多波束卡塞格倫天線及饋源陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)

李增科，張曉沖 ，吳 旭，付博實(shí)

(1.中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司 河北分公司，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍32036部隊(duì)，重慶 400054)

0 引言

多波束天線利用多個(gè)饋源形成多個(gè)并行的波束，以此來偵查和探測目標(biāo)的具體位置，一般可以通過透鏡天線[1]、陣列天線[2]、相控陣[3]和反射面天線[4]等來實(shí)現(xiàn)多波束。多波束反射面天線就是在反射面焦點(diǎn)附近由多個(gè)饋源來形成多個(gè)波束。多波束天線技術(shù)在移動通信、衛(wèi)星通信和雷達(dá)探測等領(lǐng)域有極高的應(yīng)用價(jià)值。尤其在測控領(lǐng)域，由于近地的高動態(tài)目標(biāo)具有較快角速度和角加速度，要實(shí)現(xiàn)對其高概率快速捕獲是比較困難的[5]。因此，各國均開展了多波束天線的研制和相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，并取得了重大進(jìn)展[6-9]；另外，為了通信容量的擴(kuò)展，多波束天線還要具有較低旁瓣，使多波束能夠進(jìn)行多次頻率復(fù)用[10-11]。多波束天線設(shè)計(jì)的核心是饋源陣的設(shè)計(jì)，從而產(chǎn)生所需要的波束，因此天線的波束設(shè)計(jì)成為多波束天線很關(guān)鍵的技術(shù)之一。本文主要是在以往設(shè)計(jì)多波束天線的基礎(chǔ)上進(jìn)行總結(jié)和優(yōu)化分析，從而為后續(xù)工程實(shí)踐提供可靠的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與優(yōu)化方法。

1 天線模型和電氣指標(biāo)

天線采用卡塞格倫形式，由2.5 m口徑拋物面天線、Ka頻段主波束饋源、Ka頻段偏焦波束饋源、天線座、天線驅(qū)動單元和天線控制單元等組成。主要幾何參數(shù)如圖1所示。饋源對副面的照射角為37°，焦徑比F/D=0.35。

多波束天線的主要性能指標(biāo)為：

① 工作頻段：

上行：30～31 GHz；

下行：26～28 GHz。

② 主波束增益：

Gr≥53 dBi，(f0=28 GHz，E≥5°)；

Gt≥54 dBi，(f0=31 GHz，E≥5°)。

③ 主波束寬度：

θr：0.3×(1±10%)°，(f0=28 GHz)；

θt：0.27×(1±10%)°，(f0=31 GHz)。

④ 偏饋波束覆蓋范圍：

方位：-2°～+2°，俯仰：-2°～+2°。

⑤ 偏饋波束增益損失：≤2 dB。

⑥ 主波束第一旁瓣電平：≤-14dB。

2 饋源設(shè)計(jì)

利用多波束饋源陣來實(shí)現(xiàn)2.0°×2.0°的波束覆蓋范圍。綜合考慮天饋系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)及系統(tǒng)對各波束交疊情況的實(shí)際需求，最終組合饋源的外圍陣列為12×14方陣，中心4個(gè)饋源位置空出用于放置主饋源。多波束饋源外圍采用方喇叭密集排列，實(shí)現(xiàn)大的波束覆蓋范圍；中心饋源采用波紋喇叭形式，提高天線主用信道性能，主通道饋源配置有TE21模單脈沖跟蹤網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)單脈沖跟蹤功能，可同時(shí)接收左、右旋圓極化信號。

在成像跟蹤基帶配合下，偏饋多波束具有捕獲、跟蹤目標(biāo)能力；同時(shí)具有對主波束的自引導(dǎo)功能；多波束饋源在主波束周邊，呈對稱分布，單元一般采用方喇叭或圓喇叭形式。研制成功的多波束饋源外形如圖2所示。其中，外圍陣列饋源利用隔板移相器實(shí)現(xiàn)圓極化。

主用單脈沖跟蹤饋源由波紋喇叭、TE21模跟蹤網(wǎng)絡(luò)、圓極化器、正交模耦合器和頻率雙工器等組成，如圖3所示。

圖3 單脈沖跟蹤饋源結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of monopulse tracking feed

選用波紋喇叭是由于其具有良好的電氣性能，例如，旋轉(zhuǎn)軸對稱的主極化方向圖、極低的交叉極化峰值電平以及具有低旁瓣的特性和良好的匹配特性。

3 天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 天線口徑確定

天線口徑D的大小取決于子波束的波束寬度和副瓣電平要求，其關(guān)系為[12]：

D=(33.2-1.55SL)·λ/θ3 dB，

(1)

式中，D為天線口徑；SL為副瓣電平(dB)；θ3 dB表示3 dB波束寬度。

如果給定增益要求，拋物面直徑D可按式(2)近似計(jì)算：

G=(πD/λ)2(0.5～0.6)。

(2)

如果給定半功率波瓣寬度，則拋物面直徑D可按式(3)計(jì)算：

2θ3 dB=λ(65～80)/D。

(3)

對天線的增益和半功率波瓣寬度的要求不是獨(dú)立的，而是相互制約的。因?yàn)橐坏┨炀€的增益給定，它的波束寬度也就大致確定。本文中天線工作于28 GHz時(shí)，要求波束寬度為0.3°，則求出的天線口徑大約為2.5 m。

