S／X／Ka三頻段天線電軸不一致性對(duì)天線性能的影響?

毛南平，段玉虎，潘高峰，??，梁盛

（1.中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部飛行器海上測(cè)量與控制聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，江蘇江陰214431；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所，西安710065）

S／X／Ka三頻段天線電軸不一致性對(duì)天線性能的影響?

毛南平1，段玉虎2，潘高峰1，??，梁盛1

（1.中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部飛行器海上測(cè)量與控制聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，江蘇江陰214431；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所，西安710065）

為滿足測(cè)量船未來(lái)深空探測(cè)測(cè)控任務(wù)的需求，設(shè)計(jì)了三頻段合用的波束波導(dǎo)天線。通過(guò)計(jì)算各頻段在4種情況下的波束不一致及增益損失，分析了多頻同時(shí)工作時(shí)電軸不一致對(duì)天線性能的影響，提出了天線盡量跟蹤在高頻段的使用建議，對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有極大意義。

測(cè)量船；三頻段天線；電軸不一致性；波束波導(dǎo)；極化波束；增益損失

1 引言

目前，波束波導(dǎo)天線技術(shù)在陸基測(cè)控天線方面的研究已有成功先例，但在船載測(cè)控天線動(dòng)態(tài)條件下的應(yīng)用尚處于研究階段［1］。波束波導(dǎo)天線技術(shù)在船載平臺(tái)應(yīng)用具有諸多優(yōu)點(diǎn)：例如，波束波導(dǎo)天線系統(tǒng)允許天線射頻組件放置在天線座架下的高頻機(jī)房中（船艙室內(nèi)），這樣便于對(duì)饋源網(wǎng)絡(luò)和前置放大組件進(jìn)行冷卻處理，較大程度地降低系統(tǒng)噪聲溫度，提高系統(tǒng)G／T值；減小了饋源與發(fā)射機(jī)之間的饋線損耗，有利于提高系統(tǒng)的上行EIRP值；射頻組件和各種高頻設(shè)備放置于機(jī)房?jī)?nèi)，溫度、濕度等工作環(huán)境能很好控制，系統(tǒng)的幅相特點(diǎn)、零點(diǎn)穩(wěn)定性等性能受環(huán)境影響較小，也便于設(shè)備維修；高頻滑環(huán)、中頻滑環(huán)基本可以不用，低頻滑環(huán)的路數(shù)也可大大減少等，因此需要進(jìn)行波束波導(dǎo)天線技術(shù)在船載平臺(tái)的應(yīng)用研究。

經(jīng)理論分析，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)，擬設(shè)計(jì)S／X／Ka三頻段合用的波束波導(dǎo)天線。三頻段同時(shí)工作時(shí)不同頻段電軸會(huì)有差別，本文通過(guò)天線波束不一致及增益損失的分析計(jì)算與仿真，對(duì)電軸不一致對(duì)性能影響進(jìn)行了研究，給出了多頻段天線同時(shí)工作的使用建議，為工程實(shí)際應(yīng)用提供了必要的理論基礎(chǔ)。

2 波束波導(dǎo)饋電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 饋電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)分析和對(duì)多個(gè)波束波導(dǎo)方案的比較［2］，我們選擇圖1所示的波束波導(dǎo)饋電系統(tǒng)。它由8個(gè)反射鏡組成，M1、M4、M6、M7和M8為平面鏡，M2和M3為拋物面反射鏡，M5為橢圓面反射鏡。為了保證S、X和Ka三頻段同時(shí)工作，平面鏡M6、M7采用了頻率選擇面，M6反射S頻段信號(hào)、傳輸X和Ka頻段信號(hào)、M7反射X頻段信號(hào)、傳輸Ka頻段信號(hào)。

圖1 波束波導(dǎo)饋電系統(tǒng)Fig.1 Beam waveguide feed system

2.2 分析方法

為了分析多頻段工作時(shí)電軸不一致對(duì)天線性能的影響，首先要分析計(jì)算天線各頻段和方向圖峰值和差方向圖零點(diǎn)位置，再計(jì)算天線的指向跟蹤時(shí)不同頻段天線和方向圖的峰值位置差值和TE21模跟蹤時(shí)差波束零點(diǎn)與和波束峰值之間的差值［4］。天線增益損失可按下式計(jì)算：

其中，P＝0.345 837 76，Δθ為波束位置差值，θ0.5為半功率波束寬度。

當(dāng)圓極化饋源照射非對(duì)稱或偏置反射面時(shí)就會(huì)發(fā)生波束傾斜。在波束波導(dǎo)饋電的35 m天線中，3個(gè)偏置饋電的鏡面M2、M3和M5是波束傾斜的主要貢獻(xiàn)源。頻率選擇面M6和M7也對(duì)波束傾斜有小的貢獻(xiàn)，在計(jì)算中未考慮鏡面變形引入的波束傾斜。分析表明波束位置是天線方位、俯仰角的函數(shù)，按兩種工作狀態(tài)分析，一是指向跟蹤方式時(shí)波束位置不一致及引入的增益損失，二是TE21模跟蹤工作方式時(shí)波束位置不一致及引入的增益損失。

