高性能濺散板饋源天線分析與設(shè)計(jì)

劉明輝， 相 征， 許彤通， 任 鵬， 陳 云

(西安電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

高性能濺散板饋源天線分析與設(shè)計(jì)

劉明輝， 相 征， 許彤通， 任 鵬， 陳 云

(西安電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

為提升微波接力與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)的傳輸距離及抗干擾能力，文中設(shè)計(jì)了一款口徑為 0.3 m，中心頻率為 15 GHz 的高性能濺散板饋源天線．通過(guò)采取對(duì)濺散板饋源介質(zhì)支撐鏡和副反射面賦形的方法，實(shí)現(xiàn)饋源E面和H面的方向圖在主反射面照射角范圍內(nèi)等化，在照射角范圍外迅速滾降; 然后，通過(guò)優(yōu)化介質(zhì)匹配塞完成天線的阻抗匹配；最后，對(duì)所設(shè)計(jì)的天線模型進(jìn)行樣件加工并測(cè)試．測(cè)試結(jié)果表明，該天線中心頻點(diǎn)的增益達(dá)到 32.43 dBi，最大旁瓣電平抑制在 -21.89 dB，E面和H面的前后比均達(dá)到 59.57 dB．仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好，設(shè)計(jì)方法行之有效．

反射面;濺散板饋源;介質(zhì)賦形;低旁瓣

反射面天線是利用光的透鏡原理制成的，其采用曲面結(jié)構(gòu)， 具有很強(qiáng)的方向性和高增益特性．在各式各樣的反射面天線中，因旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)拋物面天線還具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良、制造方便并且易于維護(hù)調(diào)整等多方面的優(yōu)點(diǎn)而受到人們的青睞，被通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、衛(wèi)星通信和射電天文等領(lǐng)域廣泛采用[1]．該類(lèi)型的反射面天線主要包括卡塞格倫天線、格里高利天線和環(huán)焦天線．

由于這些反射面天線的副面支桿的遮擋效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖旁瓣和交叉極化電平惡化，從而降低反射面天線的輻射效率[2]．為解決這些問(wèn)題，需要使用自支撐結(jié)構(gòu)的高性能饋源，如環(huán)型饋源[3]、杯型饋源、帽型饋源、波束成形環(huán)饋源和濺散板饋源[4-6]等．筆者在新型卡塞格倫天線技術(shù)[7-8]的基礎(chǔ)上，研究和設(shè)計(jì)了一種高性能的濺散板饋源反射面天線．文中通過(guò)采取對(duì)濺散板饋源介質(zhì)支撐鏡和副反射面賦形的方法，實(shí)現(xiàn)饋源的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖一定范圍內(nèi)等化，使反射面天線的主面口徑場(chǎng)的幅度均勻分布，相位等相分布; 最后，通過(guò)對(duì)介質(zhì)匹配塞優(yōu)化來(lái)完成天線的阻抗匹配．仿真和測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的反射面天線性能優(yōu)良．

1 濺散板饋源設(shè)計(jì)與仿真

圖1 饋源橫截面示意圖

為了滿(mǎn)足反射面天線高增益、旁瓣抑制好、低駐波和交叉極化的特性，在卡塞格倫天線的理論基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種由饋電圓波導(dǎo)、匹配介質(zhì)塞、介質(zhì)支撐鏡及副反射面組成的新型濺散板饋源，其中的副反射面是在介質(zhì)支撐鏡的一側(cè)涂敷上導(dǎo)電性能良好的涂層，其結(jié)構(gòu)如圖1所示．對(duì)匹配介質(zhì)塞采用四分之一波長(zhǎng)階梯阻抗變換理論進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)，可通過(guò)調(diào)整匹配介質(zhì)塞的長(zhǎng)度(即圖1中l(wèi)1-l11)和階梯高度(即圖中r1-r10)，就能完成饋源介質(zhì)塞與圓波導(dǎo)的阻抗匹配．由于波導(dǎo)管中匹配介質(zhì)塞階梯變換段的特性阻抗非常復(fù)雜，無(wú)法通過(guò)數(shù)學(xué)公式表示，通過(guò)高頻結(jié)構(gòu)仿真(High Frequency Structure Simulation，HFSS)軟件，利用有限元數(shù)值分析方法進(jìn)行仿真計(jì)算．

