摘 要:提出一种新型偏置近场卡塞格伦天线,天线的主副镜均由具有圆口径的抛物面镜构成,给出了主副镜的几何参数和设计方程。采用非传统且适应高功率应用的波束波导进行馈电,天线系统(含波束波导)采用了几何光学和去极化的设计方法。根据照射锥削角和高斯束腰设计了方向图圆周对称的波纹喇叭馈源。在此馈源喇叭的基础上,根据高斯波束法得到波束波导各镜面尺寸。采用物理绕射理论对一个设计实例的方向图进行分析,证明该天线系统具有极低的交叉极化电平和旁瓣电平。
关键词:偏置近场卡塞格伦天线; 波束波导; 波纹喇叭; 馈电
中图分类号:TN823+.28 文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)09-0041-04
New Offset Near-field Cassegrain Antenna Fed by Beam Waveguide
GU Sheng-ming1, LIU Shao-bin1, ZHANG Feng-lin2, LIU Hao2
(1.Nanjing university of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, China;
2.Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China)
Abstract: A new offset dual nearfield Cassegrain antenna is presented, its main and sub reflectors are parabolic reflectors and both have circular apertures, the geometric parameter and design equations are given in this paper. The new antenna is fed by an unconventional beam waveguide which suits for high-power application, geometrical optics procedure and depolarization method are used for designing the whole antenna system (including beam waveguide). According to the illustration taper angle and Gaussian beam waist, a corrugated horn with circular symmetry radiation patterns is designed. Based on the horn, the size of reflectors in the beam waveguide is gained by Gaussian beam method. Radiation patterns of an example are calculated by physical theory of diffraction method, the simulation results prove that the new antenna system has very low cross polarization and side lobe level.
Key words: offset near-field Cassegrain antenna; beam waveguide; corrugated horn; feed
0 引 言
在深空探测和气象测量领域,往往要求天线具有高增益、高极化纯度和低旁瓣性能,有时甚至要求天线在高功率环境下工作。采用波束波导馈电的反射面天线是常见的选择 [1-3]。
波束波导由一系列反射镜规则排列构成,目前主要应用于传输线馈电网络和受控核聚变的等离子体加热中[4-5]。反射面天线采用波束波导馈电具有低损耗、易维护等优点,但传统反射面天线采用波束波导馈电会出现波束在主镜附近聚焦的情况,这就限制它在高功率情况下的应用[6]。近场卡塞格伦天线虽然具有高功率应用的能力,却存在大副镜遮挡的问题 [7]。本文首次提出了偏置近场卡塞格伦天线的概念,通过主副镜结构的偏置避免了副镜及支架的遮挡,可以有效提高天线的口径效率,降低近轴旁瓣电平和电压驻波比[8];同时副镜尺寸的选择也不再受遮挡效率因子的限制,将更加灵活。由于采用单抛物面波束波导馈电,波纹喇叭馈源辐射出的波束在传输过程中将不再聚焦,因此偏置近场卡塞格伦天线具有高功率应用的能力。
1 几何参数和设计方程
图1给出了偏置双抛物反射面天线的侧视图。
图1 偏置双抛物反射面天线
天线的几何结构完全由图中标注的11个参数决定,所有参数的定义如表1所示。在11个天线参数中,只有5个独立参数可以作为初始参数指定,剩余的6个参数可以根据设计公式计算得到。
表1 参数定义
符号定义
Dm主镜在XY坐标系下的投影口径
Fm主镜焦距
H主镜偏置高度
θo主镜偏置角
θL主镜非对称面顶端偏置角
θU主镜非对称面底端偏置角
Fs副镜焦距
β主镜母线对称轴(Zm轴)与副镜母线对称轴
(Zs轴)之间的夹角
dm-s主副镜沿X轴最小的边缘间距
Ds副镜在XsYs坐标系下的投影口径
D整个天线沿Zm轴的最大尺寸
天线的主副镜均由具有圆口径的抛物面镜构成,根据抛物面几何特性可以得到以下6个设计方程:
θL=2arctan2H-Dm4Fm(1)
θo=2arctanH2Fm(2)
θU=2arctan2H+Dm4Fm(3)
D=2Fmcos θL(1+cos θL)-2Fssin θL1+cos(β+θL)(4)
Ds=2Fstanβ+θU2-tanβ+θL2(5)
