，，

(中國電子科技集團(tuán) 第五十四研究所,石家莊 050081)

0 引言

近年來，世界衛(wèi)星技術(shù)飛速發(fā)展，每當(dāng)出現(xiàn)緊急情況，如自然災(zāi)害等使地面通訊中斷，衛(wèi)星移動(dòng)通信[1]總會第一時(shí)間到達(dá)現(xiàn)場，保障通信通道的暢通。而天線技術(shù)作為衛(wèi)星移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的重中之重，更是受到極大的重視，橢圓波束天線[2-4]由于其天線效率較高、副瓣較低且天線剖面較低，便于攜帶和移動(dòng)，受到研究人員的廣泛關(guān)注。目前橢圓波束天線多以賦形雙反射面天線為主，而橢圓波束饋源直接照射反射面的天線由于饋源性能的制約應(yīng)用較少。

設(shè)計(jì)橢圓波束饋源的技術(shù)方案主要有以下3種：1)橢圓波紋喇叭技術(shù)，這種喇叭加工難度大；2)橢圓形或矩形波導(dǎo)內(nèi)介質(zhì)錐加載技術(shù)[5]，這種饋源的介質(zhì)錐不容易安裝固定；3) 矩形喇叭內(nèi)壁開槽技術(shù)[6-7]，這種喇叭帶寬窄，開槽尺寸無規(guī)律，研究設(shè)計(jì)較為復(fù)雜且用途單一。

普通角錐喇叭的波束不等化，而采用超材料技術(shù)[8-10]設(shè)計(jì)超材料片層，將片層貼裝于角錐喇叭內(nèi)壁，可以調(diào)節(jié)邊界的阻抗特性，從而獲得混合平衡[11-[14]模式。

故設(shè)計(jì)一種基于超材料的橢圓波束饋源，工作頻率為10.95～14.5 GHz。通過在角錐喇叭內(nèi)壁加載超材料層，產(chǎn)生極化波束等化較好的橢圓波束，即水平極化和垂直極化的波束接近一致。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的饋源相比，本文基于超材料的橢圓波束饋源，極化波束等化好，且依照此方法設(shè)計(jì)橢圓波束饋源具有橢圓比可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，我們以橢圓比為2:1饋源研究作為設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行說明。

基于這種新型饋源的反射面天線系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，可以應(yīng)用于移動(dòng)載體衛(wèi)星通信中，顯著降低天線系統(tǒng)的高度。

1 橢圓波束饋源設(shè)計(jì)原理

一般角錐喇叭的輻射波束為橢圓波束，但是其兩種極化的波束等化特性較差，交叉極化電平高，不能用作饋源照射反射面天線輻射橢圓波束。文章所研究的基于超材料的橢圓波束饋源是在角錐喇叭內(nèi)壁加載一層超材料層，超材料層的原理是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)超材料單元，使?jié)M足阻抗匹配條件，周期排列構(gòu)建電磁平衡表面，加載到角錐喇叭內(nèi)壁。使得加載超材料層后的角錐喇叭具有類似波紋喇叭的特性，傳輸類平衡混合模式，此時(shí)X極化和Y極化的輻射波束近似一致，且交叉極化電平也會降低。

同時(shí)，其橢圓比調(diào)節(jié)是通過控制喇叭口面長寬比。在大量研究設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明，小張角喇叭更易利用超材料層實(shí)現(xiàn)極化波束等化，故設(shè)計(jì)喇叭過程中需根據(jù)喇叭口面尺寸調(diào)節(jié)喇叭長度,使得喇叭張角盡量小。然后根據(jù)不同口面尺寸對超材料層的貼片尺寸，排列間距、介質(zhì)厚度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對橢圓比為2:1的超材料角錐喇叭饋源進(jìn)行研究，并將其分別作為前饋饋源和后饋饋源照射反射面天線進(jìn)行電性能驗(yàn)證。

2 饋源設(shè)計(jì)

