Ku、Ka頻段龍伯透鏡饋源陣列技術(shù)研究

劉 璟 楊仕文 鐘鳴海 王卓

(電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波工程系,四川成都611731)

1.引 言

龍伯透鏡具有多波束、寬頻帶等優(yōu)點(diǎn),近年來在衛(wèi)星通信領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[1]。用于收發(fā)同一顆衛(wèi)星的龍伯透鏡天線系統(tǒng)的多頻段饋源已成為研究的趨勢和熱點(diǎn)[2]。在龍伯透鏡饋電系統(tǒng)中將單個Ku、Ka饋源并排放置(如圖1所示),其最大波束指向都會產(chǎn)生一定角度的偏移,無法實(shí)現(xiàn)收發(fā)同一顆衛(wèi)星(假定衛(wèi)星處于z軸方向)。

圖1 Ku、Ka饋源偏焦示意圖

為了實(shí)現(xiàn)Ku、Ka多頻段饋源最大波束指向一致,在原饋源基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),輻射口面采用介質(zhì)桿天線取代尺寸較大的喇叭,減小饋源的陣間距,以利于饋源組陣。采用將Ka饋源放置中間,四周擺放四個Ku饋源組陣的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)Ku、Ka頻段最大波束指向一致并跟蹤同一顆衛(wèi)星的目的。其中,Ku、Ka饋源均工作于雙頻段并可同時進(jìn)行收發(fā),具體工作頻率為 Ku下行：12.25～12.75 GHz,Ku上行：14.0～ 14.5 GHz;Ka下行：19.7～ 21.2 GHz,Ka上行：29.5～31.0 GHz。

2.Ku、Ka頻段饋源設(shè)計

饋源的設(shè)計在透鏡天線系統(tǒng)或拋物面天線中都起到至關(guān)重要的作用,這里將文獻(xiàn)[3-4]中的Ku、Ka饋源進(jìn)行改進(jìn),饋源輻射口面采用介質(zhì)桿天線取代喇叭從而減小饋源的橫向尺寸,減小陣間距,以便于饋源組陣。其中改進(jìn)后的Ku饋源單元模型如圖2所示,兩個端口分別用于接收和發(fā)射,將探針垂直放置可以同時實(shí)現(xiàn)收發(fā)正交線極化的目的。饋電部分采用標(biāo)準(zhǔn)的同軸探針,收發(fā)端口中間的金屬桿對發(fā)射端口起到短路臂的作用,通過商用軟件CST仿真得到兩個端口之間的收發(fā)隔離度達(dá)40 dB以下。設(shè)計時為保證Ku接收和發(fā)射頻段內(nèi)圓波導(dǎo)只工作于主模TE11模,其半徑尺寸須滿足

圖2 Ku饋源模型示意圖

介質(zhì)桿中傳播的主模為HE11模,其具有良好的旋轉(zhuǎn)軸對稱方向圖以及較低的交叉極化。設(shè)計時為避免激勵起其他模式,須適當(dāng)選擇截面直徑使它們工作在截止?fàn)顟B(tài),一般只需避免產(chǎn)生非對稱的HE12和EH12模式,需滿足以下條件

式中：r為介質(zhì)桿半徑;εr為介電常數(shù);λ為自由空間中的波長。通過商用軟件CST仿真得到的 Ku頻段饋源接收和發(fā)射中心頻的歸一化方向圖分別如圖3(a)、3(b)所示,其軸向的交叉極化低于40 dB。

高頻Ka饋源模型如圖4所示,它由正交模耦合器、圓極化器、輻射口面三部分組成。通過正交模耦合器將Ka上下行頻段內(nèi)的信號傳輸?shù)焦膊▽?dǎo)中,然后通過介質(zhì)片加脊圓極化器將這兩個頻段的信號分解為左旋和右旋圓極化,最后通過介質(zhì)桿天線輻射出去。其中,圓極化器、正交模耦合器的設(shè)計可以參考文獻(xiàn)[4],介質(zhì)桿天線的設(shè)計按式(2),這里選取介電常數(shù)為2.1的聚四氟乙烯作為介質(zhì)材料。這樣,相比原輻射口面采用傳統(tǒng)的喇叭而言就減小了饋源的橫向尺寸,以利于饋源組陣。雙頻段正交模耦合器的隔離度可以達(dá)到50 dB以下。CST仿真得到的Ka饋源的接收、發(fā)射中心頻方向圖分別如圖5(a)、5(b)所示,其軸向交叉極化低于30 dB。

3.饋源組陣實(shí)現(xiàn)收發(fā)同一顆衛(wèi)星

利用上述設(shè)計的Ku、Ka饋源組成陣列作為龍伯透鏡饋源(如圖6所示),其中Ka饋源放置在陣列中間,四周擺放4個相同的Ku饋源,陣間距為20.5 mm。采用等幅同相饋電,組成陣列后的Ku接收和發(fā)射中心頻方向圖分別如圖7(a)、7(b)所示?？梢钥闯鼋M陣后的-10 dB主瓣寬度比起單元要變窄50度左右。分析透鏡方法可以按照矢量波函數(shù)展開法計算[5]。將饋源口面按十分之一波長離散成一個個小的惠更斯面元,并用等效電流和磁流來代替。將Ka饋源至于z軸正上方,四周擺放4個Ku饋源,將其作為透鏡的饋源,此時Ka、Ku頻段波束最大指向均為θ=180°,達(dá)到了收發(fā)同一顆衛(wèi)星的目的。

下面以一個直徑為500 mm,分10層的龍伯透鏡為例進(jìn)行分析。其分層方法采用傳統(tǒng)的等厚度分層方法,具體半徑及介電常數(shù)等參數(shù)如表1所示,這里假定介質(zhì)損耗tanδ=0.001。

表1 龍伯透鏡分層參數(shù)

通過矢量波函數(shù)展開法計算得到透鏡在Ku、Ka接收、發(fā)射中心頻的歸一化增益方向圖如圖8(a)、8(b)所示,最大增益分別為30.4 dBi、29.7dBi、36.3 dBi、39.5 dBi。天線整體效率可以按以下公式計算

式中：R為透鏡半徑;λ為工作波長。通過式 (3)計算得到的Ku上下行、Ka上下行的效率分別為25%、19%、36%、34%。整體效率不高,究其原因主要是傳統(tǒng)的等厚度分層不能達(dá)到最佳的效率,此外,介質(zhì)材料在Ka頻段的損耗以及Ku頻段饋源的組陣導(dǎo)致波束過窄等因素都使得天線效率有所下降?？赏ㄟ^差分進(jìn)化算法優(yōu)化透鏡每層的參數(shù)(透鏡半徑、介電常數(shù)以及饋源焦距等)達(dá)到改善龍伯透鏡天線效率的目的[6]。

4.結(jié) 論

[3]WANG Zhuo,YANG Feng,NIE Zaiping.Dielectric rod Antenna for C band with changeable beamwidth and excellent radiation characteristics[C]//The 8th International Symposium on Antennas,Propagation,and EM Theory,2008.

[4]TARGONSKI S D.A multiband antenna for satellite communications on the move[J].IEEE Trans.On Antennas and Propagation,2006,54(10)：2862-2868.

[5]SANFORD J R.Scattering by spherically stratified microwave lens antennas[J].IEEE T rans.On Antennas and Propagation,1994,37(1)：690-698.

[6]ZHONG Minghai,YANG Shiwen,NIE Zaiping.Optimization of a luneberg lens antenna using the differential evolution algorithm[C]//Antennas and Propagation Society International Symposium,2008.