dm-s=2FmtanθL2-2Fssin θU1+cos(β+θU)(6)
2 天线系统的设计
2.1 去极化设计过程
偏置双抛物面天线、波束波导和波纹喇叭共同构成波束波导天线系统。其中,波束波导由抛物面镜和平面镜各一面构成,其结构如图2所示。抛物面镜将波纹喇叭馈源辐射出的球面波转化为平面波,通过平面镜改变波束方向照射副镜完成馈电。根据高斯波束法,为了减少波束波导馈电损耗,抛物面镜可以采用-25 dB的边缘照射电平,而平面镜不造成对副镜散射波束遮挡的情况下,可以采用更低的照射电平。
为消除反射面天线结构偏置引起的交叉极化,天线系统的设计需满足C.Dragone提出的去交叉极化原则。图3为天线系统的去极化设计图,馈源由F1射出以向量为对称轴的球面圆锥波束,经过每个抛物反射面镜的两次反射后变为以向量′为对称轴的波束返回焦点F1处。其中O,F1分别为副镜和波束波导抛物面镜的焦点;B0和Bm为中心射线与波束波导抛物面镜的两个交点。当向量与′共线时,满足去交叉极化条件。由于平面镜仅起到改变波束方向的作用,在去交叉极化设计时可以不用考虑。具体设计过程如下:
图2 波束波导结构图
图3 天线系统的去极化设计
(1) 从11个参数中选取5个关键参数作为初始参数。从结构限制和增益要求出发,本文选取Dm,Fm,H,Ds和β,然后根据设计方程计算得到剩余的6个参数值。
(2) 设波束波导中抛物面镜焦点F1在(0,Xs,Zs)坐标系下的坐标为(Xb,Zb+Fb),得到抛物面镜方程如下:
Zs=(Xs-Xb)24Fb+Zb(7)
式中:Fb为波束波导抛物面镜的焦距。
(3) 由向量与′共线(即F1B0//F1Bm),可以得到如下等式:
2Fstanβ+θ02-Xb24Fb-Fb2Fstanβ+θ02-Xb=
2Fstanβ+θ02-2Fssin β1-cos β-2Xb4Fb(8)
式(8)是关于Xb和Fb的一个方程,给定Xb值即可以得到对应的Fb值。
2.2 波纹喇叭馈源的设计
反射面天线设计中最重要的环节之一是馈源的选取,波纹喇叭具有低副瓣、宽频带、低交叉极化特性,且主瓣方向图旋转对称,高斯主模耦合效率极高(可达98%),是波束波导天线优良的馈源[9-10]。本文选择两段结构的小张角波纹喇叭作为馈源,波纹喇叭结构如图4所示。
图4 波纹喇叭结构图
根据照射锥削和高斯束腰要求进行设计,步骤如下:
(1) 若将副镜看成波束波导的一部分,那么新的双抛物面镜波束波导将波纹喇叭放大映射到主镜的焦点形成虚馈源,放大倍率为Fs/Fb。虚馈源的照射角为主镜的张角θU-θL,故波纹喇叭的照射角2α=2arctanFsFbtan(θU-θL2)]。设主镜的边缘照射电平取-A dB,则波纹喇叭归一化增益方向图主瓣下降A dB对应的锥削角为α,空间因子u=kA0sin α。
(2) 估计合理的喇叭口面相差φ1,根据平衡混合下小张角波纹喇叭通用方向图和主镜边缘照射电平确定u值,从而计算出A0。
(3) 波纹喇叭口面波束半径ωz ≈0.644 A0,等效高斯束腰要求为ω0。故束腰与口面距离h=πω20λ•(ωz/ω0)2-1,口面固定相位φz=arccos(ω/ω0),喇叭斜长L=A20+πω2zλtan φz,半张角θ=arcsin(A0/L),实际口面相差φ2=πA20/λL。若φ1≠φ2,则修正φ1直到φ1=φ2。
(4) 合理地选取波纹喇叭的槽宽比w/t和槽深d。为减小驻波和交叉极化电平,模式转换段长度L1≥2.5λ。
3 设计实例及仿真结果
本文给出了一个中心频率100 GHz(即波长λ=3 mm)的天线系统设计实例,分别采用增益为21 dB的理想高斯馈源和波纹喇叭馈电,通过物理绕射理论计算得到近轴增益方向图,其中天线系统各部分的详细参数如表2所示。
图5为波纹喇叭的仿真结果,可以看到设计的波纹喇叭带宽内驻波比小于1.1,最大交叉极化电平为-41.5 dB,且增益方向图具有良好的圆周对称性。
表2 设计实例的参数值
DmFmHDsβFsθLθoθUdm-sXb
600λ500λ400λ60λ20°41.8λ11.4°43.6°70.0°21.6λ0
FbDbDpA0A1A2θL1L2Lh
78.3λ60λ67λ2.27λ0.77λ0.47λ10.6°2.5λ8λ12.34λ2.86λ
图5 波纹喇叭仿真结果
图6为天线系统的近轴增益方向图。
图6 天线系统的近轴增益方向图
从图中可以看到理想高斯馈源激励下天线系统的增益为64.1 dBi,口径效率为72.4%,第一副瓣电平为-29.1 dB,最大交叉极化电平值为-48.1 dB,且出现在φ=90°平面内。波纹喇叭激励下天线系统的增益为63.9 dBi,第一副瓣电平值为-28.0 dB,最大交叉极化电平值为-41.9 dB且出现在φ=45°平面内。
两种激励下天线的近轴方向图形状基本相同,增益和副瓣电平值相差不大。相比理想高斯馈源,波纹喇叭激励时天线最大交叉极化电平上升6.2 dB,这是由波纹喇叭φ=45°平面内最大交叉极化电平引起的,因此在工程设计时波纹喇叭的交叉极化电平需要控制在48 dB以下。
4 结 语
研究了一种波束波导馈电的新型偏置近场卡塞格伦天线,采用了去极化的设计方法,相比结构对称的近场卡塞格伦天线,既避免了副镜的遮挡效应照成的天线口径效率下降、旁瓣恶化、驻波比提高,也消除了结构偏置引起了极化纯度下降。采用高斯基模辐射效率高且方向图圆周对称的波纹喇叭作为馈源,并给出了设计过程。最后通过对一个设计实例的分析,验证了波纹喇叭和天线系统设计的正确性,表明了该新型偏置双反射面天线具有非常低的近轴旁瓣电平和交叉极化电平。偏置近场卡塞格伦天线既适应于微波频段下的高功率应用,更适应在高口径效率和低旁瓣电平要求的星载环境下工作。
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