劉勝文，杜　彪，2，伍 洋，2

(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.射電天文技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

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雙鏡天線(xiàn)的主副鏡擴(kuò)展研究與設(shè)計(jì)

劉勝文1，杜彪1，2，伍 洋1，2

(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.射電天文技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

摘要：為了解決現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)天線(xiàn)副鏡為中小電尺寸時(shí)，天線(xiàn)性能難以達(dá)到預(yù)期的問(wèn)題，并進(jìn)一步提高天線(xiàn)G/T值的目標(biāo)，研究了反射鏡感應(yīng)電流在副鏡、主鏡邊緣截?cái)鄬?duì)天線(xiàn)輻射性能的影響，分別提出了副鏡邊緣擴(kuò)展和主鏡邊緣擴(kuò)展2種設(shè)計(jì)方法，并對(duì)2種方法設(shè)計(jì)的天線(xiàn)進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示，2種設(shè)計(jì)方法有效地改善反射鏡邊緣電流的連續(xù)性，其中副鏡擴(kuò)展設(shè)計(jì)可用于提高天線(xiàn)的增益，主鏡擴(kuò)展設(shè)計(jì)可用于提高天線(xiàn)G/T值。

關(guān)鍵詞：雙鏡天線(xiàn)；反射鏡擴(kuò)展；天線(xiàn)效率；G/T值

0引言

雙鏡天線(xiàn)作為高增益天線(xiàn)，在衛(wèi)星通信、射電天文、雷達(dá)和無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。目前，雙鏡天線(xiàn)的設(shè)計(jì)主要基于射線(xiàn)尋跡，其主鏡和副鏡一般設(shè)計(jì)為光路完全對(duì)應(yīng)的，即由饋源發(fā)出的射線(xiàn)，經(jīng)副鏡反射后，均被主鏡截獲，再經(jīng)主鏡反射后沿天線(xiàn)軸向射出，該方法設(shè)計(jì)出的天線(xiàn)能夠充分利用主副鏡的面積，具有良好的電性能[1]。但該方法未考慮電流在副鏡和主鏡邊緣截?cái)嘣斐傻挠绊?，因此?dāng)反射鏡(主要是副鏡)電尺寸較小時(shí)，難以達(dá)到最優(yōu)的性能。

本文分析了反射鏡邊緣電流被截?cái)鄬?duì)天線(xiàn)輻射性能造成的影響，據(jù)此分別提出了擴(kuò)展副鏡和主鏡以提高天線(xiàn)性能的設(shè)計(jì)方法，仿真結(jié)果表明，新的設(shè)計(jì)方法提高了天線(xiàn)輻射的性能，達(dá)到了預(yù)期效果。

1副鏡散射場(chǎng)的研究

反射面天線(xiàn)的設(shè)計(jì)主要基于射線(xiàn)尋跡，其假設(shè)入射波照射到的反射面電流與入射波強(qiáng)度成正比，而入射波照射不到的地方電流為零[2]。對(duì)于副鏡邊緣，存在電流截?cái)嘈?yīng)，尤其是副鏡電尺寸較小時(shí)，邊緣繞射和電流截?cái)嘈?yīng)更為明顯，故導(dǎo)致原有的設(shè)計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)的最優(yōu)性能。以標(biāo)準(zhǔn)卡式天線(xiàn)副鏡為例，針對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法和本文提出的副鏡擴(kuò)展設(shè)計(jì)方法，分別計(jì)算了副鏡散射方向圖和天線(xiàn)效率[3](包含口面錐銷(xiāo)效率、漏失效率和遮擋效率)。副鏡散射方向圖如圖1所示，副鏡的尺寸為6、10和20個(gè)波長(zhǎng)，照射電平取-12 dB。2種設(shè)計(jì)方法的天線(xiàn)效率如表1所示。由圖1和表1可以看出，隨著副鏡電尺寸縮小，副鏡散射方向圖主瓣變窄，副瓣升高，降低了主鏡的照射效率和截獲效率，影響了整個(gè)天線(xiàn)的輻射性能[4，5]；采用了本文提出的副鏡擴(kuò)展設(shè)計(jì)方法與原有方法相比，天線(xiàn)效率有明顯提高，且隨著副鏡電尺寸縮小，天線(xiàn)效率提高更為顯著。