分析表明，天線在某仰角下，天線方位在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，左右旋極化峰值位置的變化規(guī)律是相同的，峰值位置繞半徑為R1、圓心位置為（az0，el0）的圓周運(yùn)動(dòng)，并隨（AZ-EL）的增加按順時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)，如圖2所示。

圖2 波束傾斜位置與方位俯仰角的變化關(guān)系Fig.2 Relationship between beam inclined position and azimuth-pitching angle change

圓心位置在半徑為R0的圓周上按順時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)，可用下式擬合出其峰值位置的變化規(guī)律：

峰值位置偏離天線光軸的距離為

其中，az、el為波束峰值（或零點(diǎn)）在方位俯仰坐標(biāo)系中的位置；EL為天線俯仰角；AZ為天線方位角；R0為圓心位置半徑；φ0為圓心位置的初始角；R1為峰值位置半徑；φ1為峰值位置的初始角。

按照建立的GRASP天線仿真模型［5］，分別計(jì)算了仰角為45°、方位0°～360°時(shí)各頻段天線和方向圖峰值和差方向圖零點(diǎn)位置，假設(shè)某頻段跟蹤頻率為f0GHz，其和波束峰值（或差波束零點(diǎn)）位置坐標(biāo)為（az0，el0），另一接收（或發(fā)射）頻率波束峰值位置為（az1，el1），則兩波束之間的空間距離為

知道兩波束之間的空間距離后，可按式（1）計(jì)算增益損失。

3 仿真結(jié)果

本文分別計(jì)算了各頻段在以下4種情況下的波束不一致及增益損失，即左旋圓極化指向跟蹤時(shí)的波束不一致及增益損失、右旋圓極化指向跟蹤時(shí)的波束不一致及增益損失、左旋圓極化TE21模跟蹤時(shí)的波束不一致及增益損失、右旋圓極化TE21模跟蹤時(shí)的波束不一致及增益損失。

3.1 Ka頻段跟蹤時(shí)各頻段、極化波束不一致及增益損失

計(jì)算條件如下：跟蹤頻率為Ka頻段；跟蹤極化為左旋和右旋圓極化；俯仰角為45°；方位角為0°～360°，步長(zhǎng)45°。

表1給出了Ka頻段左右旋指向跟蹤和TE21模跟蹤時(shí)，各頻段收發(fā)波束峰值與跟蹤波束的最大空間距離及對(duì)應(yīng)的增益損失。

表1 Ka頻段跟蹤時(shí)各段波、各極化波束位置及增益損失Table 1 The S／X／Ka-band gain loss to the different polarization-beam position tracking on Ka-band

3.2 X頻段跟蹤時(shí)各頻段、極化波束不一致及增益損失

計(jì)算條件如下：跟蹤頻率為X頻段；跟蹤極化為左旋和右旋圓極化；俯仰角為45°；方位角為0°～ 360°，步長(zhǎng)45°。

表2給出了X頻段左右旋指向跟蹤和TE21模跟蹤時(shí)，各頻段收發(fā)波束峰值與跟蹤波束的最大空間距離及對(duì)應(yīng)的增益損失。

表2 X頻段模跟蹤時(shí)各段波、各極化波束位置及增益損失Table 2 The S／X／Ka-band gain loss to the different polarization-beam position tracking on X-band

3.3 S頻段跟蹤時(shí)各頻段、極化波束不一致及增益損失

計(jì)算條件如下：跟蹤頻率為S頻段；跟蹤極化為左旋和右旋圓極化；俯仰角為45°；方位角為0°～ 360°，步長(zhǎng)45°。

表3給出了S頻段左右旋指向跟蹤和TE21模跟蹤時(shí)，各頻段收發(fā)波束峰值與跟蹤波束的最大空間距離及對(duì)應(yīng)的增益損失。

表3 S頻段模跟蹤時(shí)各段波、各極化波束位置及增益損失Table 3 The S／X／Ka-band gain loss to the different polarization-beam position tracking on S-band

3.4 仿真結(jié)論

仿真計(jì)算結(jié)果表明：不論Ka頻段采用哪種跟蹤方式，波束不一致引入的增益損失小于0.03 dB，X頻段增益損失小于0.11 dB，S頻段增益損失小于0.01 dB；X頻段指向跟蹤時(shí)，S頻段增益損失小于0.005 dB，X頻段增益損失小于0.022 dB，Ka頻段增益損失小于1.56 dB；X頻段TE21模跟蹤時(shí)，S頻段增益損失小于0.006 dB，X頻段增益損失小于0.05 dB，Ka頻段增益損失小于2.2 dB；S頻段指向跟蹤時(shí)，S頻段增益損失小于0.009 dB，X頻段增益損失小于0.068 dB，Ka頻段增益損失小于1.85 dB；S頻段TE21模跟蹤時(shí)，S頻段增益損失小于0.11 dB，X頻段增益損失小于1.0 dB，Ka頻段增益損失小于29 dB。

