倒置卡塞格倫天線拋物面以及饋源的設計

摘 要：研究了倒置卡塞格倫天線的拋物面以及饋源，并采用FEKO進行仿真優化，設計了工作在8~9GHz的倒置卡塞格倫天線的拋物面以及饋源，給出了拋物面參數的選擇方法以及饋源的尺寸。

關鍵詞：倒置卡塞格倫天線；FEKO；拋物面；饋源

中圖分類號：TN823文獻識別碼：A文章編號：2095-1302（2014）06-0062-02

0引言

天線在電視、雷達系統中起著至關重要的作用，隨著人造衛星和航空航天技術的新的高精尖科技的發展，人們對跟蹤雷達的要求進一步提高，主要體現在跟蹤雷達的跟蹤速度、跟蹤精度、跟蹤距離和抗干擾能力上。

倒置卡塞格倫天線[1]就是在這種背景下產生的，它采用極化扭轉技術實現雷達的快速掃描、精確跟蹤，其結構為饋源、拋物面反射器、極化扭轉板。本文將介紹倒置卡塞格倫天線設計中的首要工作，即倒置卡塞格倫天線拋物面的選擇以及饋源的設計。

1天線設計原理

拋物面天線[2]是以幾何光學法為理論基礎的一種天線形式。通過幾何光學法的理論基礎，我們可以知道如果在拋物面焦點上放置一個點源，經過拋物面反射會得到一組平行的射線束。所以饋源發射的球面波經過拋物面反射以后，轉變成拋物面口徑上的平面波前，這使得拋物面天線具有銳波束、高增益的性能。

拋物面天線的幾何關系示意圖如圖1所示，根據拋物面性質可得：

OP+PQ=2f=const （1）

其中OP=r' ，OQ=r' cosθ'，所以代入式（1）可得：

（2）

因為拋物面是由拋物線繞其軸旋轉而成的，所以拋物面有旋轉對稱性，表現在球坐標r'，θ'，φ'里就是其特性不存在φ'方向的變化。

在拋物面分析中，需要得出其表面反射點出垂直于此處切線的單位矢量，所以我們先將式（2）改寫為：

（3）

然后對式（3）取梯度得出表面法線再根據幾何關系以及直角-球坐標變換公式，進而可以得到拋物面焦距直徑比（焦徑比）f/d 與半張角θ0之間的關系：

（4）

2拋物面天線參數的選擇

拋物面天線主要設計參數[3]為焦徑比f/d以及半張角? 0，根據式（3）可知焦徑比和半張角只需確定其中一個，另外一個就可以計算出來。在長焦距的情況下，f/d一般在 0.3～0.5 之間選擇，f/d取的小的優點是饋源前伸量較小，噪聲比較低；而f/d取的大的優點是拋物面深度小，交叉極化小。所以，我們根據電腦仿真結果便可確定焦徑比f/d的大小。本例中的拋物面直徑選擇為1 400 mm。

采用 FEKO 進行仿真設計，其仿真模型如圖 2 所示。拋物面仿真結果如表1 所列。

圖1拋物面天線幾何關系示意圖圖2拋物面仿真模型

表1拋物面仿真結果

焦徑比 f/d8.5 GHz 增益（dB）S11(8～9 GHz)波束寬度

0.329.1＜-20dB16.4°

0.432＜-20dB16.8°

0.535.5＜-20dB17.6°

綜合上述仿真結果，我們選擇倒置卡塞格倫天線的拋物面焦徑比為 0.5，也即直徑 d=1 400 mm，焦距f=700 mm。

3倒置卡塞格倫天線饋源[4]設計

拋物面天線一般以圓錐喇叭或是角錐喇叭作為饋源，本文中將采用角錐喇叭 作為天線的饋源，根據工作頻段設計角錐喇叭的尺寸。

角錐喇叭天線是由矩形波導 E 面和 H 面的兩壁張開而成的，其輻射特性基本上是 E 面和 H 面扇形喇叭的結合，其角錐喇叭結構如圖3所示。

（a）結構示意圖 （b）矩形喇叭的E平面（c）矩形喇叭的H平面

圖3角錐喇叭示意圖

倒置卡塞格倫天線工作在 8～9 GHz，所以需要根據工作頻率，選擇合適的矩形饋電波導尺寸。經過查表，我們可以得到 BJ84（WR112）工作頻率為 6.57～9.99 GHz，與我們要設計的頻率相符，所以選用該型號的波導作為角錐喇叭的的饋電波導，其尺寸為 a=28.499 mm，b=12.624 mm。

在確定了角錐喇叭饋電波導的尺寸后，根據公式以及預計的增益范圍即可大概計算出角錐喇叭的其它尺寸初始值，并用 HFSS 建模仿真優化，最后得到角錐喇叭天線的尺寸為：a1=80mm，b1=70 mm，Re=90 mm，a=28.499 mm，b=12.624mm

角錐喇叭的駐波比如圖4 所示。

角錐喇叭 E 面和 H 面方向圖如圖5 所示。

從仿真結果來看，角錐喇叭天線在整個頻段上駐波比小于 1.75，中心頻率上天線最大增益為 19.6 dB。喇叭性能良好。

圖 4角錐喇叭駐波比 圖5角錐喇叭E面和H面方向圖

4天線設計結果

將角錐喇叭與拋物面結合在一起，并在 FEKO[6]中進行仿真，其結果如圖6所示。

（a）天線增益曲線圖 （b）中心頻率（f=8.5GHz）時E 面 H 面增益曲線

（c）天線S11示意圖

圖6 FEKO中的仿真結果圖

最終的結果是天線在整個8～9 GHz頻段內的增益均在34～35.8 dB之間，中心頻率處的天線增益為35.5 dB，同時整體的S11均在-20 dB以下，天線的波束寬度為17.6°。

5結語

本文設計了工作在8～9 GHz頻段的倒置卡塞格倫天線的拋物面以及饋源，仿真設計結果證明，兩者匹配良好，可為后面設計拋物面柵格以及極化扭轉板提供良好的基礎。

參 考 文 獻

[1]馮強.毫米波極化正交倒置卡塞格倫天線研究[D].南京：東南大學，2006.

[2]魏文元，宮德明，陳必森.天線原理[M].西安：西安電子科技大學出版社，1982.

[3]馮濤.極化扭轉卡塞格倫天線研究[D].西安：西安電子科技大學，2009.

[4]李萌.饋源喇叭天線的研究[D].西安：西安電子科技大學，2010.

[5]李明洋.HFSS天線設計[M].北京：電子工業出版社，2011.

[6]范麗思，崔耀中.FEKO5.4實例教程[M].北京：國防工業出版社，2010.

作者簡介：鈔春曉（1966—），男，大專學歷，佳縣電視轉播臺技術部主任工程師。研究方向是微波天線小型化在廣播電視及其它領域的應用。

Design of Parabola and Feed Source of Inverse Cassegrain Antenna

Chao Chun-xiao

( Television station of Jia County，Yulin 719200， China)

Abstract: The parabola and feed source of inverse cassegrain antenna which work in 8~9GHz is researched in this article based on simulation of FEKO. The way of choosing parameters of parabola and the size of the feed source is represented in this article.

Keywords: inverse cassegrain antenna; FEKO; parabola; feed source