高性能濺散板饋源天線分析與設計

劉明輝， 相 征， 許彤通， 任 鵬， 陳 云

(西安電子科技大學 通信工程學院，陜西 西安 710071)

高性能濺散板饋源天線分析與設計

劉明輝， 相 征， 許彤通， 任 鵬， 陳 云

(西安電子科技大學 通信工程學院，陜西 西安 710071)

為提升微波接力與點對點通信系統的傳輸距離及抗干擾能力，文中設計了一款口徑為 0.3 m，中心頻率為 15 GHz 的高性能濺散板饋源天線．通過采取對濺散板饋源介質支撐鏡和副反射面賦形的方法，實現饋源E面和H面的方向圖在主反射面照射角范圍內等化，在照射角范圍外迅速滾降; 然后，通過優化介質匹配塞完成天線的阻抗匹配；最后，對所設計的天線模型進行樣件加工并測試．測試結果表明，該天線中心頻點的增益達到 32.43 dBi，最大旁瓣電平抑制在 -21.89 dB，E面和H面的前后比均達到 59.57 dB．仿真與實測結果吻合良好，設計方法行之有效．

反射面;濺散板饋源;介質賦形;低旁瓣

反射面天線是利用光的透鏡原理制成的，其采用曲面結構， 具有很強的方向性和高增益特性．在各式各樣的反射面天線中，因旋轉對稱拋物面天線還具有設計簡單、性能優良、制造方便并且易于維護調整等多方面的優點而受到人們的青睞，被通信、雷達、電子對抗、衛星通信和射電天文等領域廣泛采用[1]．該類型的反射面天線主要包括卡塞格倫天線、格里高利天線和環焦天線．

由于這些反射面天線的副面支桿的遮擋效應會導致遠場輻射方向圖旁瓣和交叉極化電平惡化，從而降低反射面天線的輻射效率[2]．為解決這些問題，需要使用自支撐結構的高性能饋源，如環型饋源[3]、杯型饋源、帽型饋源、波束成形環饋源和濺散板饋源[4-6]等．筆者在新型卡塞格倫天線技術[7-8]的基礎上，研究和設計了一種高性能的濺散板饋源反射面天線．文中通過采取對濺散板饋源介質支撐鏡和副反射面賦形的方法，實現饋源的遠場輻射方向圖一定范圍內等化，使反射面天線的主面口徑場的幅度均勻分布，相位等相分布; 最后，通過對介質匹配塞優化來完成天線的阻抗匹配．仿真和測試結果表明，所設計的反射面天線性能優良．

1 濺散板饋源設計與仿真

圖1 饋源橫截面示意圖

為了滿足反射面天線高增益、旁瓣抑制好、低駐波和交叉極化的特性，在卡塞格倫天線的理論基礎上，設計了一種由饋電圓波導、匹配介質塞、介質支撐鏡及副反射面組成的新型濺散板饋源，其中的副反射面是在介質支撐鏡的一側涂敷上導電性能良好的涂層，其結構如圖1所示．對匹配介質塞采用四分之一波長階梯阻抗變換理論進行阻抗匹配設計，可通過調整匹配介質塞的長度(即圖1中l1-l11)和階梯高度(即圖中r1-r10)，就能完成饋源介質塞與圓波導的阻抗匹配．由于波導管中匹配介質塞階梯變換段的特性阻抗非常復雜，無法通過數學公式表示，通過高頻結構仿真(High Frequency Structure Simulation，HFSS)軟件，利用有限元數值分析方法進行仿真計算．

介質支撐鏡的作用不僅用于連接波導與副反射面、支撐副反射面，而且可以調整天線的阻抗匹配，用于提高饋源的回波損耗．通過對副反射面和介質支撐鏡賦形，可控制天線主面口徑場的幅度和相位分布．當天線工作的頻率為 14.40～ 15.35 GHz 時，為保證饋電波導主模TE11傳輸條件，根據波導理論確定圓波導的尺寸[9]，對應傳輸模式的截止波長λTEc和λTMc可表示為