根據(jù)仿真結(jié)果可得出以下結(jié)論：指向跟蹤時(shí)，同極化增益損失小于正交增益損失；指向跟蹤方式下天線增益損失小于TE21模跟蹤方式下的增益損失；不論采用指向跟蹤方式或TE21模跟蹤方式，高頻段跟蹤時(shí)由于電軸不一致引入的增益較小，反之則較大；S頻段TE21模跟蹤時(shí)引入的Ka頻段增益損失是不可接受的。也可得出：在低頻跟蹤時(shí)，特別是TE21模跟蹤時(shí)，高頻增益損失較大；但高頻跟蹤時(shí)，低頻增益損失較小。

4 結(jié)束語(yǔ)

為船載三頻段波束波導(dǎo)系統(tǒng)的天伺饋分系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制定天線使用要求，對(duì)該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，即電軸不一致對(duì)天線性能的影響進(jìn)行了研究。分析計(jì)算了波束不一致引入以及指向跟蹤和TE21模跟蹤方式下引起的增益損失。通過(guò)仿真明確了多頻段天線的使用策略，即在選擇天線跟蹤頻段時(shí)，應(yīng)盡量選擇在高頻段跟蹤，避免引入較大的增益損失；并為天伺饋分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，為進(jìn)一步系統(tǒng)優(yōu)化提供了重要的參考價(jià)值。

［1］Barton D K.雷達(dá)系統(tǒng)分析與建模［M］.南京電子技術(shù)研究所，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2012.Barton D K.Radar System Analysis and Modeling［M］.Translated by Nanjing Electronic Technology Research Institute. Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2012.（in Chinese）

［2］張明友，汪學(xué)剛.雷達(dá)系統(tǒng)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011. ZHANG Ming-you，WANG Xue-gang.Radar System Analysis and Modeling［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2011.（in Chinese）

［3］谷勝明，劉昊，張鳳林，等.W波段波束波導(dǎo)天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.遙測(cè)遙控，2009，30（5）：49－51. GU Sheng-ming，LIU Hao，ZHANG Feng-lin，et al.Design of W-band Beam Waveguide Antenna System［J］.Journal of Telemetry，Tracking and Command，2009，30（5）：49－51.（in Chinese）

［4］楊可忠.特殊波束面天線技術(shù)［M］.北京：人民郵電出版社，2009：111－114. YANG Ke-zhong.Special Beam Surface Antenna Technology［M］.Beijing：People′s Posts and Telecommunications Press，2009：111－114.（in Chinese）

［5］王紅霞，潘成勝，宋建輝.星載智能天線波束形成技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013. WANG Hong-xia，PAN Cheng-sheng，SONG Jian-hui.Spaceborne Beamforming Smart Antenna Technology［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2013.（in Chinese）

MAO Nan-ping was born in Jinjiang，Jiangsu Province，in 1972.He received the M.S.degree in 2004.He is now a senior engineer.His research concerns aerospace TT＆C technology.

段玉虎（1958—），男，陜西西安人，1982年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為研究員，主要從事天線與微波技術(shù)方面的研究；

DUAN Yu-hu was born in Xi′an，ShaanXi Province，in 1958. He received the B.S.degree in 1982.He is now a senior engineer of professor.His research concerns antenna and microwave.

潘高峰（1972—），男，遼寧錦州人，1995年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為高級(jí)工程師，主要從事智能儀器、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)方面的研究；

PAN Gao-feng was born in Jinzhou，Liaoning Province，in 1972.He received the B.S.degree in 1995.He is now a senior engineer.His research concerns intelligent instrument and ATS.

Email：pgfzhy＠163.com

梁盛（1971—），男，江蘇揚(yáng)州人，2011年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事航天測(cè)控總體技術(shù)方面的研究。

LIANG Sheng was born in Yangzhou，Jiangsu Province，in 1985.He received the M.S.degree in 2011.He is now an engineer.His research concerns aerospace TT＆C technology.

Impact of Electrical Axis Inconsistency on S／X／Ka-Band Antenna Performance

MAO Nan-ping1，DUAN Yu-hu2，PAN Gao-feng1，LIANG Sheng1
（1.Joint Laboratory of Ocean-based Flight Vehicle Measurement and Control，China Satellite Maritime Tracking and Control Department，Jiangyin 214431，China；2.The No.39 Research Institute of CETC，Xi′an 710065，China）

Shipborne tri-band beam waveguide antenna is designed to satisfy the need of deep-space TT＆C tasks. By computing beam inconsistency and gain loss for each band in four different conditions，the impact of electrical axis inconsistency on performance is analyzed in simultaneous operation at S／X／Ka-band.Suggestions for high frequency tracking are given，which is meaningful for practical applications.

TT＆C ship；tri-band antenna；electrical axis inconsistency；beam waveguide；polarized beam；gain loss

date：2013－01－22；Revised date：2013－04－15

??通訊作者：pgfzhy＠163.comCorresponding author：pgfzhy＠163.com

TN953

A

1001－893X（2013）07－0927－05

毛南平（1972—），男，江蘇晉江人，2004年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級(jí)工程師，主要從事航天測(cè)控總體技術(shù)方面的研究；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.07.020

2013－01－22；

2013－04－15