圖1　卡式天線(xiàn)副鏡散射方向圖隨頻率的變化

副鏡電尺寸(λ)天線(xiàn)總效率/(%)擴(kuò)展前擴(kuò)展后效率提升/(%)661.4572.4310.981069.7377.858.122072.8879.066.18

下面將針對(duì)主、副鏡擴(kuò)展的設(shè)計(jì)方法和擴(kuò)展后的實(shí)際效果進(jìn)行研究，給出主、副鏡擴(kuò)展的設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證其有效性。

2副鏡擴(kuò)展研究與設(shè)計(jì)

2.1　副鏡擴(kuò)展的概念

雙反射鏡天線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)，副鏡直徑大于最大工作波長(zhǎng)的20倍，才能把副鏡繞射影響忽略，但是在工程應(yīng)用很難做到[6]。當(dāng)副鏡直徑波長(zhǎng)比小于20時(shí)，副鏡就會(huì)產(chǎn)生繞射現(xiàn)象，造成了天線(xiàn)性能難以達(dá)到預(yù)期。針對(duì)這種情況，本文提出了副鏡擴(kuò)展設(shè)計(jì)，如圖2所示，該設(shè)計(jì)縮小了副鏡與主鏡對(duì)應(yīng)的區(qū)域，增加了一個(gè)與主鏡不對(duì)應(yīng)的區(qū)域，保證了副鏡邊緣電流的連續(xù)性，提高了副鏡的截獲效率，減少了副鏡邊緣的漏失和繞射。

圖2　副鏡擴(kuò)展示意圖

2.2　副鏡擴(kuò)展的設(shè)計(jì)方法

① 根據(jù)工程需要選取雙鏡天線(xiàn)的幾何參數(shù)：照射角θm、主鏡直徑D、主鏡焦徑比F/D和副鏡尺寸Ds。

② 根據(jù)天線(xiàn)最低工作頻率，確定副鏡擴(kuò)展的環(huán)形區(qū)域的寬度0.5 d，令：

d=k×λ0,

λ0為雙鏡天線(xiàn)最低工作頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，k為實(shí)數(shù)。

③ 由副鏡直徑Ds和副鏡擴(kuò)展的環(huán)形區(qū)域?qū)挾?.5 d，得到副鏡與主鏡對(duì)應(yīng)區(qū)域的直徑Dsc，即：

Dsc=Ds-d;

④ 由天線(xiàn)的照射角θm、主鏡焦徑比F/D、副鏡與主鏡對(duì)應(yīng)區(qū)域的尺寸Dsc，按照幾何關(guān)系，得到副鏡與主鏡對(duì)應(yīng)區(qū)域的母線(xiàn)。對(duì)于賦形天線(xiàn)，可以對(duì)主鏡母線(xiàn)和與主鏡對(duì)應(yīng)區(qū)域的副鏡母線(xiàn)進(jìn)行賦形。

⑤ 將副鏡與主鏡對(duì)應(yīng)區(qū)域的母線(xiàn)沿垂直于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)軸方向延伸0.5 d，得到副鏡擴(kuò)展區(qū)域的母線(xiàn)，進(jìn)而得到擴(kuò)展后的副鏡母線(xiàn)。

2.3　設(shè)計(jì)實(shí)例與計(jì)算結(jié)果

根據(jù)2.2節(jié)中給出的副鏡擴(kuò)展方法，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)卡式天線(xiàn)進(jìn)行副鏡擴(kuò)展，天線(xiàn)主鏡直徑30 m，焦徑比0.3，照射角13°，照射電平-12 dB，副鏡直徑3 m。k取0~5，利用GRASP[7]軟件進(jìn)行仿真，分別計(jì)算不同頻率時(shí)天線(xiàn)效率(包含口面錐銷(xiāo)效率、漏失效率和遮擋效率)如圖3所示。

由圖3可以看到，天線(xiàn)效率隨著副鏡擴(kuò)展逐漸增高；但到達(dá)一定值以后呈下降趨勢(shì)這是因?yàn)殡S著副鏡的擴(kuò)展，與主鏡對(duì)應(yīng)區(qū)域物理尺寸過(guò)小造成的。當(dāng)d=2.3λ0時(shí)，副鏡擴(kuò)展對(duì)天線(xiàn)效率的提高效果最好，尤其是在電尺寸較小的天線(xiàn)效率提升明顯。