2.1 超材料單元設(shè)計(jì)優(yōu)化

本文設(shè)計(jì)的超材料單元采用類蘑菇型的超材料結(jié)構(gòu)，采用上層周期排布金屬貼片，中層介質(zhì)層加導(dǎo)電通孔，和底層接地的結(jié)構(gòu)。為了構(gòu)造電磁平衡表面，對貼片尺寸進(jìn)行優(yōu)化。首先初步設(shè)計(jì)一個(gè)梯形貼片形狀，貼片單元分為兩個(gè)矩形貼片拼接在一起，矩形貼片的尺寸參數(shù)和中間導(dǎo)電過孔的位置和內(nèi)徑可調(diào)，如圖1顯示了超材料的結(jié)構(gòu)圖和貼片單元的平面圖。

圖1 超材料單元結(jié)構(gòu)圖

超材料單元設(shè)計(jì)需滿足阻抗條件，下式則為阻抗條件：

(1)

(2)

(3)

ZTE和ZTM分別為喇叭內(nèi)壁TE模式和TM模式的表面波阻抗，為真空中波阻抗，α為照射角，ΓTE和ΓTM分別為TE模式和TM模式傳輸?shù)姆瓷湎禂?shù)。此設(shè)計(jì)需要對超材料單元的所有尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，計(jì)算出兩種模式的波阻抗使其滿足式(1)。

根據(jù)本文工作頻率的要求，初步確定超材料單元的尺寸(十分之一工作波長左右)，對貼片單元的初步模型進(jìn)行優(yōu)化仿真，貼片材質(zhì)為銅，介質(zhì)層材料為Rogers RT5870，介電常數(shù)為2.33，初始尺寸定為W1=1.8 mm，W2=1.1 mm，L1=L2=1.5 mm，介質(zhì)層厚度h=2.54 mm，介質(zhì)頂層尺寸為3.1 mm×3.1 mm。在此基礎(chǔ)上對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

文章采用軟件仿真的辦法得到超材料單元的阻抗特性。使用全波電磁仿真軟件，可以得到單元模型對TE和TM極化波的反射系數(shù)。根據(jù)公式(2)和公式(3)，可以計(jì)算出波阻抗和，進(jìn)而求出波阻抗乘積K，并相對真空波阻抗進(jìn)行歸一化，若K值為1則說明實(shí)現(xiàn)阻抗條件，允許K值有一定的偏移，下圖為優(yōu)化貼片尺寸后的阻抗匹配曲線。

在優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)貼片尺寸變化時(shí)有如下規(guī)律：初始尺寸的W1和W2不變，變化L1和L2，發(fā)現(xiàn)L1單獨(dú)增大時(shí)，阻抗匹配曲線低頻處向左平移，谷值下降，高頻處基本不變(低頻和高頻分別指曲線與阻抗乘積為1直線相交處的低頻端和高頻端，谷值指曲線中段頻率處坡度較緩部分的數(shù)值大小)；L2單獨(dú)增大時(shí)，阻抗匹配曲線向左平移，谷值下降，高頻處基本不變。L1,L2保持不變，將W1和W2分別變化時(shí)，發(fā)現(xiàn)W1增加時(shí)，曲線高頻處向左平移，低頻處基本不變，且曲線谷值下降；W2增加時(shí)，曲線整體向左平移，幅度較小，且對谷值影響很小。

綜合以上4個(gè)尺寸對阻抗匹配影響的研究規(guī)律，進(jìn)行針對性的尺寸調(diào)節(jié)，找到一組在工作頻帶內(nèi)阻抗匹配較好的貼片尺寸，此時(shí)超材料金屬貼片的各個(gè)邊的尺寸分別為W1=1.2 mm,W2=1.6 mm,L1=L2=1.45 mm。

圖2 阻抗匹配曲線

由圖2可以看出，在10～16 GHz頻率之間包含工作帶寬，優(yōu)化后波阻抗乘積K的值在1附近，滿足阻抗匹配條件，可以周期排列成超材料層加載到喇叭內(nèi)壁。