其中，μmn為m階Bessel函數導數的第n個根，νmn為m階Bessel函數的第n個根．

將相應的數據代入式(1)和式(2)可知: 6.12 mm

在卡塞格倫天線中，為減少副反射面邊緣能量漏失，需要適當增大副反射面尺寸．但是較大的副反射面會對主面口徑有遮擋效應，同時被副反射面反射的能量會在主面的頂點部分更為集中，這樣會導致天線的主面口徑場幅度分布不均勻，影響反射面天線的口徑利用率，使天線的增益受到限制．為解決副反射面邊緣能量漏失和主反射面口徑利用率之間的矛盾，文中采用副反射面的形狀修正技術，將副反射面的頂點附近更凸起一些，從而使饋源輻射到天線主反射面頂點部分的能量適度向外擴散，使得主面口徑場分布更均勻．按照卡塞格倫天線的設計理論，利用HFSS仿真軟件進行分析優化后，取r9= 0.12D≈ 0.12× 300 mm= 36 mm，r10≈ 2.3 mm．

通過在副反射面與波導之間引入介質支撐鏡來改善天線的阻抗，介質支撐鏡選用介電常數為2.55的聚四氟乙烯介質材料．金屬圓波導TE11主模經過介質波導漸變段逐漸耦合過渡為介質圓波導的主模H11波，當介質波導的直徑大于波長時，其主模絕大部分經過逐漸變粗和臺階突變的介質波導傳輸到副反射面，然后經過副反射面反射形成心形輻射的E面和H面等化方向圖．根據阻抗變換理論和漸變線理論設計好各段介質波導的錐角、過渡階梯和介質匹配塞的尺寸，完成饋源輻射頭與圓波導的阻抗匹配．

圖4 濺散板饋源的反射系數S11仿真結果

利用HFSS仿真軟件建立如圖1所示的濺散板饋源模型，對模型中的饋源采用上述設計思路進行介質支撐鏡和副反射面賦形，并對副反射面的頂點處進行修正優化，最終得到如圖2所示的饋源遠場輻射平面方向圖、如圖3所示的三維輻射方向圖和如圖4所示的匹配性能．仿真結果表明，饋源E面和H面的遠場輻射方向圖在照射角120°左右范圍內等化，在該范圍外迅速滾降，照射角邊緣電平約為 -12 dB．

2 天線的仿真設計與測試結果分析

當饋源對反射面天線的主面邊緣照射時，若邊緣照射電平過高時，會引起饋源輻射電磁波的泄露，造成整個天線的副瓣電平過大；但是，若邊緣照射電平太低，則必然會引起主面口徑場的幅度分布不均勻，造成天線的口徑利用率降低．根據反射面天線的輻射方向圖包絡等級要求、可以綜合出口徑場所需的錐銷電平，再由錐銷電平和饋源遠場輻射方向圖確定主反射面的焦徑比．

當天線工作在中心頻率f0=14.875 GHz時，天線的增益和焦徑比[10]分別為

其中，f為主反射面的焦距，D0為主反射面的直徑，λ為天線的工作波長．

通常高性能反射面天線的口徑效率一般在50%～60%之間，現假設濺散板饋源天線的口徑效率η= 50%，為使天線的增益達到 31.5 dBi，通過式(3)可得到天線主面口徑的初始尺寸D0≈ 340 mm．依據圖2饋源的遠場輻射方向圖可得，當邊緣照射電平為 -12 dB 時，此時照射邊緣的夾角ψ0≈ 124°．由式(4)可知，f≈ 45.2 mm．

依據上述設計思路，利用Feko建立圖5所示的濺散板饋源天線的仿真模型，其中，U、V和N表示的坐標系是Feko仿真中的一種局部坐標系，并進行了優化，得到天線主面口徑直徑為 330 mm，焦距為 57.3 mm．最后，仿真得到如圖6和圖7所示的天線E面和H面遠場輻射增益方向圖，如圖8所示的匹配性能．