計(jì)算的副鏡截獲效率和天線(xiàn)效率如表2所示。由表2可知，天線(xiàn)副鏡擴(kuò)展后改善了邊緣電流的連續(xù)性，增加了副鏡的截獲效率和天線(xiàn)效率。因此，副鏡邊緣擴(kuò)展設(shè)計(jì)可以提高雙反射面天線(xiàn)的增益。

圖3　副鏡擴(kuò)展后天線(xiàn)效率

頻率/GHz副鏡尺寸(λ)截獲效率/(%)天線(xiàn)效率/(%)擴(kuò)展前擴(kuò)展后擴(kuò)展前擴(kuò)展后11091.0196.6972.1880.3222093.0498.0575.6981.922.52593.2898.1876.4981.4144093.5398.3377.7080.72

3主鏡擴(kuò)展研究與設(shè)計(jì)

3.1　主鏡擴(kuò)展的概念

在分米波和厘米波段，地面黑體是天線(xiàn)噪聲溫度最主要的貢獻(xiàn)源[8]，主反射鏡邊緣的漏失和繞射提高了天線(xiàn)的遠(yuǎn)旁瓣，增加了天線(xiàn)吸收的地面輻射噪聲[9,10]。針對(duì)這種情況，本文提出了主鏡擴(kuò)展設(shè)計(jì)，如圖4所示，該設(shè)計(jì)縮小了主鏡與副鏡對(duì)應(yīng)的區(qū)域，增加了一個(gè)與副鏡不對(duì)應(yīng)的區(qū)域，保證了主鏡邊緣電流連續(xù)，提高主鏡的截獲效率，減少主鏡邊緣漏失，以降低天線(xiàn)噪聲溫度。

圖4　主鏡擴(kuò)展示意圖

3.2　主鏡擴(kuò)展的設(shè)計(jì)方法

雙鏡天線(xiàn)的主鏡擴(kuò)展方法與副鏡擴(kuò)展方法大致相同，步驟如下：

①根據(jù)工程需要選取雙鏡天線(xiàn)的幾何參數(shù)：照射角θm、主鏡直徑D、主鏡焦徑比F/D和副鏡尺寸Ds；

②根據(jù)雙鏡天線(xiàn)的最低工作頻率，確定主鏡與副鏡不對(duì)應(yīng)的環(huán)形區(qū)域的寬度0.5d，令：

d=k×λ0，

式中，λ0為天線(xiàn)最低工作頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，k為實(shí)數(shù)；

③由主鏡直徑D和主鏡擴(kuò)展的環(huán)形區(qū)域?qū)挾?.5d，得到主鏡與副鏡對(duì)應(yīng)區(qū)域的直徑Dc,即：

Dc=D-d；

④由天線(xiàn)的照射角θm、主鏡焦徑比F/D、主鏡與副鏡對(duì)應(yīng)區(qū)域的直徑Dc，按照幾何關(guān)系，得到主鏡與副鏡對(duì)應(yīng)區(qū)域的母線(xiàn)，對(duì)于賦形天線(xiàn)，可以對(duì)副鏡母線(xiàn)和與副鏡對(duì)應(yīng)區(qū)域的主鏡母線(xiàn)進(jìn)行賦形；

⑤保持饋源與副鏡不變，將與副鏡對(duì)應(yīng)區(qū)域的主鏡母線(xiàn)沿垂直于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)軸方向延伸0.5d，得到主鏡擴(kuò)展區(qū)域的母線(xiàn)，進(jìn)而得到擴(kuò)展后主鏡母線(xiàn)。

3.3　設(shè)計(jì)實(shí)例與計(jì)算結(jié)果

根據(jù)3.2節(jié)中給出的主鏡擴(kuò)展方法，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)卡氏天線(xiàn)進(jìn)行主鏡擴(kuò)展，天線(xiàn)主鏡直徑10 m，焦徑比0.4，照射角13°，照射電平-12 dB，副鏡直徑1 m，K取0～5，利用GRASP軟件分別計(jì)算不同頻率時(shí)天線(xiàn)效率(包含口面錐銷(xiāo)效率、漏失效率和遮擋效率)如圖5所示。