介質(zhì)支撐鏡的作用不僅用于連接波導(dǎo)與副反射面、支撐副反射面，而且可以調(diào)整天線的阻抗匹配，用于提高饋源的回波損耗．通過(guò)對(duì)副反射面和介質(zhì)支撐鏡賦形，可控制天線主面口徑場(chǎng)的幅度和相位分布．當(dāng)天線工作的頻率為 14.40～ 15.35 GHz 時(shí)，為保證饋電波導(dǎo)主模TE11傳輸條件，根據(jù)波導(dǎo)理論確定圓波導(dǎo)的尺寸[9]，對(duì)應(yīng)傳輸模式的截止波長(zhǎng)λTEc和λTMc可表示為

其中，μmn為m階Bessel函數(shù)導(dǎo)數(shù)的第n個(gè)根，νmn為m階Bessel函數(shù)的第n個(gè)根．

將相應(yīng)的數(shù)據(jù)代入式(1)和式(2)可知: 6.12 mm

在卡塞格倫天線中，為減少副反射面邊緣能量漏失，需要適當(dāng)增大副反射面尺寸．但是較大的副反射面會(huì)對(duì)主面口徑有遮擋效應(yīng)，同時(shí)被副反射面反射的能量會(huì)在主面的頂點(diǎn)部分更為集中，這樣會(huì)導(dǎo)致天線的主面口徑場(chǎng)幅度分布不均勻，影響反射面天線的口徑利用率，使天線的增益受到限制．為解決副反射面邊緣能量漏失和主反射面口徑利用率之間的矛盾，文中采用副反射面的形狀修正技術(shù)，將副反射面的頂點(diǎn)附近更凸起一些，從而使饋源輻射到天線主反射面頂點(diǎn)部分的能量適度向外擴(kuò)散，使得主面口徑場(chǎng)分布更均勻．按照卡塞格倫天線的設(shè)計(jì)理論，利用HFSS仿真軟件進(jìn)行分析優(yōu)化后，取r9= 0.12D≈ 0.12× 300 mm= 36 mm，r10≈ 2.3 mm．

通過(guò)在副反射面與波導(dǎo)之間引入介質(zhì)支撐鏡來(lái)改善天線的阻抗，介質(zhì)支撐鏡選用介電常數(shù)為2.55的聚四氟乙烯介質(zhì)材料．金屬圓波導(dǎo)TE11主模經(jīng)過(guò)介質(zhì)波導(dǎo)漸變段逐漸耦合過(guò)渡為介質(zhì)圓波導(dǎo)的主模H11波，當(dāng)介質(zhì)波導(dǎo)的直徑大于波長(zhǎng)時(shí)，其主模絕大部分經(jīng)過(guò)逐漸變粗和臺(tái)階突變的介質(zhì)波導(dǎo)傳輸?shù)礁狈瓷涿妫缓蠼?jīng)過(guò)副反射面反射形成心形輻射的E面和H面等化方向圖．根據(jù)阻抗變換理論和漸變線理論設(shè)計(jì)好各段介質(zhì)波導(dǎo)的錐角、過(guò)渡階梯和介質(zhì)匹配塞的尺寸，完成饋源輻射頭與圓波導(dǎo)的阻抗匹配．

圖4 濺散板饋源的反射系數(shù)S11仿真結(jié)果

利用HFSS仿真軟件建立如圖1所示的濺散板饋源模型，對(duì)模型中的饋源采用上述設(shè)計(jì)思路進(jìn)行介質(zhì)支撐鏡和副反射面賦形，并對(duì)副反射面的頂點(diǎn)處進(jìn)行修正優(yōu)化，最終得到如圖2所示的饋源遠(yuǎn)場(chǎng)輻射平面方向圖、如圖3所示的三維輻射方向圖和如圖4所示的匹配性能．仿真結(jié)果表明，饋源E面和H面的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖在照射角120°左右范圍內(nèi)等化，在該范圍外迅速滾降，照射角邊緣電平約為 -12 dB．

2 天線的仿真設(shè)計(jì)與測(cè)試結(jié)果分析

當(dāng)饋源對(duì)反射面天線的主面邊緣照射時(shí)，若邊緣照射電平過(guò)高時(shí)，會(huì)引起饋源輻射電磁波的泄露，造成整個(gè)天線的副瓣電平過(guò)大；但是，若邊緣照射電平太低，則必然會(huì)引起主面口徑場(chǎng)的幅度分布不均勻，造成天線的口徑利用率降低．根據(jù)反射面天線的輻射方向圖包絡(luò)等級(jí)要求、可以綜合出口徑場(chǎng)所需的錐銷(xiāo)電平，再由錐銷(xiāo)電平和饋源遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖確定主反射面的焦徑比．

