Ku/Ka/W三頻段單饋源反射面天線設(shè)計(jì)

摘" 要： 為了簡(jiǎn)化多頻段反射面天線的整體結(jié)構(gòu)與體積，設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的三頻段饋源，采用單腔體的形式而非復(fù)雜的共軸嵌套式或填充介質(zhì)等方法，以此來(lái)精簡(jiǎn)整個(gè)饋源的設(shè)計(jì)與加工。為了在Ku/Ka兩個(gè)相近低頻段獲得較好的隔離度，分別設(shè)計(jì)了兩個(gè)低通的三階濾波器。使用ANSYS HFSS電磁仿真軟件進(jìn)行Ku/Ka/W三頻段單饋源反射面天線設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析。實(shí)際測(cè)量時(shí)，饋源三個(gè)端口的S參數(shù)采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得，饋源及反射面天線系統(tǒng)的增益則在暗室中測(cè)量得到。天線仿真設(shè)計(jì)和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在Ku/Ka/W三個(gè)常用頻段，即14.5～15.5 GHz、34.5～35.5 GHz及93～95 GHz頻率范圍內(nèi)，天線的電壓駐波比均小于1.3，各個(gè)端口隔離度優(yōu)于40 dB，具有代表性的三個(gè)中心頻率點(diǎn)14.5 GHz、35 GHz、94 GHz的天線增益分別為30.5 dBi、34.6 dBi和39.7 dBi，交叉極化優(yōu)于-23.9 dB，旁瓣電平優(yōu)于-21.6 dB。所設(shè)計(jì)的反射面天線實(shí)現(xiàn)了頻段跨度接近6.5∶1的Ku/Ka/W三頻段特性。

關(guān)鍵詞： 反射面天線； 三頻段； 單饋源； 三階濾波器； 面對(duì)稱結(jié)構(gòu)； 頻點(diǎn)測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN820?34； TP311" " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " "文章編號(hào)： 1004?373X（2024）14?0083?06

Design of Ku/Ka/W tri?band reflector antenna using single feed

FANG Xiang1， FAN Jiayi1， WANG Jie2

（1. Suzhou Institute of Technology， Jiangsu University of Science and Technology， Zhangjiagang 215600， China;

2. College of Electronic and Information Engineering， Nanjing University of Information Science amp; Technology， Nanjing 210044， China）

Abstract： In order to simplify the overall structure and volume of multiband reflector antennas， a structurally simple tri?band feed is designed by means of the single cavity form instead of complex coaxial nested or filled media methods， so as to simplify the design and processing of the entire feed. In order to achieve good isolation in the two similar low?frequency bands of Ku/Ka， two low?pass third?order filters are designed separately. The design and optimization analysis of Ku/Ka/W tri?band single feed reflector antenna are conducted by means of ANSYS HFSS electromagnetic simulation software. In actual measurement， the S parameters of the three ports of the feed are measured by means of the vector network analyzer， and the gain of the feed and reflector antenna system is measured in a darkroom. The simulation design and actual measurement results of the antenna show that in the three commonly used frequency bands of Ku/Ka/W， namely 14.5～15.5 GHz， 34.5～35.5 GHz， and 93～95 GHz frequency range， the voltage standing wave ratio of the antenna is less than 1.3， and the isolation degree of each port is better than 40 dB. The antenna gains at the three representative center frequency points of 14.5 GHz， 35 GHz， and 94 GHz are 30.5 dBi， 34.6 dBi， and 39.7 dBi， respectively. The cross polarization is better than -23.9 dB， and the sidelobe level is better than 21.6 dB. The designed reflector antenna can realize the Ku/Ka/W tri?band characteristics with a frequency span close to 6.5∶1.

Keywords： reflector antenna; tri?band; single feed; single tri?order filter; symmetrical structure; frequency point testing

0" 引" 言

反射面天線由于增益高、波束窄等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于射電天文、衛(wèi)星通信以及大氣探測(cè)等方面。隨著衛(wèi)星通信頻段的不斷提高與增加，以及大氣中對(duì)多種粒子探測(cè)需求的提高，多頻段反射面天線的應(yīng)用日益豐富且逐步受到重視。近幾年，國(guó)內(nèi)外許多機(jī)構(gòu)對(duì)多頻段雷達(dá)系統(tǒng)在大氣探測(cè)及多頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)[1?3]等方面展開(kāi)研究，這對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的多頻段反射面天線系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)，尤其在航天系統(tǒng)及地面小型工作站等應(yīng)用場(chǎng)景。目前，主要有以下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻段反射面天線：采用卡塞格倫天線，并將多個(gè)饋源分別放置在由FSS（頻率選擇表面）制成的副反射面兩側(cè)的方式[4?5]；采用一個(gè)多頻段饋源的方式，包括加載介質(zhì)、多腔體嵌套[6?8]或單腔體結(jié)構(gòu)形式[3，9]。

