一種雙頻段卡塞格倫天線的設計

張占春

（甘肅長風電子科技有限責任公司，甘肅 蘭州 730070）

1 概述

隨著現代電子技術的發展，空間中的電磁環境越來越復雜惡劣，各個頻段、各種信號相互影響相互干擾，對各類有用電磁信號造成了比較大的影響，為了在復雜電磁環境中獲得目標信息，對天線性能的要求也越來越高，寬頻帶作為一種抗電磁干擾的手段被廣泛用于各類天線系統中，文章介紹了一種雙頻段的卡塞格倫天線的設計方法。

雙頻段卡塞格倫天線也叫變態卡塞格倫天線，它由一個扭極化的拋物面的主反射體和一個雙曲面的副反射體及一個雙頻段喇叭饋源組成，饋源放置在主副反射面的共焦點上，從饋源發出的球面電磁波經副反射面反射后到達主反射面上，經主反射面極化扭轉后以平面波的形式發射出去，因為此天線系統為雙頻段天線系統，所以在設計時要兼顧兩個頻段的電性能指標，互有取舍。

2 天線系統的組成及原理

2.1 天線原理簡述

如圖1所示，從饋源點發出的球面波經雙曲面板反射后到達拋物面上，經拋物面板扭極化后以平面波的形式發射出去，因為共焦點所以平面波是等相位的。O與O′為雙曲線的兩個焦點，其中O′也是拋物線的焦點，即O′點為雙曲線與拋物線共同的焦點。

圖1 天線系統原理示意圖

由拋物線原理得：O′A+AB+BC=K′

由雙曲線原理得：O′A-OA=K

由此可得從饋源發出的電磁波經兩個反射面后到達C點平面上形成等相位面。

根據天線系統的結構尺寸及天線電參數指標要求，結合HFSS軟件進行仿真計算，經過反復優化最終確定雙曲面板的雙曲線方程為：

拋物面板的拋物線方程為：

2.2 拋物面板的設計

柵網式扭轉反射板的作用是實現極化扭轉并反射電磁波。它的構造是由三層結構組成。前面表皮層中嵌有疏間距的平行金屬導線，后面是一層金屬板，中間層是介質損耗很小的聚苯乙烯泡沫塑料板。扭轉反射板做成圓形，中間開一圓形孔，饋源可以從中穿過，由饋源口徑和運動范圍確定孔的大小。

電磁波極化扭轉90°的條件是：將入射波分解為兩個幅度相等的正交分量，同時經平行金屬導線及金屬板反射后，在兩個正交分量之間引入一個180°的相差。

讓入射波的極化與反射板前表皮層中的平行金屬導線成45°夾角，即可分解為與金屬導線平行和垂直的兩個等幅正交分量。與金屬線平行的分量被反射，與金屬線垂直的分量則繼續前行并到達金屬板后被反射回來，那么反射板中間層的泡沫厚度剛好要滿足180°相差的距離，考慮到寬頻帶特性及入射角有一定變化范圍，在推導介質厚度L的公式中，需對Q角或波長作偏微分，利用等效法傳輸線的原理和實現90°極化扭轉的要求，我們得到下列公式：

當λ=20mm，d取不同值時金屬導線直徑D對應的值見表1：

表1 金屬導線直徑D 對應值

根據以上參數值最后決定取d=4mm，D=0.1 mm，a=0.05mm 。

采用“高強度聚酯漆包圓銅線”Ф=0.1mm，其中漆有5絲左右厚度。

2.3 雙曲面板的設計

透過—反射式雙曲面板的作用是：從雙曲面焦點處的饋源輻射的球面波經雙曲面板反射后到達拋物面扭轉板上（因雙曲面虛焦點與拋物面焦點重合，此球面波等同于從拋物面焦點射出的），在拋物面扭轉板上經極化扭轉后以平面波形式再次透過雙曲面板輻射出去。

雙曲面板仍是三層結構，中間層聚苯乙烯泡沫塑料，這種材料除了損耗小、易于加工外，公差也比蜂窩玻璃鋼容易保證。它主要起支撐作用，內外表皮用玻璃纖維增強塑料，其中嵌有相對波長是密間距的金屬導線，當電波極化平行于其中的金屬導線時，它就起和金屬反射面一樣的作用。當電波極化垂直于金屬導線時，它應力求使電場的透過系數為1。

根據極化扭轉實驗及有關資料介紹，交叉極化特性優于20dB以上時，對天線單脈沖性能的影響不是很大的，在選擇柵網導線的粗細及間距時，按一層柵網來設計。

平行柵網的反射系數rII：

當d取不同的值時滿足上式的D值見表2：

表2 金屬導線直徑D 選取值

因D小了便于加工雙曲面的凹面，故選d=1.5mm D=0.25mm，采用“高強度聚酯漆包圓銅線”。

2.4 天線整體結構仿真

將以上拋物面板、雙曲面板及雙頻段饋源按天線原理圖所示在CST軟件中進行建模仿真，如圖2所示。

圖2 天線系統整體仿真結構圖

在仿真過程中調整兩個面板的厚度并對他們之間的位置距離進行調整可以有效的對天線電性能進行調試，因為此天線系統整體電尺寸較大，金屬絲間的間距又很小，所以在整體仿真時占用內存大時間長對計算機的性能要求較高，最好使用專業服務器進行仿真計算。

3 天線系統電性能仿真結果

此天線系統經過CST仿真軟件仿真計算，端口的電壓駐波比在帶內小于2，方位差零深和俯仰差零深均小于-25dB,Ku波段天線增益在28dB左右，X波段天線增益在25dB左右，波束寬度、旁瓣、端口隔離度等指標也都符合設計要求，在這里我們選擇一組仿真結果如圖3所示。

圖3 Ku 波段中頻仿真結果

4 結論

文章設計了一種工作在雙頻段的反射面天線系統，在復雜的電磁環境中用兩個頻段的天線系統可靈活切換需要的頻段并有效降低電磁干擾，將幾種常見的無源微波器件組合并用合適尺寸的波導進行微波信號傳輸，對反射面板的曲率和焦點進行微調，經過合理的調整匹配就可以達到雙頻段天線的設計指標，特別是在微波抗干擾工作模式下比較有優勢。