當(dāng)天線工作在中心頻率f0=14.875 GHz時(shí)，天線的增益和焦徑比[10]分別為

其中，f為主反射面的焦距，D0為主反射面的直徑，λ為天線的工作波長(zhǎng)．

通常高性能反射面天線的口徑效率一般在50%～60%之間，現(xiàn)假設(shè)濺散板饋源天線的口徑效率η= 50%，為使天線的增益達(dá)到 31.5 dBi，通過(guò)式(3)可得到天線主面口徑的初始尺寸D0≈ 340 mm．依據(jù)圖2饋源的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖可得，當(dāng)邊緣照射電平為 -12 dB 時(shí)，此時(shí)照射邊緣的夾角ψ0≈ 124°．由式(4)可知，f≈ 45.2 mm．

依據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，利用Feko建立圖5所示的濺散板饋源天線的仿真模型，其中，U、V和N表示的坐標(biāo)系是Feko仿真中的一種局部坐標(biāo)系，并進(jìn)行了優(yōu)化，得到天線主面口徑直徑為 330 mm，焦距為 57.3 mm．最后，仿真得到如圖6和圖7所示的天線E面和H面遠(yuǎn)場(chǎng)輻射增益方向圖，如圖8所示的匹配性能．

圖5 濺散板饋源天線仿真模型圖6 E面增益方向圖

圖7 H面增益方向圖圖8 天線的駐波仿真結(jié)果

天線的仿真結(jié)果匯總?cè)绫?所示．仿真結(jié)果表明，濺散板饋源天線的中心頻率點(diǎn)增益達(dá)到 32.64 dBi，交叉極化鑒別率達(dá)到 50.51 dB，第1旁瓣電平抑制在 -19.63 dB; 在 14.40 GHz～ 15.35 GHz 的頻段范圍內(nèi) ， 最大駐波比為1.17 ， 理論上滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求 ， 天線達(dá)到了良好匹配 ， 性能優(yōu)良．目前由于Feko仿真軟件算

表1 天線的仿真結(jié)果匯總

圖9 天線在低、中和高頻點(diǎn)下的主極化方向圖

圖10 天線在低、中和高頻點(diǎn)下的交叉極化方向圖

圖11 濺散板饋源天線駐波比的測(cè)試結(jié)果

法自身的局限性，對(duì)于電大尺寸的反射面天線還只能在最大輻射方向 ±120° 范圍內(nèi)提供較為可靠的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射分析，所以仿真方向圖的后瓣部分可以不作分析．

將所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行樣件加工，并利用高架測(cè)試場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行增益和方向圖測(cè)試，得到天線的主極化方向圖如圖9所示，交叉極化方向圖如圖10所示．圖9和圖10中的折線為滿(mǎn)足歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(European Telecommunications Standards Institute，ETSI)Standard Range1 Class3標(biāo)準(zhǔn)的包絡(luò)線．駐波比的測(cè)試結(jié)果如圖11所示，電性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表2所示．

表2 電性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果

仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果之間的誤差可歸因于天線的制造工藝和測(cè)試場(chǎng)的精度，兩者基本吻合．所設(shè)計(jì)的反射面天線具有高增益、低旁瓣、前后比抑制較好、口徑效率高，以及遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖滿(mǎn)足ETSI Standard Range1 Class3標(biāo)準(zhǔn)等優(yōu)良性能，設(shè)計(jì)方法行之有效．

3 總 結(jié)

對(duì)比文獻(xiàn)[2，5]及文中所設(shè)計(jì)的反射面天線，將中心頻點(diǎn)處的性能指標(biāo)匯總，如表3所示．

表3 反射面天線的性能及參數(shù)對(duì)比

經(jīng)過(guò)對(duì)比可知，文中所設(shè)計(jì)的反射面天線具有高增益(不同天線的對(duì)比看口徑效率)，較低的旁瓣電平，前后比抑制較好，口徑效率高等特性．

仿真分析和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的反射面天線在14.40～15.35 GHz整個(gè)通帶擁有較小的電壓駐波比，天線增益不低于 31.5 dBi，遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖能滿(mǎn)足ETSI Standard Range1 Class3標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)在同等效率要求的前提下，與現(xiàn)有同類(lèi)型的反射面天線相比，有更好的近旁瓣和后瓣抑制，具有優(yōu)良的性能．

參考文獻(xiàn)：

[1] CHEN Z, YANG J, KILDAL P S. Design of Sector Antenna with Wideband 2D Hat-fed Reflector for Wireless Communications[C]//Proceedings of the 2015 International Symposium on Antennas and Propagation. Piscataway: IEEE, 2015: 7447340.