文獻(xiàn)[1]針對(duì)衛(wèi)星通信的需求，提出了一個(gè)共用口徑面的S/C雙頻段反射面天線系統(tǒng)，其中S波段采用雙層結(jié)構(gòu)的EMCP（電磁耦合）貼片天線，C波段采用位于下層的4個(gè)微帶天線單元進(jìn)行輻射。文獻(xiàn)[4?5]指出采用FSS（頻率選擇表面）及多個(gè)饋源可實(shí)現(xiàn)多頻段偏天線，其中，文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一個(gè)頻率在2.4～2.8 GHz通帶、 4.6～5.0 GHz阻帶的FSS，以實(shí)現(xiàn)雙頻特性。文獻(xiàn)[7]采用共軸嵌套的方式，對(duì)兩個(gè)腔體分別進(jìn)行加工與組裝，實(shí)現(xiàn)X/Ka雙頻同時(shí)工作的特性。文獻(xiàn)[8]采用多種饋源組合的方式，在X、Ka喇叭天線的基礎(chǔ)上，又加載了S頻段的4個(gè)陣子，最終實(shí)現(xiàn)S/X/Ka三頻段的性能特點(diǎn)。文獻(xiàn)[3，9]針對(duì)氣象雷達(dá)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有波導(dǎo)濾波器結(jié)構(gòu)的Ka/W雙頻段喇叭天線，可以在 35.75 GHz 和94.05 GHz 兩個(gè)中心頻點(diǎn)處同時(shí)工作，且隔離度優(yōu)于70 dB。

本文根據(jù)喇叭天線的最優(yōu)設(shè)計(jì)原理以及波導(dǎo)模式耦合理論，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的三頻段單饋源反射面天線。該三頻段反射面天線的核心為一個(gè)三頻段饋源，它采用單腔體結(jié)構(gòu)而非多腔體、填充介質(zhì)及加載過(guò)渡段等復(fù)雜形式，在保證整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了頻段跨度接近6.5∶1的Ku/Ka/W三頻段特性。整體饋源為面對(duì)稱結(jié)構(gòu)，便于加工，三個(gè)頻段的饋電口均為標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)，便于實(shí)際使用，其仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好。采用所設(shè)計(jì)的饋源，可實(shí)現(xiàn)總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔的三頻段反射面天線系統(tǒng)。

1" 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1" 饋源設(shè)計(jì)

采用多腔體共軸嵌套方式容易實(shí)現(xiàn)大跨度的多頻段饋源，但其設(shè)計(jì)、加工及饋電網(wǎng)絡(luò)都較為復(fù)雜。本文考慮到重量以及加工情況，決定采用單腔體形式，同時(shí)為了簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu)，沒(méi)有采用加載介質(zhì)、波紋或過(guò)渡段等復(fù)雜形式。

饋源結(jié)構(gòu)如圖1a）所示，整體關(guān)鍵參數(shù)如圖1b）所示。圖1a）中直接將W波段圓錐喇叭作為三頻段的公共腔，并在Ku/Ka頻段耦合口處使用了兩個(gè)低通濾波器。三個(gè)頻段的饋電口均為標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)，保持了整體結(jié)構(gòu)的一致性以及較好的實(shí)用性。

設(shè)計(jì)該三頻段饋源的主要步驟如下。

1） 設(shè)計(jì)一個(gè)工作在最高頻段的圓錐喇叭天線，作為三個(gè)頻段的公共腔體，本文對(duì)應(yīng)的頻段為W波段，頻率為94 GHz。

2） 設(shè)計(jì)兩個(gè)工作于低頻段的低通濾波器來(lái)抑制高頻段電磁波的傳播，提高端口隔離度。本文采用的是Ku、Ka頻段的三階低通濾波器，對(duì)應(yīng)35 GHz及14.5 GHz。

3） 將所設(shè)計(jì)的兩個(gè)濾波器選取合適位置與公共腔體相整合，使兩端口在公共腔中耦合出TE11模式，并優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)以獲得最終尺寸，結(jié)果如表1所示。

如圖1b）所示，饋源的縱向尺寸為L(zhǎng)，喇叭的半張角為θ，口徑面半徑為R，公式如下：

[L=4R28δ，" " δ?L] （1）

[θ=arctanRL=arccosLL+δ] （2）

式中：δ=0.32λ，λ為自由空間的波長(zhǎng)。式中圓錐公共腔的參數(shù)由圓錐喇叭天線的設(shè)計(jì)方法[10?11]確定。

對(duì)于高頻段94 GHz而言，這里所取波長(zhǎng)近似為3.19 mm。由式（1）和式（2）可知，當(dāng)喇叭天線L、θ、R其中一個(gè)參數(shù)確定后，其他參數(shù)也就確定。為了使得Ku、Ka頻段的標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)的TE10模式能在公共腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)較好的耦合，選擇在圓錐腔內(nèi)激勵(lì)TE11模式，其工作波長(zhǎng)范圍根據(jù)圓波導(dǎo)的模式[12]來(lái)大致確定，公式如下：