2.2 饋源輻射特性研究

利用在角錐喇叭內(nèi)壁加載超材料層的方法設(shè)計(jì)橢圓波束饋源具有橢圓比可調(diào)的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)原則：橢圓比與喇叭長寬比相對應(yīng)，首先根據(jù)照射角要求確定喇叭口面大致尺寸，根據(jù)橢圓比確定長寬比，然后根據(jù)口面大小，調(diào)節(jié)喇叭長度，在小張角情況下較易實(shí)現(xiàn)波束等化，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)表明角錐喇叭內(nèi)壁貼加超材料層后，φ=900面比φ=00面更易實(shí)現(xiàn)波束等化，故主要針對φ=00面波束特性進(jìn)行改善。

設(shè)計(jì)喇叭尺寸為輻射口面30 mm×60 mm，長度為53 mm，饋電口為方波導(dǎo)(用來產(chǎn)生雙極化)，尺寸為19.05 mm×19.05 mm，將優(yōu)化后的超材料貼片單元周期排列，加載到喇叭內(nèi)壁，在超材料層的邊緣部分，保留貼片單元的完整性，避免金屬貼片與喇叭內(nèi)壁重合。

設(shè)定波束等化特性判定標(biāo)準(zhǔn)：首先電場分量沿X方向?yàn)閄極化，電場分量沿Y方向?yàn)閅極化。超材料喇叭在其特征頻點(diǎn)處-10 dB波束寬度特性：分別記錄了各個(gè)特征頻點(diǎn)處，兩種極化(X極化和Y極化)的兩個(gè)平面(φ=00面和φ=900面)的波束寬度，并將同一平面的Y極化的波束寬度與X極化的波束寬度的比值作為波束等化的判斷依據(jù)進(jìn)行畫圖，這一比值越接近于1說明波束等化的特性越好。將同一極化的900面波束寬度與00面波束寬度的比值定為橢圓比，橢圓比在2:1附近即達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。圖3至圖5為截取的3個(gè)特征頻點(diǎn)的不同極化不同平面的方向圖綜合。3個(gè)頻點(diǎn)分別為頻帶內(nèi)的低頻、中頻和高頻，并依據(jù)設(shè)定的波束等化特性判定標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算了頻帶內(nèi)極化波束等化曲線，分別用不同種類的線條進(jìn)行畫圖。

圖3 10.95 GHz方向圖

圖4 12.5 GHz方向圖

圖5 14.5 GHz方向圖

圖6 波束等化曲線

由圖3、圖4和圖5中可以看出饋源在工作頻帶內(nèi)低端頻率、中心頻率、高端頻率的波束等化較好，并且橢圓比在2：1左右，達(dá)到本文設(shè)計(jì)要求，圖6中兩條曲線分別為φ=00面和φ=900面中兩個(gè)極化的-10 dB波束寬度的比值，通過圖6可以直觀看出，在全頻帶內(nèi)，幾個(gè)特征頻點(diǎn)處波束寬度比值均在1附近，上下浮動(dòng)在正負(fù)0.14范圍以內(nèi)，說明超材料角錐喇叭饋源極化波束等化較好，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。并且從圖中也可以看出φ=900面比φ=00面波束等化要好，后期深入研究時(shí)可以針對性的改善φ=00面的波束特性。

觀察圖7，饋源在頻帶內(nèi)的駐波小于1.55，其中Y極化駐波低于X極化，且兩種極化駐波均隨著頻率的增加逐漸減小，頻率在12.25 GHz以后駐波逐漸降低到1.2以下。并且經(jīng)過計(jì)算統(tǒng)計(jì)，在頻帶內(nèi)饋源的交叉極化電平小于-21 dB。

圖7 駐波曲線

綜上所述，利用超材料層加載到角錐喇叭內(nèi)壁的思路是可行的。這種方法設(shè)計(jì)的橢圓波束饋源在工作頻帶10.95 GHz～14.5 GHz內(nèi)可以產(chǎn)生極化等化較好的橢圓波束，并且駐波較低，基本達(dá)到預(yù)期的橢圓比，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。