3.2 焦徑比的確定

焦徑比對偏饋波束的覆蓋范圍沒有影響，對偏饋波束增益有影響，隨著焦徑比的增大偏饋損失在減小，但是較大的焦徑比會導(dǎo)致天線的軸向尺寸很大，尤其是在車載天線中，方艙對天線的收藏高度是有要求的，很大的軸向尺寸會嚴(yán)重超高，因此應(yīng)該選擇合適的焦徑比。綜合考慮，取焦徑比F/D=0.35。

3.3 副面大小的取值確定

對于多波束天線來說，應(yīng)考慮到饋源遮擋，若取饋源艙的直徑dk=320 mm，記副面直徑為ds，主面焦距f，副面實(shí)虛焦點(diǎn)間距為fc，則在主面的遮擋區(qū)域直徑dx滿足公式：

fc/f=dk/dx。

(4)

當(dāng)天線主面確定后，副面的大小會對天線的主波束增益和旁瓣及偏饋損失等性能產(chǎn)生影響。副面變大，偏饋損失會降低，但副面過大時(shí)，主波束的增益會降低，旁瓣會變差。當(dāng)副面過小時(shí)，偏饋損失會很大。因此，選擇合適的副面在多波束天線設(shè)計(jì)中尤其重要。因此，要保證天線效率最大和偏饋損失較小，應(yīng)滿足：

ds≈dx。

(5)

本文中，fc=484.271 6 mm，f=875 mm，求得dx=578.2 mm，ds=580 mm。

3.4 波束覆蓋區(qū)域確定

偏饋饋源位置P與偏饋波束覆蓋區(qū)域W的對應(yīng)關(guān)系為：

W=Pθ0/λ，

(6)

式中，θ0為天線中心波束寬度；λ為對應(yīng)頻率的波長。這里選取θ0=0.3，工作頻率為28 GHz，偏離中心第6個(gè)饋源的位置P=72 mm，進(jìn)而得到W=2.016°。偏離中心第7個(gè)饋源的位置P=84 mm，進(jìn)而得到W=2.352°。

4 計(jì)算仿真結(jié)果與分析

采用商用Grasp10 軟件建立了天線模型，并對其遠(yuǎn)區(qū)場的輻射性能進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 計(jì)算模型Fig.4 Computational model

經(jīng)計(jì)算，得到了中心波束，如圖5和圖6所示，多波束天線波束覆蓋如圖7所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，多波束天線覆蓋區(qū)域方位和俯仰均大于±2.0°，滿足設(shè)計(jì)需求。

圖5 28 GHz中心波束Fig.5 28 GHz center beam

圖6 31 GHz中心波束Fig.6 31 GHz center beam

圖7 波束覆蓋Fig.7 Beam coverage

利用所建模型計(jì)算了各單元的輻射方向圖，31 GHz時(shí)主波束增益為56.09 dB，28 GHz時(shí)主波束增益為55.20 dB，第一旁瓣均小于-17.5 dB。由圖7可知，波束覆蓋范圍大于2.0°，在偏饋波束覆蓋范圍內(nèi)，從仿真結(jié)果得到31 GHz時(shí)偏焦天線最大增益損失為1.88 dB，28 GHz時(shí)偏焦天線最大增益損失為2.10 dB，略不滿足偏焦天線增益損失不高于2 dB的設(shè)計(jì)需求。

5 饋源陣的進(jìn)一步優(yōu)化分析

為了進(jìn)一步減小偏饋損失，需要對饋源陣列進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，拋開傳統(tǒng)的平面饋源陣列設(shè)計(jì)，改為從外至內(nèi)呈階梯式的非平面饋源陣列設(shè)計(jì)，由于偏離中心第6個(gè)饋源的波束覆蓋剛好在2.0°，因此重點(diǎn)研究了偏離中心第6個(gè)饋源在上下移動時(shí)，位移量對偏饋損失的影響，如圖8所示。橫坐標(biāo)的負(fù)值表示向下移動，正值表示向上移動。橫坐標(biāo)0表示偏離中心第6個(gè)饋源處于和天線實(shí)焦點(diǎn)同一高度。

圖8 偏饋損失與饋源位移量的變化曲線Fig.8 Variation curve of offset loss and feed displacement

由圖8可以看出，偏饋損失與饋源位移量的變化曲線類似于拋物線，有一個(gè)最低點(diǎn)，也是說在向上移動10 mm時(shí)，31 GHz時(shí)偏焦天線增益損失和28 GHz時(shí)偏焦天線最大增益損失分別為1.38，1.6 dB，與平面饋源陣列相比，偏饋損失要低0.5 dB。

6 結(jié)束語

本文完成了反射面天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)和饋源陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)，每個(gè)饋源對應(yīng)一個(gè)波束，共使用了165個(gè)饋源，通過對多波束饋源陣進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低了偏饋損失，具有很好的指導(dǎo)和借鑒意義。仿真表明，該天線可實(shí)現(xiàn)2.0°×2.0°的波束覆蓋范圍，在該范圍內(nèi)主波束增益優(yōu)于55.09 dB，偏饋源損失小于1.6 dB，滿足波束覆蓋區(qū)、天線增益和旁瓣電平等各項(xiàng)指標(biāo)要求。該天線形式可應(yīng)用在地面、車載、測控及星載等多波束通信領(lǐng)域。