[λ3.14lt;Rlt;λ2.62] （3）

式中：λ為在圓波導(dǎo)中TE11模式工作的截止波長(zhǎng)；R為圓波導(dǎo)的半徑。首先，最低Ku頻段對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)取20.69 mm，則由式（3）可知，對(duì)應(yīng)半徑范圍為6.59～7.9 mm，因此對(duì)應(yīng)的圓錐腔體口徑需要大于7.8 mm。考慮到實(shí)際加工及使用，本文選取半徑R=12 mm，再依據(jù)式（1）、式（2）可得其公共腔體縱向尺寸為L(zhǎng)=70.5 mm，半張角θ約為9.7°。

由式（3）可推導(dǎo)得出Ku/Ka兩個(gè)低頻段耦合口的位置，公式如下：

[λ3.14tanθlt;Dlt;λ2.62tanθ] （4）

式中D為低頻段兩個(gè)耦合口中心距離喇叭端點(diǎn)的距離。經(jīng)計(jì)算，對(duì)于35 GHz、14.5 GHz兩個(gè)頻段，距離D1為16～19.2 mm，D2為35.1～42 mm。至此，三頻段饋源的腔體結(jié)構(gòu)以及大致尺寸已經(jīng)確定。由于波導(dǎo)的高通特性，分別在Ku、Ka兩個(gè)端口處設(shè)計(jì)了三階低通濾波器[13]來(lái)提高各端口的隔離度。兩個(gè)濾波器的仿真結(jié)果如圖2所示。

最后，將所設(shè)計(jì)的饋源結(jié)構(gòu)與濾波器相整合，并在電磁仿真軟件HFSS中進(jìn)行仿真與優(yōu)化，在確保Ku/Ka端口較好耦合TE11模式的情況下，確定該饋源的最終關(guān)鍵尺寸，如表1所示。

由圖3饋源各端口的隔離度和電壓駐波比（VSWR）的仿真結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)的三頻段饋源在W波段，端口1與端口2隔離度大于60 dB，端口1與端口3隔離度優(yōu)于50 dB，端口2與端口3隔離度大于40 dB。同時(shí)，各端口的電壓駐波比在2 GHz的帶寬下均小于1.2。

1.2" 反射面天線設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)對(duì)天線的性能要求，并考慮到前饋式拋物面的遮擋問(wèn)題以及卡塞格倫天線相對(duì)較高的成本，最終決定采用偏饋式拋物面結(jié)構(gòu)。對(duì)于單偏置反射面天線，其口徑場(chǎng)為等相場(chǎng)，反射的電磁波仍為平行于拋物面主軸的平面波。

該反射面天線的尺寸采用焦徑比方法進(jìn)行確定，公式如下：

[fD=14cot?2] （5）

首先確定該反射面的口徑D為40 cm，由于所設(shè)計(jì)的三頻段饋源頻率跨度較大，其-3 dB波束寬度差別較大，這里折衷選擇波束照射角為35°，則根據(jù)公式（5）可知焦距f為31.75 cm，為了實(shí)際加工定為整數(shù)32 cm。偏置反射面的天線結(jié)構(gòu)如圖4所示，其最終尺寸參數(shù)如表2所示。

2" 實(shí)物測(cè)試

2.1" 三頻段饋源測(cè)量

得益于該饋源的面對(duì)稱結(jié)構(gòu)，加工時(shí)將它剖分為對(duì)稱的兩個(gè)部分進(jìn)行，這既簡(jiǎn)化了加工步驟也降低了成本。加工材質(zhì)為鋁，采用CNC工藝，加工時(shí)為了盡可能減少對(duì)電場(chǎng)分布的破壞，需要對(duì)表面粗糙度提出要求，這里將其限定在0.8 μm。最終加工實(shí)物圖如圖5所示。

饋源的電壓駐波比由2臺(tái)頻率在10 MHz～40 GHz和75～110 GHz的安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得，其S參數(shù)測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

饋源的增益在微波暗室中測(cè)得，其三個(gè)頻段的E面以及H面的增益如圖7所示。

通過(guò)三端口的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，S參數(shù)性能吻合較好，細(xì)微的抖動(dòng)來(lái)自于加工表面的粗糙度、加工誤差以及兩個(gè)部分的組裝，并且其內(nèi)表面若采用鍍金工藝，其性能將會(huì)有所改善。在14.5～15.5 GHz、34～35.5 GHz、93～95 GHz處，電壓駐波比分別小于1.3、1.23、1.12。

