摘 要:提出一種新型偏置近場卡塞格倫天線，天線的主副鏡均由具有圓口徑的拋物面鏡構成，給出了主副鏡的幾何參數(shù)和設計方程。采用非傳統(tǒng)且適應高功率應用的波束波導進行饋電，天線系統(tǒng)(含波束波導)采用了幾何光學和去極化的設計方法。根據(jù)照射錐削角和高斯束腰設計了方向圖圓周對稱的波紋喇叭饋源。在此饋源喇叭的基礎上，根據(jù)高斯波束法得到波束波導各鏡面尺寸。采用物理繞射理論對一個設計實例的方向圖進行分析，證明該天線系統(tǒng)具有極低的交叉極化電平和旁瓣電平。

關鍵詞:偏置近場卡塞格倫天線; 波束波導; 波紋喇叭; 饋電

中圖分類號:TN823+.28 文獻標識碼:A

文章編號: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

在深空探測和氣象測量領域，往往要求天線具有高增益、高極化純度和低旁瓣性能，有時甚至要求天線在高功率環(huán)境下工作。采用波束波導饋電的反射面天線是常見的選擇 [1-3]。

波束波導由一系列反射鏡規(guī)則排列構成，目前主要應用于傳輸線饋電網(wǎng)絡和受控核聚變的等離子體加熱中[4-5]。反射面天線采用波束波導饋電具有低損耗、易維護等優(yōu)點，但傳統(tǒng)反射面天線采用波束波導饋電會出現(xiàn)波束在主鏡附近聚焦的情況，這就限制它在高功率情況下的應用[6]。近場卡塞格倫天線雖然具有高功率應用的能力，卻存在大副鏡遮擋的問題 [7]。本文首次提出了偏置近場卡塞格倫天線的概念，通過主副鏡結構的偏置避免了副鏡及支架的遮擋，可以有效提高天線的口徑效率，降低近軸旁瓣電平和電壓駐波比[8];同時副鏡尺寸的選擇也不再受遮擋效率因子的限制，將更加靈活。由于采用單拋物面波束波導饋電，波紋喇叭饋源輻射出的波束在傳輸過程中將不再聚焦，因此偏置近場卡塞格倫天線具有高功率應用的能力。

1 幾何參數(shù)和設計方程

圖1給出了偏置雙拋物反射面天線的側視圖。

圖1 偏置雙拋物反射面天線

天線的幾何結構完全由圖中標注的11個參數(shù)決定，所有參數(shù)的定義如表1所示。在11個天線參數(shù)中，只有5個獨立參數(shù)可以作為初始參數(shù)指定，剩余的6個參數(shù)可以根據(jù)設計公式計算得到。

表1 參數(shù)定義

符號定義

Dm主鏡在XY坐標系下的投影口徑

Fm主鏡焦距

H主鏡偏置高度

θo主鏡偏置角

θL主鏡非對稱面頂端偏置角

θU主鏡非對稱面底端偏置角

Fs副鏡焦距

β主鏡母線對稱軸(Zm軸)與副鏡母線對稱軸

(Zs軸)之間的夾角

dm-s主副鏡沿X軸最小的邊緣間距

Ds副鏡在XsYs坐標系下的投影口徑

D整個天線沿Zm軸的最大尺寸

天線的主副鏡均由具有圓口徑的拋物面鏡構成，根據(jù)拋物面幾何特性可以得到以下6個設計方程:

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)

dm-s=2FmtanθL2-2Fssin θU1+cos(β+θU)(6)

2 天線系統(tǒng)的設計

2.1 去極化設計過程

偏置雙拋物面天線、波束波導和波紋喇叭共同構成波束波導天線系統(tǒng)。其中，波束波導由拋物面鏡和平面鏡各一面構成，其結構如圖2所示。拋物面鏡將波紋喇叭饋源輻射出的球面波轉化為平面波，通過平面鏡改變波束方向照射副鏡完成饋電。根據(jù)高斯波束法，為了減少波束波導饋電損耗，拋物面鏡可以采用-25 dB的邊緣照射電平，而平面鏡不造成對副鏡散射波束遮擋的情況下，可以采用更低的照射電平。

為消除反射面天線結構偏置引起的交叉極化，天線系統(tǒng)的設計需滿足C.Dragone提出的去交叉極化原則。圖3為天線系統(tǒng)的去極化設計圖，饋源由F1射出以向量為對稱軸的球面圓錐波束，經(jīng)過每個拋物反射面鏡的兩次反射后變?yōu)橐韵蛄俊錇閷ΨQ軸的波束返回焦點F1處。其中O，F(xiàn)1分別為副鏡和波束波導拋物面鏡的焦點;B0和Bm為中心射線與波束波導拋物面鏡的兩個交點。當向量與′共線時，滿足去交叉極化條件。由于平面鏡僅起到改變波束方向的作用，在去交叉極化設計時可以不用考慮。具體設計過程如下:

圖2 波束波導結構圖

圖3 天線系統(tǒng)的去極化設計

(1) 從11個參數(shù)中選取5個關鍵參數(shù)作為初始參數(shù)。從結構限制和增益要求出發(fā)，本文選取Dm，F(xiàn)m，H，Ds和β，然后根據(jù)設計方程計算得到剩余的6個參數(shù)值。

