一種新型雙頻帶帽型饋源反射面天線設(shè)計(jì)方法

伊向杰 陳金龍 石俊峰 余鐵軍 馬漢清

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

雙反射面天線以其優(yōu)良的性能在衛(wèi)星通信、雷達(dá)和射電望遠(yuǎn)鏡中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。然而，這種天線存在的一些缺點(diǎn)限制了它的應(yīng)用，高的旁瓣電平、差的反射系數(shù)和較大的副反射器[3-4]。在小型化反射面天線設(shè)計(jì)中，減小副反射面尺寸成為一個(gè)主要的挑戰(zhàn)。該文章提出的帽型饋源反射面天線，具有自支撐結(jié)構(gòu)并且可以用于寬帶反射面天線設(shè)計(jì)，1987年Kildal首次提出了這種天線結(jié)構(gòu)[5]。經(jīng)過多年來的積累和發(fā)展，學(xué)者們?cè)O(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)類型的帽型饋源反射面天線[6-7]。所有的帽型饋源反射面設(shè)計(jì)的前提是可以使設(shè)計(jì)的天線獲得最高的效率，采用這種天線結(jié)構(gòu)時(shí)可以獲得接近100%的輻射效率[10]。1985年楊建等人提出了相位效率的概念，但是該計(jì)算方法的有效性仍有待于證明，并且所得的相位中心計(jì)算方法可能不可靠。隨后，謝磊等人在2016年提出了一種新的效率計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果表明，該方法能獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。遺憾的是，當(dāng)環(huán)焦半徑較大時(shí)，上述方法引入了不可忽略的誤差，影響了最后的計(jì)算精度。

本文提出了一種計(jì)算任意環(huán)焦半徑下帽型饋源相位中心的更為精確的方法。與之前的文獻(xiàn)相比，本文提出的新方法可以得到更精確的結(jié)果，利用HFSS-Matlab聯(lián)合仿真方法，編寫了基于遺傳算法-差分進(jìn)化算法結(jié)合的優(yōu)化程序，設(shè)計(jì)了一種給定大焦徑比下的帽型饋源反射面天線。新的設(shè)計(jì)方法可以設(shè)計(jì)任意環(huán)焦半徑下的帽型饋源反射面天線，獲得更精確的口徑效率。最后，對(duì)設(shè)計(jì)的帽型饋源反射面天線進(jìn)行了加工和測(cè)量，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果一致性較好，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的正確性。

1 相位效率計(jì)算模型

設(shè)計(jì)的帽狀饋源由副反射面、介質(zhì)自支撐結(jié)構(gòu)和圓波導(dǎo)組成，帽型饋源的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 帽型饋源的結(jié)構(gòu)圖

通常，具有環(huán)焦半徑的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱反射面天線相位效率可以表示為式(1)所示。

(1)

(2)

其中，Gco45(θ)=|Gco45(θ)|ejφ(θ)是φ=45°面的主極化饋源方向圖，r(θF)的定義如圖1(b)所示。當(dāng)ρ0、Z0?F時(shí)，r(θ)≈F/cos2(θ/2)可以直接應(yīng)用在振幅因子中，ρ0代表環(huán)焦半徑，Z0代表優(yōu)化的饋源在Z軸上的相對(duì)位置，F(xiàn)代表反射面天線的焦距。然而，r(θ)在相位因子表達(dá)式中應(yīng)該被精確計(jì)算，計(jì)算公式為

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

其中Gco45(θF)=|Gco45(θF)|ejφ(θF)，r(θF)的定義如圖1(b)所示。利用公式(4)到公式(7)，新的相位效率計(jì)算模型(模型2)可以構(gòu)造為式(8)所示。

(8)

對(duì)于帽型饋源反射面天線，口徑效率可以通過公式(11)計(jì)算得

etotrad=eBOR1·esp·epol·eill·eφ

(11)