三頻段饋源系統(tǒng)的實(shí)測(cè)場(chǎng)景圖如圖8所示。

在14.5 GHz、35 GHz、94 GHz三個(gè)頻點(diǎn)處的增益分別為12 dBi、17.4 dBi、23.6 dBi，其交叉極化均小于-23 dB。所設(shè)計(jì)的三頻段喇叭天線滿足作為反射面天線的饋源需求。其關(guān)鍵的性能指標(biāo)如表3所示。

2.2" 反射面天線整體測(cè)量

根據(jù)選定的參數(shù)，調(diào)整所設(shè)計(jì)的三頻段饋源的相位中心與反射面的焦點(diǎn)相對(duì)距離，并固定好各部件，分別對(duì)反射面系統(tǒng)在14.5 GHz、35 GHz及94 GHz三個(gè)頻點(diǎn)處進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，該反射面天線系統(tǒng)在14.5 GHz、35 GHz及94 GHz處增益分別為30.5 dBi、34.6 dBi和39.7 dBi。-3 dB波束寬度分別為6.4°、3.5°和1.9°，旁瓣分別小于-21.6 dB、-25.5 dB和-24.7 dB，在最大輻射方向處交叉極化分別小于-23.7 dB、-21.6 dB和-26.1 dB。最終測(cè)試結(jié)果證明該天線滿足了多頻段系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

共面天線實(shí)測(cè)場(chǎng)景圖如圖10所示。

3" 結(jié)" 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)工作于Ku/Ka/W三頻段的反射面天線，該天線可用于多頻段衛(wèi)星通信、氣象雷達(dá)等系統(tǒng)。天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是Ku/Ka/W三頻段饋源。它采用了單腔體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高低工作頻率比接近6.5∶1的大跨度。與以往的應(yīng)用共軸嵌套的多層形式或者加載介質(zhì)棒、波紋等復(fù)雜結(jié)構(gòu)天線設(shè)計(jì)相比，該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了天線設(shè)計(jì)，降低了加工難度和成本，更重要的是減輕了天線的重量，使之更適合于衛(wèi)星、飛機(jī)等應(yīng)用場(chǎng)合。

參考文獻(xiàn)

[1] CHAKRABARTI S， DAS E N， BARMAN G. A shared aperture microstrip antenna for S/C?band communications [J]. International journal of systems assurance engineering and management， 2021， 14： 1?8.

[2] MONJE R R， BEAUCHAMP R M， COOPER K B， et al. A compact W?band breadboard radar for Atmospheric Measurements [C]// 2020 IEEE Radar Conference （RadarConf20）. Florence， Italy： IEEE， 2020： 1?4.

[3] JIE W， GE J X， YONG Z， et al. Design of a high?isolation 35/94 GHz dual?frequency orthogonal?polarization cassegrain antenna [J]. IEEE antennas amp; wireless propagation letters， 2017， 16： 1297?1300.

[4] LUO G Q， YU W， YU Y， et al. Broadband dual?polarized band?absorptive frequency selective rasorber using absorptive transmission/reflection surface [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 2020， 68（12）： 7969?7977.

[5] LI J， YIN J， JIA Y， et al. Design of compact dual band shared aperture antenna system based on frequency selective surface [J]. Microwave and optical technology letters， 2023， 65： 2056?2065.

[6] BLANCO J L， SHEN H， CHEN C. UWB Antenna design for lunar radiometry [C]// 2021 Antenna Measurement Techniques Association Symposium （AMTA）. Daytona Beach， FL， USA： IEEE， 2021： 1?4.

[7] 吳建明，焦一嵩，張文靜.一種X/Ka雙頻同軸饋源的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2022（6）：55?59.

[8] 馬新生，楊洋，付軼軒，等.一種S，X，Ka三頻段饋源結(jié)構(gòu)：CN216488505U[P].2022?05?10.

[9] NAGARAJA S P M， MONJE R R， COFIELD R. Dual frequency feed horn design for a compact cloud and precipitation radar operating at Ka? and W?band [C]// 2021 International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications （ICEAA）. Honolulu， HI， USA： IEEE， 2021： 92.

[10] 高源慈，李洋洋.95 GHz喇叭天線的設(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào)，2020，36（z1）：87?90.

[11] KRAUS J D， MARHEFKA R J.天線[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2017.

[12] POZAR D M.微波工程[M].4版.北京：電子工業(yè)出版社，2019.

[13] TEBERIO F， ARNEDO I， PERCAZ J M， et al. Meandered corrugated waveguide low?pass filter [C]// 2017 IEEE MTT?S International Microwave Workshop Series on Advanced Materials and Processes for RF and THz Applications （IMWS?AMP）. Pavia， Italy： IEEE， 2018： 1?3.