圖5　主鏡擴(kuò)展后天線(xiàn)效率

由圖5可知雖然主鏡擴(kuò)展?fàn)奚艘欢ǖ目趶矫娣e，但是由于主鏡截獲效率的上升，天線(xiàn)效率下降并不明顯。當(dāng)d=2.4λ0時(shí)，各個(gè)頻點(diǎn)天線(xiàn)效率均處于波峰，天線(xiàn)效率略有下降，同時(shí)又計(jì)算了天線(xiàn)噪聲溫度與G/T值。假設(shè)接收機(jī)噪聲溫度為15 K，天線(xiàn)在各個(gè)頻點(diǎn)上計(jì)算的G/T值如圖6所示。

圖6　主鏡擴(kuò)展前、后天線(xiàn)的G/T值

由圖6可知，主鏡擴(kuò)展后減少了主鏡邊緣的能量泄露，降低了天線(xiàn)的噪聲溫度，進(jìn)而提高了天線(xiàn)的G/T值。

4結(jié)束語(yǔ)

以保證反射面邊緣電流連續(xù)為出發(fā)點(diǎn)，分別對(duì)副鏡和主鏡擴(kuò)展進(jìn)行了研究，提出的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單易行，適用于各型雙鏡天線(xiàn)。仿真結(jié)果表明，副鏡擴(kuò)展設(shè)計(jì)可以提高天線(xiàn)增益，有效改善天線(xiàn)低頻時(shí)的性能，尤其適合中小電尺寸副鏡的雙鏡天線(xiàn)；而主鏡擴(kuò)展設(shè)計(jì)在略微損失增益情況下降低了噪聲溫度，提高了天線(xiàn)G/T值。雖然只針對(duì)對(duì)稱(chēng)型天線(xiàn)進(jìn)行研究，但是研究結(jié)論同樣適用于偏置天線(xiàn)，并且在雙偏置天線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)需要，靈活選擇主、副鏡擴(kuò)展，以減小地面收到的饋源漏失能量,降低天線(xiàn)地面噪聲溫度[11，12]。

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Research and Design on Main/Sub-reflector Extension for Dual-Reflector Antennas

LIU Sheng-wen1,DU Biao1，2,WU Yang1，2

(1.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China;2.Joint Laboratory for Radio Astronomy Technology,NAOC & CETC54,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：The current design method of dual-reflector antenna becomes less effective when the sub-reflector is electrically small.In view of this problem,the influence of reflector induced current truncation at sub-reflector and main-reflector edges on antenna radiation performance is studied in order to improve the G/T value of dual-reflector antennas.The two design methods such as sub-reflector edge extension and main-reflector edge extension are proposed,and the simulation calculation are implemented for the antennas designed with these two methods.The results show that these two methods can effectively improve the continuity of reflector edge current,the sub-reflector extension design can be used for improving the antenna gain,and the main-reflector extension design can be used for improving G/T value of antenna.

Key words：dual-reflector antenna;reflector extension;antenna efficiency;G/T

作者簡(jiǎn)介：劉勝文(1988—)，男，在讀研究生，主要研究方向：電磁場(chǎng)與微波技術(shù)。杜彪(1962—)，男，博士，研究員，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所首席專(zhuān)家、所副總工程師，主要研究方向：射電望遠(yuǎn)鏡天線(xiàn)、衛(wèi)星通信地球站天線(xiàn)、微波天線(xiàn)、饋源系統(tǒng)和陣列天線(xiàn)等。

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(973計(jì)劃) (2013CB837902);國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際合作與交流項(xiàng)目(11261140641);國(guó)家國(guó)際科技合作專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(2012DFB00120)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(SS2014AA122001)

收稿日期：2015-10-09

中圖分類(lèi)號(hào)：TN820

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-3114(2016)01-61-4

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.01.16

引用格式：劉勝文，杜彪，伍 洋.雙鏡天線(xiàn)的主副鏡擴(kuò)展研究與設(shè)計(jì)[J].無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù),2016,42(1):61-64.