孫瀅翔，杜 彪，吳建明

(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)

0 引言

口面場(chǎng)分布函數(shù)的選擇是雙反射面天線賦形設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。大量研究表明，口面場(chǎng)分布函數(shù)對(duì)賦形雙反射面天線的增益和近軸旁瓣起到?jīng)Q定作用［1］。

賦形雙偏置天線采用了偏置結(jié)構(gòu)，消除了遮擋，其輻射性能比圓對(duì)稱反射面天線更好，但天線的非對(duì)稱性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了天線加工成本增高，限制了該類天線的廣泛應(yīng)用。平方公里陣天線(SKA)［2］將由約3 300面15 m口徑的天線組成，要求天線的輻射性能優(yōu)異。巨大的需求數(shù)量可以使單個(gè)天線的加工成本降低，因此雙偏置格里高利天線是一種較為理想的天線形式。

圓對(duì)稱雙反射面天線口面場(chǎng)分布函數(shù)的研究已有許多文獻(xiàn)和論著介紹［1，3，4］，主要是針對(duì)有遮擋的雙反射面天線進(jìn)行，而有遮擋的口面場(chǎng)分布函數(shù)并不適用于無遮擋雙偏置反射面天線的賦形設(shè)計(jì)，因此需要對(duì)無遮擋形式的口面場(chǎng)分布函數(shù)進(jìn)行深入研究。

1 幾何參數(shù)變化對(duì)口面場(chǎng)分布的影響

文獻(xiàn)［5］通過選取饋源方向圖和對(duì)稱面(中截面)口面場(chǎng)分布函數(shù)，對(duì)天線主副反射面的對(duì)稱面曲線進(jìn)行賦形，通過構(gòu)造矢量函數(shù)［6］求得副反射面，再根據(jù)反射定律、等光程條件求得天線主反射面。

下面將固定對(duì)稱面上的口面場(chǎng)分布，改變天線的幾何參數(shù)來研究整個(gè)口徑面上口面場(chǎng)分布的變化。

對(duì)于雙偏置反射面天線，選定主反射面直徑DM、副反射面直徑Ds、主反射面焦距FM、主反射面對(duì)副反射面的凈距H及饋源照射半張角作為初始幾何參數(shù)，即可計(jì)算出天線的其他幾何參數(shù)。

文獻(xiàn)［5］中選取 DM=15 m、Ds=2.9 m、FM=5.4 m、H=0.5 m、θm=55°對(duì)天線進(jìn)行賦形設(shè)計(jì)，對(duì)稱面口面場(chǎng)分布函數(shù)為F(R )=1、F (R )=e－p( R /Rm)2、F (R )=［1－ ( VmR/Rm)2］P(取Vm=0.85，P=0.75)。下面分2種情況研究幾何參數(shù)對(duì)整個(gè)口面上口面場(chǎng)分布的影響，第1種情況:DM不變，改變其他4個(gè)參數(shù)中的任何一個(gè)參數(shù)，其他3個(gè)參數(shù)保持不變，依次改變Ds為2.8 m和3.0 m，F(xiàn)M為5.0 m 和5.8 m，H 為0.4 m 和0.6 m，θm為50°和45°，采用相同的對(duì)稱面口面場(chǎng)分布函數(shù)對(duì)天線進(jìn)行賦形設(shè)計(jì);第2種情況:DM不變，同時(shí)將 Ds、FM、H、θm變?yōu)?.8 m、5.0 m、0.6 m、50°，采用相同的對(duì)稱面口面場(chǎng)分布函數(shù)對(duì)天線進(jìn)行賦形設(shè)計(jì)。在上述2種情況下，對(duì)整個(gè)工作頻帶內(nèi)天線整個(gè)口面上的口面場(chǎng)分布進(jìn)行了計(jì)算，由于篇幅限制，僅給出在10 GHz頻率，DM=15 m、Ds=2.8 m、FM=5.0 m、H=0.6 m、θm=50°、口 面 場(chǎng) 函 數(shù) 為 F (R )=［1－ ( VmR/Rm)2］P(取 Vm=0.85，P=0.75)時(shí)計(jì)算得到的口面能量分布結(jié)果和選用文獻(xiàn)［5］中參數(shù)、相同的口面場(chǎng)函數(shù)得到的口面能量分布的結(jié)果。圖1給出了上述2種幾何參數(shù)和2種方法計(jì)算的輻射方向圖，即分別使用GRASP 9軟件計(jì)算天線方向圖和口面場(chǎng)積分公式計(jì)算旋轉(zhuǎn)對(duì)稱口面場(chǎng)分布函數(shù)所形成的方向圖。

結(jié)果表明，不同幾何參數(shù)的天線其整個(gè)口面上的口面場(chǎng)分布、方向圖的增益和前幾個(gè)近軸旁瓣一致，口面場(chǎng)分布基本為圓對(duì)稱分布。僅通過選取對(duì)稱面口面場(chǎng)分布函數(shù)，對(duì)天線對(duì)稱面曲線進(jìn)行賦形設(shè)計(jì)，就可有效控制整個(gè)主反射面的口面場(chǎng)分布。因此，進(jìn)一步研究天線對(duì)稱面的口面場(chǎng)分布函數(shù)對(duì)雙偏置反射面天線的賦形設(shè)計(jì)是十分有意義的。

