整體向左平移，幅度較小，且對谷值影響很小。

綜合以上4個尺寸對阻抗匹配影響的研究規(guī)律，進行針對性的尺寸調節(jié)，找到一組在工作頻帶內阻抗匹配較好的貼片尺寸，此時超材料金屬貼片的各個邊的尺寸分別為W1=1.2 mm,W2=1.6 mm,L1=L2=1.45 mm。

圖2 阻抗匹配曲線

由圖2可以看出，在10～16 GHz頻率之間包含工作帶寬，優(yōu)化后波阻抗乘積K的值在1附近，滿足阻抗匹配條件，可以周期排列成超材料層加載到喇叭內壁。

2.2 饋源輻射特性研究

利用在角錐喇叭內壁加載超材料層的方法設計橢圓波束饋源具有橢圓比可調的特點。設計原則：橢圓比與喇叭長寬比相對應，首先根據(jù)照射角要求確定喇叭口面大致尺寸，根據(jù)橢圓比確定長寬比，然后根據(jù)口面大小，調節(jié)喇叭長度，在小張角情況下較易實現(xiàn)波束等化，根據(jù)經驗表明角錐喇叭內壁貼加超材料層后，φ=900面比φ=00面更易實現(xiàn)波束等化，故主要針對φ=00面波束特性進行改善。

設計喇叭尺寸為輻射口面30 mm×60 mm，長度為53 mm，饋電口為方波導(用來產生雙極化)，尺寸為19.05 mm×19.05 mm，將優(yōu)化后的超材料貼片單元周期排列，加載到喇叭內壁，在超材料層的邊緣部分，保留貼片單元的完整性，避免金屬貼片與喇叭內壁重合。

設定波束等化特性判定標準：首先電場分量沿X方向為X極化，電場分量沿Y方向為Y極化。超材料喇叭在其特征頻點處-10 dB波束寬度特性：分別記錄了各個特征頻點處，兩種極化(X極化和Y極化)的兩個平面(φ=00面和φ=900面)的波束寬度，并將同一平面的Y極化的波束寬度與X極化的波束寬度的比值作為波束等化的判斷依據(jù)進行畫圖，這一比值越接近于1說明波束等化的特性越好。將同一極化的900面波束寬度與00面波束寬度的比值定為橢圓比，橢圓比在2:1附近即達到設計目標。圖3至圖5為截取的3個特征頻點的不同極化不同平面的方向圖綜合。3個頻點分別為頻帶內的低頻、中頻和高頻，并依據(jù)設定的波束等化特性判定標準，計算了頻帶內極化波束等化曲線，分別用不同種類的線條進行畫圖。

圖3 10.95 GHz方向圖

圖4 12.5 GHz方向圖

圖5 14.5 GHz方向圖

圖6 波束等化曲線

由圖3、圖4和圖5中可以看出饋源在工作頻帶內低端頻率、中心頻率、高端頻率的波束等化較好，并且橢圓比在2：1左右，達到本文設計要求，圖6中兩條曲線分別為φ=00面和φ=900面中兩個極化的-10 dB波束寬度的比值，通過圖6可以直觀看出，在全頻帶內，幾個特征頻點處波束寬度比值均在1附近，上下浮動在正負0.14范圍以內，說明超材料角錐喇叭饋源極化波束等化較好，達到預期目標。并且從圖中也可以看出φ=900面比φ=00面波束等化要好，后期深入研究時可以針對性的改善φ=00面的波束特性。

觀察圖7，饋源在頻帶內的駐波小于1.55，其中Y極化駐波低于X極化，且兩種極化駐波均隨著頻率的增加逐漸減小，頻率在12.25 GHz以后駐波逐漸降低到1.2以下。并且經過計算統(tǒng)計，在頻帶內饋源的交叉極化電平小于-21 dB。

圖7 駐波曲線

綜上所述，利用超材料層加載到角錐喇叭內壁的思路是可行的。這種方法設計的橢圓波束饋源在工作頻帶10.95 GHz～14.5 GHz內可以產生極化等化較好的橢圓波束，并且駐波較低，基本達到預期的橢圓比，實現(xiàn)了設計要求。