[2] LIU C, YANG S W, NIE Z P. Design of a Parabolic Reflector Antenna with a Compact Splash-plate Feed[C]//Proceedings of the 2013 Cross Strait Quad-regional Radio Science and Wireless Technology Conference. Piscataway: IEEE, 2013: 241-244.

[3] MAKAR G, TRAN N, KARACOLAK T. A High-isolation Monopole Array with Ring Hybrid Feeding Structure for In-band Full-duplex Systems[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2017, 16: 356-359.

[4] YAVUZ A, EREN C, YEGIN K, et al. Improved Splash-plate Feed Parabolic Reflector Antenna for Ka-band VSAT Applications[C]//Proceedings of the European Microwave Week 2016: Microwaves Everywhere. Piscataway: IEEE, 2016: 1283-1286.

[5] 張文濤, 李明杰, 曹衛(wèi)平, 等. 一種新型濺散板饋源天線[J]. 桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 35(2): 93-97.

ZHANG Wentao, LI Mingjie, CAO Weiping, et al. A New Type of Splash-plate Feed Antenna[J]. Journal of Guilin University of Electronic Technology, 2015, 35(2): 93-97.

[6] MA C, QU S W, YANG S W. Subreflectarrays for Ring-focus Reflector Antenna[C]//2017 10th Global Symposium on Millimeter-Waves. Piscataway: IEEE, 2017: 137-139.

[7] LIU H, DENISOV A, QIU J H, et al. A Novel Cassegrain Antenna with an FSS Sub-reflector and Cylinder Matcher[C]//2016 International Symposium on Antennas and Propagation. Piscataway: IEEE, 2016: 830-831.

[8] 蘇道一, 傅德民, 楊華. 一種快速分析毫米波反射面天線的新方法[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 36(2): 289-293.

SU Daoyi, FU Demin, YANG Hua. Analysis of Millimeter-wave Reflector Antennas Using a Novel Fast Method[J]. Journal of Xidian University, 2009, 36(2): 289-293.

[9] 梁昌洪, 謝擁軍, 官伯然. 簡(jiǎn)明微波[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006: 133.

[10] 斯塔茲曼蒂爾. 天線原理與設(shè)計(jì)[M]. 2版. 北京: 人民郵電出版社, 2006: 274.

Analysisanddesignofhighperformancesplash-platefeedantenna

LIUMinghui，XIANGZheng，XUTongtong，RENPeng，CHENYun

(School of Telecommunications Engineering, Xidian Univ., Xi’an 710071, China)

In order to improve the transmission distance and anti-interference ability of the microwave relay system and point-to-point communication system, we design a high performance splash-plate feed antenna with the diameter of 0.3m and the center frequency of 15 GHz. By shaping the dielectric supporting mirror and sub-reflector of the splash-plate feed, we realize the far field radiation pattern equalization and roll-off of the E plane and H plane within and outside the scope of the main reflector irradiation angle, respectively. Then, the impedance matching of the antenna is realized by optimizing the media matching plug. Finally, the design model is processed and tested, with the test results showing that the gain at the antenna center frequency point is 32.43 dBi, that the maximum sidelobe level can be suppressed to 21.89 dB and that the front to back ratio in the E plane and H plane is significantly improved to be 59.57 dB. The good agreement of measured data with simulation results verifies the proposed design.

reflector; splash-plate feed; shaped dielectric; low sidelobe

2017-05-31

時(shí)間：2017-07-26

中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2017M610644)

劉明輝(1987-)，男，西安電子科技大學(xué)博士研究生，E-mail: liumh9@qq.com．

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20170726.1749.002.html

10.3969/j.issn.1001-2400.2018.01.028

TN820

A

1001-2400(2018)01-0156-06

(編輯： 齊淑娟)