雙反射面天線偏焦問題的解決方法分析

張 旺,王黎莉,閆 豐

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081;2.中國交通通信信息中心,北京100011)

0 引言

大型雙反射面天線在衛星通信、深空探測和射電天文等領域有著廣泛的應用,同時這些領域對天線的性能有著較高的要求,然而天線饋源偏焦會導致天線性能的惡化,因此解決天線饋源偏焦現象就成了一個迫切的問題。文獻[1]中提出,尋找天線變形曲面的最佳吻合反射面需要將饋源移動到新的焦點處來形成新的天線系統,這就需要采用自動調焦機構,然而對于大型反射面天線而言,饋源一般位于中心體套筒上,而中心體套筒較重,這樣就會導致移動饋源采用的自動調焦機構會比較龐大、復雜;不采用自動調焦機構,饋源就不能移動到新的焦點位置而仍在原焦點處,這樣使得新的天線系統存在偏焦現象[2]。

1 橫向偏焦分析

如果饋源沿著垂直于軸線的方向移動,即天線焦點發生變化,就會造成反射波的波陣面對口徑傾斜及方向圖主瓣最大值偏離口徑平面法線方向,這種移動稱為饋源的橫向偏焦[3]。

饋源橫向偏焦如圖1所示。

圖1 饋源橫向偏焦

設橫向偏焦量為Δx,從圖1可見,射線1到拋物面口徑上的路程長度F′MM′為:

偏焦不大時,Δx＜＜f,α角很小,有下述關系:

將式(2)、式(3)代入式(1),并忽略小項可得:

根據拋物面的性質,從焦點F到拋物面口徑上任一點的光程為常數(f+z10),則偏焦引起的相位偏差為:

在拋物面邊緣其值最大,即

同樣可以求得射線2在拋物面邊緣的最大相位偏差為:

為了使方向圖畸變不大,限定最大相位偏差不得超過π/4,則所允許的饋源最大偏焦為:

2 橫向偏焦對天線性能的影響

以65 m射電望遠鏡天線為模型,文獻[1]中計算的結果發現饋源的偏焦主要是橫向偏焦,焦點最大偏移量為200 mm。通過GRASP軟件分別計算了X頻段天線的理論方向圖及偏焦方向圖,計算結果對比如圖2所示。

圖2 X頻段理論與偏焦輻射方向圖

通過X頻段理論與偏焦輻射方向圖的計算結果對比發現:天線饋源偏焦導致了天線主瓣指向發生偏移,與理論設計指向偏差0.068°;導致了天線第一旁瓣電平發生變化,一側的電平降低,另一側電平升高,由理論設計的(-23.72,-23.72)變為(-19.14,-29.32);導致了天線增益降低,與理論設計相比損失了0.14 dB。

產生上述現象的原因是由于饋源偏焦造成了天線口面上出現線性相位偏差和立方律相位偏差。線性相位偏差使方向圖主瓣向與饋源偏焦方向相反的一側偏移;立方律相位偏差使方向圖主瓣向另一側偏移一個較小的角度。合成的結果是使方向圖主瓣向與偏焦方向相反的一側偏移一個角度,同時方向圖變的不對稱,在主瓣偏移一側副瓣電平降低,另一側電平升高[4]。

計算65 m天線不同工作頻段在饋源最大偏焦時的第一旁瓣和增益損失,計算結果如表1所示。

表1 偏焦方向圖的變化結果

由表1偏焦方向圖的變化中可以發現:隨著天線工作頻段的不斷提高,饋源偏焦所引起的增益損失越來越大,同時第一旁瓣不對稱性也越來越大。

3 偏焦問題解決方法分析

3.1 尋找新的吻合面

除了最佳吻合反射面外,在變形曲面附近還有無窮多個滿足等光程條件的吻合面,只不過其與變形曲面的偏差較大,即主面精度較差。因此要在主面精度和饋源偏焦量之間做一個折衷處理,通過計算尋找了饋源偏焦35 mm的吻合面,此時主面精度惡化了0.2 mm。分別計算了天線工作于X頻段時在2種偏焦情況下及理論設計的輻射方向圖,計算結果如圖3所示。

計算結果表明:新的吻合面第一旁瓣為(-22.75,-24.83),相比最佳吻合反射面第一旁瓣(-19.14,-29.32),其對稱性改善較大;新吻合面波束偏移0.012°,相比最佳吻合反射面波束偏移0.068°有所改善;考慮饋源偏焦和主面精度對天線增益的影響,通過計算發現新吻合面較最佳吻合反射面增益損失大0.08 dB,相對較小。因此,該方法可以改善饋源偏焦過大的問題。

圖3 X頻段2種偏焦及理論設計方向圖

3.2 偏轉副反射面

饋源橫向偏焦造成了主副反射面同軸而與饋源不同軸,可以將副面向饋源方向偏轉一個角度,同樣也可以改善天線的輻射方向圖。

饋源偏焦200 mm時,將副反射面偏轉一個角度,通過GRASP軟件計算了此時X頻段的輻射方向圖并與理論設計輻射方向圖、饋源偏焦輻射方向圖做了對比,仿真計算結果如圖4所示。

圖4 偏轉副反射面的輻射方向圖

計算結果表明:饋源偏焦時主波束偏移0.068°,第一旁瓣電平(-19.14,-29.32),增益損失0.14 dB;在此基礎上偏移副反射面后主波束偏移0.077°,第一旁瓣電平(-22.97,23.23),增益損失0.11 dB。因此,通過偏轉副反射面的方法,第一旁瓣電平對稱性改善較大,增益損失減少,可以改善饋源偏焦過大的問題。

4 結束語

通過對橫向偏焦問題的分析,較為詳細地推導了饋源橫向偏焦的表達式。結合65 m天線實例仿真了饋源偏焦對天線電氣性能的影響,并提出了解決饋源偏焦問題的2種方法,為65 m天線工程設計提供了理論依據和指導,必將大幅減少天線調試的工作量。

[1]閆 豐,杜 彪.賦形卡式天線最佳吻合反射面的計算方法[J].無線電工程,2011,41(3):38-40.

[2]朱鐘淦,葉尚輝.天線結構設計[M].北京.國防工業出版社,1998:210-214.

[3]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,1985:262-267.