3 饋源照射反射面電性能應(yīng)用驗(yàn)證

(1)將設(shè)計(jì)的橢圓比為2:1的橢圓波束饋源作為前饋饋源照射反射面。設(shè)計(jì)橢圓形主面的尺寸，綜合饋源各特征頻點(diǎn)的φ=00面和φ=900面的-10 dB波束寬度，取其中間值定為饋源的照射角。取饋源的-10 dB照射角為23度×45度，利用反射面參數(shù)的幾何關(guān)系，設(shè)計(jì)前饋反射面尺寸為長軸1 m，焦徑比為0.6，短軸為0.5 m。將喇叭的方向圖從CST軟件中導(dǎo)入Grasp軟件中進(jìn)行計(jì)算天線的輻射方向圖，并將方向圖中的增益、副瓣、交叉極化等參數(shù)提取出來，計(jì)算天線的效率、副瓣電平、交叉極化電平等電參數(shù)，與現(xiàn)有的橢圓波束天線的性能進(jìn)行對比，驗(yàn)證饋源設(shè)計(jì)的性能和應(yīng)用前景。

圖8 前饋天線效率

圖9 前饋天線交叉極化電平

可以看出天線效率在65%到75%之間，在頻帶內(nèi)，天線效率在低頻處相對較低，隨著頻率升高逐漸增大，且X極化天線效率稍高于Y極化。交叉極化電平低于-30 dB，在整個(gè)頻帶內(nèi)交叉極化電平先下降后升高。在低頻處Y極化交叉極化電平相對較低，在高頻處相對較高，天線的第一副瓣電平低于-18 dB。

2)將橢圓波束饋源作為后饋饋源照射反射面。設(shè)計(jì)一種標(biāo)準(zhǔn)卡塞格倫天線，照射角保持不變?yōu)?3度×45度，根據(jù)卡塞格倫天線的幾何參數(shù)的關(guān)系，計(jì)算得天線主面尺寸為10 m×5 m，副面尺寸1 m×0.5 m，長軸焦徑比為0.33，離心率3.4，圖10和圖11為仿真去除副面遮擋后的天線的效率和交叉極化電平曲線。

圖10 后饋天線效率

圖11 后饋天線交叉極化電平

由圖10和圖11可以看出，后饋標(biāo)準(zhǔn)卡塞格倫天線的天線效率在61%到72%之間，在極化方面看，X極化時(shí)效率比Y極化時(shí)效率要高，表明極化波束不是完全等化，存在微小誤差，與饋源仿真結(jié)果可以對應(yīng)。在整個(gè)頻帶看，在低頻處稍差，在頻率11.5 GHz以上天線效率均超過65%。在頻帶內(nèi)交叉極化電平低于-30 dB，在低頻處，Y極化交叉極化電平相對要低，高頻處相對較高，第一副瓣電平低于-17 dB。后饋標(biāo)準(zhǔn)卡塞格倫天線的電性能指標(biāo)由于副面遮擋和副面漏失等原因相對于前饋反射面天線有些許降低。

以2011年中國電子科技集團(tuán)第五十四研究所劉興隆等人設(shè)計(jì)的賦形雙偏置橢圓波束天線為例，軸比為2:1，天線主反射面尺為550 mm*1 100 mm，在天線發(fā)射和接收的中心頻率天線效率分別達(dá)到63%和66.29%。將本文設(shè)計(jì)的橢圓比2:1的前饋天線與之相比，效率要優(yōu)，后饋天線效率與之相比，在低頻處稍低，在高頻處要高。但利用基于超材料的橢圓波束饋源照射反射面天線，結(jié)構(gòu)簡單，同時(shí)副瓣電平和交叉極化電平也相對較低，具有一定的技術(shù)優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種基于超材料的橢圓波束饋源，利用滿足阻抗匹配條件的超材料層，加載到喇叭內(nèi)壁調(diào)節(jié)電磁波的輻射特性，相對于傳統(tǒng)橢圓波束饋源設(shè)計(jì)方法，具有帶寬大、加工簡單的優(yōu)點(diǎn)。對饋源電性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證：饋源在工作頻帶內(nèi)，極化波束等化良好，同平面兩種極化的波束寬度比在0.9～1.14之間，駐波在1.55以下。照射反射面，前饋時(shí)天線效率在65%～75%之間，交叉極化電平低于-30 dB；后饋照射反射面時(shí)，天線效率在61%～72%之間，交叉極化電平低于-30 dB。饋源性能和天線性能較好，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性，具有較好的應(yīng)用前景。

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