(2) 設波束波導中拋物面鏡焦點F1在(0，Xs，Zs)坐標系下的坐標為(Xb，Zb+Fb)，得到拋物面鏡方程如下:

Zs=(Xs-Xb)24Fb+Zb(7)

式中:Fb為波束波導拋物面鏡的焦距。

(3) 由向量與′共線(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)是關于Xb和Fb的一個方程，給定Xb值即可以得到對應的Fb值。

2.2 波紋喇叭饋源的設計

反射面天線設計中最重要的環(huán)節(jié)之一是饋源的選取，波紋喇叭具有低副瓣、寬頻帶、低交叉極化特性，且主瓣方向圖旋轉對稱，高斯主模耦合效率極高(可達98%)，是波束波導天線優(yōu)良的饋源[9-10]。本文選擇兩段結構的小張角波紋喇叭作為饋源，波紋喇叭結構如圖4所示。

圖4 波紋喇叭結構圖

根據(jù)照射錐削和高斯束腰要求進行設計，步驟如下:

(1) 若將副鏡看成波束波導的一部分，那么新的雙拋物面鏡波束波導將波紋喇叭放大映射到主鏡的焦點形成虛饋源，放大倍率為Fs/Fb。虛饋源的照射角為主鏡的張角θU-θL，故波紋喇叭的照射角2α=2arctanFsFbtan(θU-θL2)]。設主鏡的邊緣照射電平取-A dB，則波紋喇叭歸一化增益方向圖主瓣下降A dB對應的錐削角為α，空間因子u=kA0sin α。

(2) 估計合理的喇叭口面相差φ1，根據(jù)平衡混合下小張角波紋喇叭通用方向圖和主鏡邊緣照射電平確定u值，從而計算出A0。

(3) 波紋喇叭口面波束半徑ωz ≈0.644 A0，等效高斯束腰要求為ω0。故束腰與口面距離h=πω20λ#8226;(ωz/ω0)2-1，口面固定相位φz=arccos(ω/ω0)，喇叭斜長L=A20+πω2zλtan φz，半張角θ=arcsin(A0/L)，實際口面相差φ2=πA20/λL。若φ1≠φ2，則修正φ1直到φ1=φ2。

(4) 合理地選取波紋喇叭的槽寬比w/t和槽深d。為減小駐波和交叉極化電平，模式轉換段長度L1≥2.5λ。

3 設計實例及仿真結果

本文給出了一個中心頻率100 GHz(即波長λ=3 mm)的天線系統(tǒng)設計實例，分別采用增益為21 dB的理想高斯饋源和波紋喇叭饋電，通過物理繞射理論計算得到近軸增益方向圖，其中天線系統(tǒng)各部分的詳細參數(shù)如表2所示。

圖5為波紋喇叭的仿真結果，可以看到設計的波紋喇叭帶寬內(nèi)駐波比小于1.1，最大交叉極化電平為-41.5 dB，且增益方向圖具有良好的圓周對稱性。

表2 設計實例的參數(shù)值

DmFmHDsβFsθLθoθUdm-sXb

600λ500λ400λ60λ20°41.8λ11.4°43.6°70.0°21.6λ0

FbDbDpA0A1A2θL1L2Lh

78.3λ60λ67λ2.27λ0.77λ0.47λ10.6°2.5λ8λ12.34λ2.86λ

圖5 波紋喇叭仿真結果

圖6為天線系統(tǒng)的近軸增益方向圖。

圖6 天線系統(tǒng)的近軸增益方向圖

從圖中可以看到理想高斯饋源激勵下天線系統(tǒng)的增益為64.1 dBi，口徑效率為72.4%，第一副瓣電平為-29.1 dB，最大交叉極化電平值為-48.1 dB，且出現(xiàn)在φ=90°平面內(nèi)。波紋喇叭激勵下天線系統(tǒng)的增益為63.9 dBi，第一副瓣電平值為-28.0 dB，最大交叉極化電平值為-41.9 dB且出現(xiàn)在φ=45°平面內(nèi)。

兩種激勵下天線的近軸方向圖形狀基本相同，增益和副瓣電平值相差不大。相比理想高斯饋源，波紋喇叭激勵時天線最大交叉極化電平上升6.2 dB，這是由波紋喇叭φ=45°平面內(nèi)最大交叉極化電平引起的，因此在工程設計時波紋喇叭的交叉極化電平需要控制在48 dB以下。

4 結 語

研究了一種波束波導饋電的新型偏置近場卡塞格倫天線，采用了去極化的設計方法，相比結構對稱的近場卡塞格倫天線，既避免了副鏡的遮擋效應照成的天線口徑效率下降、旁瓣惡化、駐波比提高，也消除了結構偏置引起了極化純度下降。采用高斯基模輻射效率高且方向圖圓周對稱的波紋喇叭作為饋源，并給出了設計過程。最后通過對一個設計實例的分析，驗證了波紋喇叭和天線系統(tǒng)設計的正確性，表明了該新型偏置雙反射面天線具有非常低的近軸旁瓣電平和交叉極化電平。偏置近場卡塞格倫天線既適應于微波頻段下的高功率應用，更適應在高口徑效率和低旁瓣電平要求的星載環(huán)境下工作。

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