一種格里高利型衛(wèi)星通信天線的設(shè)計(jì)

李印濤 張義坡

【摘要】? ? 小型衛(wèi)星通信車載天線要求具有高效率、低副瓣和小型化的特點(diǎn)。采用格里高利型雙偏置天線形式對(duì)于單偏置天線更有優(yōu)勢(shì)，更容易實(shí)現(xiàn)緊湊的結(jié)構(gòu)，滿足小型衛(wèi)星通信車載站的要求。在天線設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了賦形設(shè)計(jì)，并使用商用仿真軟件進(jìn)行了仿真計(jì)算，利用該方法設(shè)計(jì)了一種雙偏置衛(wèi)星通信天線。經(jīng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的天線電氣性能優(yōu)良，具有良好的實(shí)用性。

【關(guān)鍵詞】? ? 格里高利型雙偏置天線? ? 賦形設(shè)計(jì)? ? 仿真計(jì)算

ABSTRACT? Small satellite communication vehicle antenna should have the characteristics of high efficiency， low sidelobe and miniaturization. The form of Gregory double offset antenna is more advantageous for single offset antenna， and it is easier to achieve compact structure， which can meet the requirements of small satellite communication vehicle station. At the time of antenna design， the shaping design is carried out， and the simulation calculation is carried out by using commercial software. A double offset satellite communication antenna is designed by using this method. The experimental results show that the designed antenna has excellent electrical performance and good practicability.

Key words? Gregorian Antenna， Shape design， simulation calculation.

引言：

隨著科技發(fā)展，衛(wèi)星通信車載站以其機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)在衛(wèi)星通信領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，而車載站要求天線具有小型化、高增益、低副瓣的特點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外小口徑的車載天線的形式大多采用單偏置前饋天線[1][2][3]。單偏置拋物面天線的出現(xiàn)為單反射面天線的旁瓣特性、電壓駐波比的改善開辟了新徑，目前已得到了廣泛的工程應(yīng)用。但是其圓極化使用引起的波束傾斜及線極化使用時(shí)交叉極化的上升限制了它的在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。人們經(jīng)過多年的研究，在對(duì)稱雙反射面天線的啟示下，開拓了雙偏置反射面天線這一領(lǐng)域。為了克服和緩解單偏置拋物面的固有缺點(diǎn)，通過合理配置主、副反射面的偏置狀態(tài)或修正主、副反射面的形狀達(dá)到以下目的：

1.消除或降低了對(duì)口面的遮擋，提高了天線效率;

2.改善了近軸旁瓣特性和駐波比特性。

卡塞格倫型反射面天線和格里高利型反射面天線做雙偏置反射面天線最典型的兩個(gè)代表，兩型天線其主面均為拋物面。對(duì)比兩種天線的副反射面，格里高利型的副反射面是橢球面的一部分，較卡塞格倫型更容易實(shí)現(xiàn)緊湊的結(jié)構(gòu)，若設(shè)計(jì)參數(shù)選取得當(dāng)，可在初級(jí)饋源和副反射面之間產(chǎn)生易于實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)場(chǎng)條件。

根據(jù)格里高利型雙偏置反射面天線的特點(diǎn)，對(duì)天線進(jìn)行了賦形設(shè)計(jì)和仿真計(jì)算。最終設(shè)計(jì)了一種Ka頻段格里高利型衛(wèi)星通信天線，給出了實(shí)測(cè)結(jié)果，并結(jié)合實(shí)測(cè)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

一、 參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1反射面參數(shù)設(shè)計(jì)

賦形雙偏置天線是以標(biāo)準(zhǔn)雙偏置天線的幾何參數(shù)為基礎(chǔ)，所以必須選好標(biāo)準(zhǔn)雙偏置天線的幾何參數(shù)，為賦形雙偏置天線提供必要的邊界條件[4]。