圖5 濺散板饋源天線仿真模型圖6 E面增益方向圖

圖7 H面增益方向圖圖8 天線的駐波仿真結果

天線的仿真結果匯總如表1所示．仿真結果表明，濺散板饋源天線的中心頻率點增益達到 32.64 dBi，交叉極化鑒別率達到 50.51 dB，第1旁瓣電平抑制在 -19.63 dB; 在 14.40 GHz～ 15.35 GHz 的頻段范圍內 ， 最大駐波比為1.17 ， 理論上滿足了設計要求 ， 天線達到了良好匹配 ， 性能優良．目前由于Feko仿真軟件算

表1 天線的仿真結果匯總

圖9 天線在低、中和高頻點下的主極化方向圖

圖10 天線在低、中和高頻點下的交叉極化方向圖

圖11 濺散板饋源天線駐波比的測試結果

法自身的局限性，對于電大尺寸的反射面天線還只能在最大輻射方向 ±120° 范圍內提供較為可靠的遠場輻射分析，所以仿真方向圖的后瓣部分可以不作分析．

將所設計的天線進行樣件加工，并利用高架測試場對其進行增益和方向圖測試，得到天線的主極化方向圖如圖9所示，交叉極化方向圖如圖10所示．圖9和圖10中的折線為滿足歐洲電信標準化協會(European Telecommunications Standards Institute，ETSI)Standard Range1 Class3標準的包絡線．駐波比的測試結果如圖11所示，電性能參數測試結果如表2所示．

表2 電性能參數測試結果

仿真與實測結果之間的誤差可歸因于天線的制造工藝和測試場的精度，兩者基本吻合．所設計的反射面天線具有高增益、低旁瓣、前后比抑制較好、口徑效率高，以及遠場方向圖滿足ETSI Standard Range1 Class3標準等優良性能，設計方法行之有效．

3 總 結

對比文獻[2，5]及文中所設計的反射面天線，將中心頻點處的性能指標匯總，如表3所示．

表3 反射面天線的性能及參數對比

經過對比可知，文中所設計的反射面天線具有高增益(不同天線的對比看口徑效率)，較低的旁瓣電平，前后比抑制較好，口徑效率高等特性．

仿真分析和實測結果表明，所設計的反射面天線在14.40～15.35 GHz整個通帶擁有較小的電壓駐波比，天線增益不低于 31.5 dBi，遠場方向圖能滿足ETSI Standard Range1 Class3標準，同時在同等效率要求的前提下，與現有同類型的反射面天線相比，有更好的近旁瓣和后瓣抑制，具有優良的性能．

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Analysisanddesignofhighperformancesplash-platefeedantenna

LIUMinghui，XIANGZheng，XUTongtong，RENPeng，CHENYun

(School of Telecommunications Engineering, Xidian Univ., Xi’an 710071, China)

In order to improve the transmission distance and anti-interference ability of the microwave relay system and point-to-point communication system, we design a high performance splash-plate feed antenna with the diameter of 0.3m and the center frequency of 15 GHz. By shaping the dielectric supporting mirror and sub-reflector of the splash-plate feed, we realize the far field radiation pattern equalization and roll-off of the E plane and H plane within and outside the scope of the main reflector irradiation angle, respectively. Then, the impedance matching of the antenna is realized by optimizing the media matching plug. Finally, the design model is processed and tested, with the test results showing that the gain at the antenna center frequency point is 32.43 dBi, that the maximum sidelobe level can be suppressed to 21.89 dB and that the front to back ratio in the E plane and H plane is significantly improved to be 59.57 dB. The good agreement of measured data with simulation results verifies the proposed design.

reflector; splash-plate feed; shaped dielectric; low sidelobe

2017-05-31

時間：2017-07-26

中國博士后科學基金資助項目(2017M610644)

劉明輝(1987-)，男，西安電子科技大學博士研究生，E-mail: liumh9@qq.com．

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20170726.1749.002.html

10.3969/j.issn.1001-2400.2018.01.028

TN820

A

1001-2400(2018)01-0156-06

(編輯： 齊淑娟)