張 旺,王黎莉,閆 豐

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

0 引言

大型雙反射面天線在衛(wèi)星通信、深空探測(cè)和射電天文等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,同時(shí)這些領(lǐng)域?qū)μ炀€的性能有著較高的要求,然而天線饋源偏焦會(huì)導(dǎo)致天線性能的惡化,因此解決天線饋源偏焦現(xiàn)象就成了一個(gè)迫切的問題。文獻(xiàn)[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(dòng)到新的焦點(diǎn)處來形成新的天線系統(tǒng),這就需要采用自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu),然而對(duì)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(huì)導(dǎo)致移動(dòng)饋源采用的自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)會(huì)比較龐大、復(fù)雜;不采用自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu),饋源就不能移動(dòng)到新的焦點(diǎn)位置而仍在原焦點(diǎn)處,這樣使得新的天線系統(tǒng)存在偏焦現(xiàn)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(dòng),即天線焦點(diǎn)發(fā)生變化,就會(huì)造成反射波的波陣面對(duì)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(dòng)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(shè)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(zhǎng)度F′MM′為:

偏焦不大時(shí),Δx＜＜f,α角很小,有下述關(guān)系:

將式(2)、式(3)代入式(1),并忽略小項(xiàng)可得:

根據(jù)拋物面的性質(zhì),從焦點(diǎn)F到拋物面口徑上任一點(diǎn)的光程為常數(shù)(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(duì)天線性能的影響

以65 m射電望遠(yuǎn)鏡天線為模型,文獻(xiàn)[1]中計(jì)算的結(jié)果發(fā)現(xiàn)饋源的偏焦主要是橫向偏焦,焦點(diǎn)最大偏移量為200 mm。通過GRASP軟件分別計(jì)算了X頻段天線的理論方向圖及偏焦方向圖,計(jì)算結(jié)果對(duì)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(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn):天線饋源偏焦導(dǎo)致了天線主瓣指向發(fā)生偏移,與理論設(shè)計(jì)指向偏差0.068°;導(dǎo)致了天線第一旁瓣電平發(fā)生變化,一側(cè)的電平降低,另一側(cè)電平升高,由理論設(shè)計(jì)的(-23.72,-23.72)變?yōu)?-19.14,-29.32);導(dǎo)致了天線增益降低,與理論設(shè)計(jì)相比損失了0.14 dB。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是由于饋源偏焦造成了天線口面上出現(xiàn)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(cè)偏移;立方律相位偏差使方向圖主瓣向另一側(cè)偏移一個(gè)較小的角度。合成的結(jié)果是使方向圖主瓣向與偏焦方向相反的一側(cè)偏移一個(gè)角度,同時(shí)方向圖變的不對(duì)稱,在主瓣偏移一側(cè)副瓣電平降低,另一側(cè)電平升高[4]。

計(jì)算65 m天線不同工作頻段在饋源最大偏焦時(shí)的第一旁瓣和增益損失,計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 偏焦方向圖的變化結(jié)果

由表1偏焦方向圖的變化中可以發(fā)現(xiàn):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(shí)第一旁瓣不對(duì)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(gè)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(gè)折衷處理,通過計(jì)算尋找了饋源偏焦35 mm的吻合面,此時(shí)主面精度惡化了0.2 mm。分別計(jì)算了天線工作于X頻段時(shí)在2種偏焦情況下及理論設(shè)計(jì)的輻射方向圖,計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

計(jì)算結(jié)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(duì)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(duì)天線增益的影響,通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)新吻合面較最佳吻合反射面增益損失大0.08 dB,相對(duì)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(shè)計(jì)方向圖

3.2 偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)一個(gè)角度,同樣也可以改善天線的輻射方向圖。

饋源偏焦200 mm時(shí),將副反射面偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度,通過GRASP軟件計(jì)算了此時(shí)X頻段的輻射方向圖并與理論設(shè)計(jì)輻射方向圖、饋源偏焦輻射方向圖做了對(duì)比,仿真計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 偏轉(zhuǎn)副反射面的輻射方向圖

計(jì)算結(jié)果表明:饋源偏焦時(shí)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(chǔ)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(zhuǎn)副反射面的方法,第一旁瓣電平對(duì)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(jié)束語

通過對(duì)橫向偏焦問題的分析,較為詳細(xì)地推導(dǎo)了饋源橫向偏焦的表達(dá)式。結(jié)合65 m天線實(shí)例仿真了饋源偏焦對(duì)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(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和指導(dǎo),必將大幅減少天線調(diào)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(jì)算方法[J].無線電工程,2011,41(3):38-40.

[2]朱鐘淦,葉尚輝.天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京.國(guó)防工業(yè)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(xué)出版社,1985:262-267.