設(shè)計(jì)的天線為帽型饋源反射面天線，因此其eBOR1=100%。與其他文獻(xiàn)不同，該文章設(shè)計(jì)的帽型饋源反射面天線，由于具有較大的環(huán)焦半徑，相位效率不能簡(jiǎn)單的認(rèn)為是100%。因此，口徑效率由esp,epol,eill,eφ決定，可以表示為

esum=esp·epol·eill·eφ

(12)

相位效率eφ通過新的相位中心計(jì)算方法獲得，參數(shù)z0、ρ0的最優(yōu)值通過Matlab遍歷來獲得。在本設(shè)計(jì)中，帽型饋源的最終模型通過HFSS-MATLAB仿真來得到，由于帽型饋源具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，采用對(duì)稱電邊界、對(duì)稱磁邊界來減少仿真時(shí)間。

參數(shù)設(shè)置如下：ρ0=40mm，F(xiàn)=240mm，D=1200mm(D為反射面直徑)，θm=102°，tan(θm/2)=D/4F，頸部支撐介質(zhì)的參數(shù)為εr=2.53，tanδ=0.0001。上述帽型饋源的所有參數(shù)在圖2中標(biāo)出，具體的尺寸值在表1中給出。圖3給出了饋源在φ=45°平面上的主極化輻射方向圖。圖3(b)給出了相位效率、極化效率等效率值。帽形饋源的電場(chǎng)分布如圖4所示。從圖4可以看出，電場(chǎng)穿過電介質(zhì)照射到帽型饋源上，且在環(huán)焦點(diǎn)的位置變得非常集中，形成了環(huán)焦點(diǎn)，反射后反射到反射面上。

(10)

圖2 帽型饋源結(jié)構(gòu)參數(shù)

表1 帽型饋源的參數(shù)值

圖3

圖4 φ=45°面的電場(chǎng)分布圖

2 帽型饋源反射面的仿真和測(cè)量結(jié)果

圖5給出了φ=45°面帽型饋源反射面天線仿真和測(cè)量的主極化、交叉極化輻射方向圖。由于測(cè)試設(shè)備的限制，僅對(duì)正負(fù)20°角域內(nèi)主極化和交叉極化輻射方向圖進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明，主極化副瓣電平小于14.3dB，交叉極化小于31.5dB。圖6(a)給出了反射面天線仿真和測(cè)量的電壓駐波比。在工作頻帶內(nèi)，帽型饋源的電壓駐波比小于1.18。

圖6(b)給出了根據(jù)公式G=4πA0eA/λ2計(jì)算得到的口徑效率，其中G代表增益值，A0是口徑面積，λ是自由空間中的波長(zhǎng)，eA是口徑效率。結(jié)果表明，測(cè)量的口徑效率高于67.4%，這與仿真結(jié)果吻合良好。表2給出了測(cè)量結(jié)果的詳細(xì)信息，測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果有一定的差異，主要原因是在仿真中沒有考慮介質(zhì)、副反射面和波導(dǎo)之間膠合的影響。

圖5 設(shè)計(jì)的反射面天線在φ=45°面的仿真和測(cè)量輻射方向圖

圖6 仿真和測(cè)量的電壓駐波比及口徑效率

表2 測(cè)量結(jié)果的詳細(xì)信息

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種雙頻帶大環(huán)焦半徑的帽型饋源反射面天線。首先，為了精確計(jì)算大環(huán)焦半徑反射面天線的相位效率，提出了一種新的相位效率計(jì)算方法。然后，利用HFSS-MATLAB-API的聯(lián)合仿真方法，設(shè)計(jì)了帽型饋源。由于考慮了大環(huán)焦半徑帽型饋源的相位效率，得到更高精度的口徑效率。最后，對(duì)帽型饋源反射面天線進(jìn)行了加工和測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，反射面天線的電壓駐波比在頻帶內(nèi)均小于1.18，口徑效率均大于67.4%，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的有效性。設(shè)計(jì)的反射面天線具有口徑效率高、反射系數(shù)低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。