格里高利型雙偏置反射面天線的主要參數(shù)如圖1所示。

其中，主面等效直徑定義為DM;副面等效直徑定義為DS;饋源口面直徑定義為Dh;FM主反射面母拋物面的焦距定義為FM;反射面母橢球面的焦距定義為FS;主反射面的焦點(diǎn)定義為FM0，與副反射面的一個(gè)焦點(diǎn)共點(diǎn);副反射面的另一個(gè)焦點(diǎn)定義為FS0，與饋源的相位中心共點(diǎn)。主反射面的偏置角定義為θ0;主反射面邊緣對(duì)焦點(diǎn)FM0的半張角定義為θ*;副反射面的偏置角定義為φ0;饋源相位中心對(duì)副反射面的照射角定義為φ*：副反射面橢球面的離心率定義為e;主反射面母拋物面的對(duì)稱軸與副反射面母橢球面對(duì)稱軸間夾角定義為β;主反射面對(duì)副反射面的凈距定義為H;副反射面上、下邊緣點(diǎn)依次為Q和W，Q點(diǎn)在FM0FS0連線上的垂足為M點(diǎn);主反射面母拋物面對(duì)稱軸與副反射面母橢球面的交點(diǎn)G在FM0FS0連線上的垂足為P點(diǎn)。

標(biāo)準(zhǔn)格里高利型雙偏置天線的設(shè)計(jì)過程列舉如下：

1.將DM、H、φ*作為設(shè)計(jì)初步參數(shù)。

2.確定主反射面的焦距FM。

3.確定主反射面的偏置角θ0和主反射面邊緣對(duì)焦點(diǎn)FM0的半張角θ*。

求解式（2）就得θ0和θ*值。

4.確定離心率e和夾角β。

將上式（3）分別代入到式（4）和（5）中，得到可求得離心率和夾角。

研究表明[5]，假如主、副反射面的邊緣照射電平值都不小于15dB，則天線交叉極化指標(biāo)就主要取決于副面的繞射效應(yīng)，取Ds/λ數(shù)值接近20，才能使副反射面的方向圖不受繞射效應(yīng)的影響，但是這種情況會(huì)造成橫向尺寸偏大，結(jié)構(gòu)上不易實(shí)現(xiàn)。通過研究得到可以忽略副反射面的繞射影響的數(shù)值為Ds/λ≥7。如果我們計(jì)算得到的Ds/λ數(shù)值不滿足上述要求，那就需要重新選擇DM、H、φ*等原始參數(shù)進(jìn)行復(fù)驗(yàn)直至滿足數(shù)值條件。

總的原則就是以上述設(shè)計(jì)過程為基礎(chǔ)，反復(fù)的驗(yàn)證和計(jì)算分析進(jìn)一步確定各項(xiàng)參數(shù)。整個(gè)分析過程也為雙偏置反射面天線的賦形技術(shù)選擇合理的初始參數(shù)提供了依據(jù)。

綜上所述，依據(jù)初始確定參數(shù)DM、H、φ*、τ經(jīng)反復(fù)驗(yàn)算得到標(biāo)準(zhǔn)格里高利型雙偏置反射面天線主要參數(shù)如下：

DM（主面等效口徑）：2400mm;

τ（主面焦徑比）：0.21;

H（凈空距）：104mm;

φ*（饋源對(duì)副面照射角）：22°;

φ0（副反射面的偏置角）：29.5°

θ0（主反射面的偏置角）：43.7°

θ*（主反射面邊緣對(duì)焦點(diǎn)FM0的半張角）：39.5°;

β（副面軸與主面軸間夾角）：13.15°

1.2賦形設(shè)計(jì)

賦形雙反射面天線是在滿足等光程條件下，通過改善優(yōu)化口面場(chǎng)的幅度分布，以實(shí)現(xiàn)所要求的輻射方向圖和輻射性能。它與未賦形天線相比，可以更靈活的實(shí)現(xiàn)高增益和優(yōu)良旁瓣等輻射特性[6]。在衛(wèi)星通信、射電天文等應(yīng)用領(lǐng)域中，賦形雙反射面天線已獲得廣泛應(yīng)用。

