Ku、Ka頻段龍伯透鏡饋源陣列技術研究

劉 璟 楊仕文 鐘鳴海 王卓

(電子科技大學電子工程學院微波工程系,四川成都611731)

1.引 言

龍伯透鏡具有多波束、寬頻帶等優點,近年來在衛星通信領域受到廣泛關注[1]。用于收發同一顆衛星的龍伯透鏡天線系統的多頻段饋源已成為研究的趨勢和熱點[2]。在龍伯透鏡饋電系統中將單個Ku、Ka饋源并排放置(如圖1所示),其最大波束指向都會產生一定角度的偏移,無法實現收發同一顆衛星(假定衛星處于z軸方向)。

圖1 Ku、Ka饋源偏焦示意圖

為了實現Ku、Ka多頻段饋源最大波束指向一致,在原饋源基礎上進行了改進,輻射口面采用介質桿天線取代尺寸較大的喇叭,減小饋源的陣間距,以利于饋源組陣。采用將Ka饋源放置中間,四周擺放四個Ku饋源組陣的技術來實現Ku、Ka頻段最大波束指向一致并跟蹤同一顆衛星的目的。其中,Ku、Ka饋源均工作于雙頻段并可同時進行收發,具體工作頻率為 Ku下行：12.25～12.75 GHz,Ku上行：14.0～ 14.5 GHz;Ka下行：19.7～ 21.2 GHz,Ka上行：29.5～31.0 GHz。

2.Ku、Ka頻段饋源設計

饋源的設計在透鏡天線系統或拋物面天線中都起到至關重要的作用,這里將文獻[3-4]中的Ku、Ka饋源進行改進,饋源輻射口面采用介質桿天線取代喇叭從而減小饋源的橫向尺寸,減小陣間距,以便于饋源組陣。其中改進后的Ku饋源單元模型如圖2所示,兩個端口分別用于接收和發射,將探針垂直放置可以同時實現收發正交線極化的目的。饋電部分采用標準的同軸探針,收發端口中間的金屬桿對發射端口起到短路臂的作用,通過商用軟件CST仿真得到兩個端口之間的收發隔離度達40 dB以下。設計時為保證Ku接收和發射頻段內圓波導只工作于主模TE11模,其半徑尺寸須滿足

圖2 Ku饋源模型示意圖

介質桿中傳播的主模為HE11模,其具有良好的旋轉軸對稱方向圖以及較低的交叉極化。設計時為避免激勵起其他模式,須適當選擇截面直徑使它們工作在截止狀態,一般只需避免產生非對稱的HE12和EH12模式,需滿足以下條件

式中：r為介質桿半徑;εr為介電常數;λ為自由空間中的波長。通過商用軟件CST仿真得到的 Ku頻段饋源接收和發射中心頻的歸一化方向圖分別如圖3(a)、3(b)所示,其軸向的交叉極化低于40 dB。

高頻Ka饋源模型如圖4所示,它由正交模耦合器、圓極化器、輻射口面三部分組成。通過正交模耦合器將Ka上下行頻段內的信號傳輸到公共波導中,然后通過介質片加脊圓極化器將這兩個頻段的信號分解為左旋和右旋圓極化,最后通過介質桿天線輻射出去。其中,圓極化器、正交模耦合器的設計可以參考文獻[4],介質桿天線的設計按式(2),這里選取介電常數為2.1的聚四氟乙烯作為介質材料。這樣,相比原輻射口面采用傳統的喇叭而言就減小了饋源的橫向尺寸,以利于饋源組陣。雙頻段正交模耦合器的隔離度可以達到50 dB以下。CST仿真得到的Ka饋源的接收、發射中心頻方向圖分別如圖5(a)、5(b)所示,其軸向交叉極化低于30 dB。

3.饋源組陣實現收發同一顆衛星

利用上述設計的Ku、Ka饋源組成陣列作為龍伯透鏡饋源(如圖6所示),其中Ka饋源放置在陣列中間,四周擺放4個相同的Ku饋源,陣間距為20.5 mm。采用等幅同相饋電,組成陣列后的Ku接收和發射中心頻方向圖分別如圖7(a)、7(b)所示。可以看出組陣后的-10 dB主瓣寬度比起單元要變窄50度左右。分析透鏡方法可以按照矢量波函數展開法計算[5]。將饋源口面按十分之一波長離散成一個個小的惠更斯面元,并用等效電流和磁流來代替。將Ka饋源至于z軸正上方,四周擺放4個Ku饋源,將其作為透鏡的饋源,此時Ka、Ku頻段波束最大指向均為θ=180°,達到了收發同一顆衛星的目的。

下面以一個直徑為500 mm,分10層的龍伯透鏡為例進行分析。其分層方法采用傳統的等厚度分層方法,具體半徑及介電常數等參數如表1所示,這里假定介質損耗tanδ=0.001。

表1 龍伯透鏡分層參數

通過矢量波函數展開法計算得到透鏡在Ku、Ka接收、發射中心頻的歸一化增益方向圖如圖8(a)、8(b)所示,最大增益分別為30.4 dBi、29.7dBi、36.3 dBi、39.5 dBi。天線整體效率可以按以下公式計算

式中：R為透鏡半徑;λ為工作波長。通過式 (3)計算得到的Ku上下行、Ka上下行的效率分別為25%、19%、36%、34%。整體效率不高,究其原因主要是傳統的等厚度分層不能達到最佳的效率,此外,介質材料在Ka頻段的損耗以及Ku頻段饋源的組陣導致波束過窄等因素都使得天線效率有所下降。可通過差分進化算法優化透鏡每層的參數(透鏡半徑、介電常數以及饋源焦距等)達到改善龍伯透鏡天線效率的目的[6]。

4.結 論

[3]WANG Zhuo,YANG Feng,NIE Zaiping.Dielectric rod Antenna for C band with changeable beamwidth and excellent radiation characteristics[C]//The 8th International Symposium on Antennas,Propagation,and EM Theory,2008.

[4]TARGONSKI S D.A multiband antenna for satellite communications on the move[J].IEEE Trans.On Antennas and Propagation,2006,54(10)：2862-2868.

[5]SANFORD J R.Scattering by spherically stratified microwave lens antennas[J].IEEE T rans.On Antennas and Propagation,1994,37(1)：690-698.

[6]ZHONG Minghai,YANG Shiwen,NIE Zaiping.Optimization of a luneberg lens antenna using the differential evolution algorithm[C]//Antennas and Propagation Society International Symposium,2008.