圖1 輻射方向圖計(jì)算結(jié)果對(duì)比

2 口面場(chǎng)分布函數(shù)的研究

天線輻射方向圖獲得最大增益的條件是口面上具有等幅同相的場(chǎng)分布，但此時(shí)天線的第一旁瓣也達(dá)到最高。天線的增益和旁瓣特性是相互矛盾的，控制旁瓣的關(guān)鍵就是折中處理增益和旁瓣的關(guān)系，從而使天線既能提供較佳的增益又能提供滿足指標(biāo)要求的旁瓣。這就需要研究口面場(chǎng)分布函數(shù)對(duì)天線輻射方向圖影響，以便于選擇其最優(yōu)形式。

2.1 等幅余弦口面場(chǎng)分布

等幅余弦口面分布表達(dá)式如下:

式中，r=R/Rm為歸一化半徑，τ為常數(shù)。

取 τ=0.2，分別取 ρ=0.6、ρ=0.4、ρ=0.2，對(duì)應(yīng)的口面場(chǎng)分布如圖2所示。

圖2 等幅余弦口面場(chǎng)分布

利用圖2中的口面場(chǎng)分布函數(shù)對(duì)天線進(jìn)行賦形設(shè)計(jì)，在10 GHz頻率計(jì)算得到的輻射性能如表1所示。

表1 等幅余弦口面場(chǎng)分布的計(jì)算結(jié)果

表1中的結(jié)果表明，口面場(chǎng)分布愈不均勻，口面效率愈低，旁瓣也愈低。此結(jié)論與文獻(xiàn)［7］、文獻(xiàn)［8］中結(jié)論一致。

2.2 其他幾種口面場(chǎng)分布

對(duì)口面場(chǎng)分布函數(shù)進(jìn)行了深入研究，其中具有代表意義的哈明口面場(chǎng)分布、冪函數(shù)口面場(chǎng)分布、指數(shù)口面場(chǎng)分布如圖3所示。

哈明口面場(chǎng)分布函數(shù)使用改造形式 F ( r)=0.7+0.3cos ( π r);冪 函 數(shù) 口 面 場(chǎng) 分 布 F (r)=(1 －T )(1 －r2)p+T (1 －r2)q，取 T=0.7、p=2、q=0;指數(shù)口面場(chǎng)分布F( r)=1－a1e－b1(1－r)－ a2e－b2r，取 a1=0.6，a2=0.2，b1=4，b2=4。

圖3 其他幾種口面場(chǎng)分布圖

利用圖3中口面場(chǎng)分布函數(shù)對(duì)天線進(jìn)行賦形，在10 GHz頻率計(jì)算得到輻射性能如表2所示。

表2 其他幾種口面場(chǎng)分布的計(jì)算結(jié)果

表2中的結(jié)果表明哈明口面場(chǎng)分布函數(shù)產(chǎn)生的輻射方向圖第一旁瓣滿足低于－20 dB的要求，但效率偏低;冪函數(shù)和指數(shù)口面場(chǎng)分布函數(shù)產(chǎn)生的輻射方向圖第一旁瓣都高于－20 dB。以上口面場(chǎng)函數(shù)都不能滿足天線高增益和低旁瓣的要求。

2.3 改進(jìn)型余弦口面場(chǎng)分布

圖4 天線輻射方向圖

3 結(jié)束語

通過利用相同的口面場(chǎng)函數(shù)對(duì)不同幾何參數(shù)的天線進(jìn)行賦形設(shè)計(jì)，可得到幾乎一致的口面場(chǎng)分布，說明僅對(duì)天線的對(duì)稱面曲線進(jìn)行賦形，再通過構(gòu)造矢量函數(shù)求取整個(gè)副反射面，就可有效控制整個(gè)主反射面的口面分布，進(jìn)而獲得理想的輻射方向圖。

研究了賦形雙偏置格里高利天線口面場(chǎng)分布對(duì)輻射方向圖的影響，并針對(duì)SKA的實(shí)際需求給出了一種具有高效率、低旁瓣的改進(jìn)型余弦口面場(chǎng)分布函數(shù)，研究的結(jié)果可應(yīng)用于指導(dǎo)雙偏置格里高利天線賦形設(shè)計(jì)。文中的無遮擋形式口面場(chǎng)分布函數(shù)亦適用于雙偏置卡塞格倫天線。

［1］楊可忠，楊智友，章日榮.現(xiàn)代面天線新技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社，1993.

［2］DEWENEY PETER E，HALLPETER J，SCHILIZZI RICHARD T ，et al.The Square Kilometere Array［J］.Proceedings of the IEEE，2009，97(8):1482 －1496.

［3］楊可忠，楊智友.口面場(chǎng)分布函數(shù)［J］.無線電通信技術(shù)，1990，16(4):1 －10.

［4］張立軍，史振起.高效率低旁瓣天線口面場(chǎng)分布函數(shù)研究［J］.無線電通信技術(shù)，2010，36(4):36 －38.

［5］孫瀅翔，杜彪，吳建明.一種雙偏置格里高利天線的賦形方法［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，26(增刊):513－516.

［6］TAKEICHI YHASHIMOTO T，MANO S.衛(wèi)星通信天線電氣和機(jī)械設(shè)計(jì)中的先進(jìn)技術(shù)［M］.電子部十四所八部譯.南京:電子部十四所八部，1995.

［7］林昌祿，聶在平，肖篤，等.天線工程手冊(cè)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002

［8］謝處方，邱文杰.天線原理與設(shè)計(jì)［M］.西安:西北電訊工程學(xué)院出版社，1985.