反射面天線賦形設(shè)計(jì)流程可以用圖2簡(jiǎn)單描述，通過賦予反射面特定的形狀，最終實(shí)現(xiàn)真實(shí)的饋源輻射方向圖到期望的天線口面場(chǎng)分布函數(shù)的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)滿足需求的天線輻射方向圖。

眾所周知，口面場(chǎng)分布函數(shù)作為賦形依據(jù)，決定著天線的效率和旁瓣特性[7]，其主要影響如下：

1.直接影響天線效率，以往人們一般都會(huì)選擇等幅、等相的口面場(chǎng)分布函數(shù)為了追求天線效率最大化，技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段，大家已經(jīng)不再是單純的追求高效率指標(biāo);

2.口面場(chǎng)分布函數(shù)影響天線旁瓣特性，針對(duì)此特性，本次項(xiàng)目需考慮口面場(chǎng)分布函數(shù)對(duì)天線遠(yuǎn)旁瓣的影響，滿足入網(wǎng)包絡(luò)要求。

此選用冪函數(shù)分布口面場(chǎng)函數(shù)，分布函數(shù)表達(dá)式為：

饋源方向圖采用高斯分布逼近法來逼近饋源輻射場(chǎng)。

在Ka接收和發(fā)射頻段對(duì)副面的照射電平依次為-11dB和-15dB。為了使天線效率均達(dá)到較高的水準(zhǔn)，按-13dB對(duì)天線賦形，并計(jì)算天線的性能分布情況。

二、分析與驗(yàn)證

格里高利型雙偏置反射面天線進(jìn)行賦形設(shè)計(jì)，求取天線主、副反射面坐標(biāo)，從而得到主、副反射面形狀，如圖3所示。

將設(shè)計(jì)的天線主、副反射面曲面坐標(biāo)代入仿真計(jì)算軟件GRASP中，仿真計(jì)算天線輻射性能，仿真輻射方向圖如圖4所示。

仿真結(jié)果表明，賦形后天線在工作頻帶內(nèi)天線均有良好的輻射性能。

根據(jù)天線仿真參數(shù)加工出的天線，依據(jù)天線測(cè)試方法[8]進(jìn)行了指標(biāo)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

天線仿真與測(cè)試結(jié)果見表1。

三、結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)格里高利型雙偏置反射面天線的特點(diǎn)，對(duì)天線進(jìn)行了賦形設(shè)計(jì)，并結(jié)合商用仿真軟件Grasp進(jìn)行了設(shè)計(jì)仿真，最終給出了一種具有高效率、低副瓣的雙偏置天線。測(cè)試結(jié)果表明，天線電性能優(yōu)良，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，旁瓣包絡(luò)滿足衛(wèi)星通信天線入網(wǎng)要求，效率能夠達(dá)到60%。該設(shè)計(jì)已經(jīng)應(yīng)用到某2.4米衛(wèi)星通信車載站中。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] A.W.Rudge：“Offset Parabolic Reflector Antenna：A Review” PIEEE， Vol.66.No.12，December，1978，pp.1592-1605.

[2]楊可忠 偏置拋物面天線，電子信息技術(shù)，1982，3，pp.11-22.

[3]章日榮，王文中，偏置拋物面反射鏡天線，無線電通信技術(shù)，1986，4，pp.24-47.

[4]郝文倩. 基于光學(xué)原理的車載衛(wèi)星通信雙偏置格里高利夫天線的研究與設(shè)計(jì)[D]. 南京：南京理工大學(xué)， 2012.

[5] Adatia.N.A.Diffraction effects in dual offset cassegrain antenna[J].International IEEE/AP—S Symposim Digest，Seattle，1978.

[6]林昌祿， 陳海， 吳為公. 近代天線設(shè)計(jì)[M]. 北京：人民郵電出版社，1990.

[7]張立軍，史振起.高效率低旁瓣天線口面場(chǎng)分布函數(shù)研究[J].天線與伺服技術(shù).2010.

[8]秦順友 許德森.衛(wèi)星通信地面站天線工程測(cè)量技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2006：67-79.