3 饋源照射反射面電性能應用驗證

(1)將設計的橢圓比為2:1的橢圓波束饋源作為前饋饋源照射反射面。設計橢圓形主面的尺寸，綜合饋源各特征頻點的φ=00面和φ=900面的-10 dB波束寬度，取其中間值定為饋源的照射角。取饋源的-10 dB照射角為23度×45度，利用反射面參數(shù)的幾何關系，設計前饋反射面尺寸為長軸1 m，焦徑比為0.6，短軸為0.5 m。將喇叭的方向圖從CST軟件中導入Grasp軟件中進行計算天線的輻射方向圖，并將方向圖中的增益、副瓣、交叉極化等參數(shù)提取出來，計算天線的效率、副瓣電平、交叉極化電平等電參數(shù)，與現(xiàn)有的橢圓波束天線的性能進行對比，驗證饋源設計的性能和應用前景。

圖8 前饋天線效率

圖9 前饋天線交叉極化電平

可以看出天線效率在65%到75%之間，在頻帶內，天線效率在低頻處相對較低，隨著頻率升高逐漸增大，且X極化天線效率稍高于Y極化。交叉極化電平低于-30 dB，在整個頻帶內交叉極化電平先下降后升高。在低頻處Y極化交叉極化電平相對較低，在高頻處相對較高，天線的第一副瓣電平低于-18 dB。

2)將橢圓波束饋源作為后饋饋源照射反射面。設計一種標準卡塞格倫天線，照射角保持不變?yōu)?3度×45度，根據(jù)卡塞格倫天線的幾何參數(shù)的關系，計算得天線主面尺寸為10 m×5 m，副面尺寸1 m×0.5 m，長軸焦徑比為0.33，離心率3.4，圖10和圖11為仿真去除副面遮擋后的天線的效率和交叉極化電平曲線。

圖10 后饋天線效率

圖11 后饋天線交叉極化電平

由圖10和圖11可以看出，后饋標準卡塞格倫天線的天線效率在61%到72%之間，在極化方面看，X極化時效率比Y極化時效率要高，表明極化波束不是完全等化，存在微小誤差，與饋源仿真結果可以對應。在整個頻帶看，在低頻處稍差，在頻率11.5 GHz以上天線效率均超過65%。在頻帶內交叉極化電平低于-30 dB，在低頻處，Y極化交叉極化電平相對要低，高頻處相對較高，第一副瓣電平低于-17 dB。后饋標準卡塞格倫天線的電性能指標由于副面遮擋和副面漏失等原因相對于前饋反射面天線有些許降低。

以2011年中國電子科技集團第五十四研究所劉興隆等人設計的賦形雙偏置橢圓波束天線為例，軸比為2:1，天線主反射面尺為550 mm*1 100 mm，在天線發(fā)射和接收的中心頻率天線效率分別達到63%和66.29%。將本文設計的橢圓比2:1的前饋天線與之相比，效率要優(yōu)，后饋天線效率與之相比，在低頻處稍低，在高頻處要高。但利用基于超材料的橢圓波束饋源照射反射面天線，結構簡單，同時副瓣電平和交叉極化電平也相對較低，具有一定的技術優(yōu)勢。

4 結束語

設計了一種基于超材料的橢圓波束饋源，利用滿足阻抗匹配條件的超材料層，加載到喇叭內壁調節(jié)電磁波的輻射特性，相對于傳統(tǒng)橢圓波束饋源設計方法，具有帶寬大、加工簡單的優(yōu)點。對饋源電性能進行仿真驗證：饋源在工作頻帶內，極化波束等化良好，同平面兩種極化的波束寬度比在0.9～1.14之間，駐波在1.55以下。照射反射面，前饋時天線效率在65%～75%之間，交叉極化電平低于-30 dB；后饋照射反射面時，天線效率在61%～72%之間，交叉極化電平低于-30 dB。饋源性能和天線性能較好，驗證了設計的正確性，具有較好的應用前景。

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