雙鏡天線的主副鏡擴展研究與設計

劉勝文，杜　彪，2，伍 洋，2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；

2.射電天文技術聯合實驗室，河北 石家莊 050081)

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雙鏡天線的主副鏡擴展研究與設計

劉勝文1，杜彪1，2，伍 洋1，2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；

2.射電天文技術聯合實驗室，河北 石家莊 050081)

摘要：為了解決現有設計方法在設計天線副鏡為中小電尺寸時，天線性能難以達到預期的問題，并進一步提高天線G/T值的目標，研究了反射鏡感應電流在副鏡、主鏡邊緣截斷對天線輻射性能的影響，分別提出了副鏡邊緣擴展和主鏡邊緣擴展2種設計方法，并對2種方法設計的天線進行仿真計算。計算結果顯示，2種設計方法有效地改善反射鏡邊緣電流的連續性，其中副鏡擴展設計可用于提高天線的增益，主鏡擴展設計可用于提高天線G/T值。

關鍵詞：雙鏡天線；反射鏡擴展；天線效率；G/T值

0引言

雙鏡天線作為高增益天線，在衛星通信、射電天文、雷達和無線電監測等眾多領域獲得了廣泛的應用。目前，雙鏡天線的設計主要基于射線尋跡，其主鏡和副鏡一般設計為光路完全對應的，即由饋源發出的射線，經副鏡反射后，均被主鏡截獲，再經主鏡反射后沿天線軸向射出，該方法設計出的天線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斷造成的影響，因此當反射鏡(主要是副鏡)電尺寸較小時，難以達到最優的性能。

本文分析了反射鏡邊緣電流被截斷對天線輻射性能造成的影響，據此分別提出了擴展副鏡和主鏡以提高天線性能的設計方法，仿真結果表明，新的設計方法提高了天線輻射的性能，達到了預期效果。

1副鏡散射場的研究

反射面天線的設計主要基于射線尋跡，其假設入射波照射到的反射面電流與入射波強度成正比，而入射波照射不到的地方電流為零[2]。對于副鏡邊緣，存在電流截斷效應，尤其是副鏡電尺寸較小時，邊緣繞射和電流截斷效應更為明顯，故導致原有的設計無法實現天線的最優性能。以標準卡式天線副鏡為例，針對現有設計方法和本文提出的副鏡擴展設計方法，分別計算了副鏡散射方向圖和天線效率[3](包含口面錐銷效率、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個波長，照射電平取-12 dB。2種設計方法的天線效率如表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，影響了整個天線的輻射性能[4，5]；采用了本文提出的副鏡擴展設計方法與原有方法相比，天線效率有明顯提高，且隨著副鏡電尺寸縮小，天線效率提高更為顯著。

圖1　卡式天線副鏡散射方向圖隨頻率的變化

副鏡電尺寸(λ)天線總效率/(%)擴展前擴展后效率提升/(%)661.4572.4310.981069.7377.858.122072.8879.066.18

下面將針對主、副鏡擴展的設計方法和擴展后的實際效果進行研究，給出主、副鏡擴展的設計方法，并通過計算驗證其有效性。

2副鏡擴展研究與設計

2.1　副鏡擴展的概念

雙反射鏡天線設計時，副鏡直徑大于最大工作波長的20倍，才能把副鏡繞射影響忽略，但是在工程應用很難做到[6]。當副鏡直徑波長比小于20時，副鏡就會產生繞射現象，造成了天線性能難以達到預期。針對這種情況，本文提出了副鏡擴展設計，如圖2所示，該設計縮小了副鏡與主鏡對應的區域，增加了一個與主鏡不對應的區域，保證了副鏡邊緣電流的連續性，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　副鏡擴展示意圖

2.2　副鏡擴展的設計方法

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

② 根據天線最低工作頻率，確定副鏡擴展的環形區域的寬度0.5 d，令：

d=k×λ0,

λ0為雙鏡天線最低工作頻率對應的波長，k為實數。

③ 由副鏡直徑Ds和副鏡擴展的環形區域寬度0.5 d，得到副鏡與主鏡對應區域的直徑Dsc，即：

Dsc=Ds-d;

④ 由天線的照射角θm、主鏡焦徑比F/D、副鏡與主鏡對應區域的尺寸Dsc，按照幾何關系，得到副鏡與主鏡對應區域的母線。對于賦形天線，可以對主鏡母線和與主鏡對應區域的副鏡母線進行賦形。

⑤ 將副鏡與主鏡對應區域的母線沿垂直于旋轉對稱軸方向延伸0.5 d，得到副鏡擴展區域的母線，進而得到擴展后的副鏡母線。

2.3　設計實例與計算結果

根據2.2節中給出的副鏡擴展方法，對標準卡式天線進行副鏡擴展，天線主鏡直徑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]軟件進行仿真，分別計算不同頻率時天線效率(包含口面錐銷效率、漏失效率和遮擋效率)如圖3所示。

由圖3可以看到，天線效率隨著副鏡擴展逐漸增高；但到達一定值以后呈下降趨勢這是因為隨著副鏡的擴展，與主鏡對應區域物理尺寸過小造成的。當d=2.3λ0時，副鏡擴展對天線效率的提高效果最好，尤其是在電尺寸較小的天線效率提升明顯。

計算的副鏡截獲效率和天線效率如表2所示。由表2可知，天線副鏡擴展后改善了邊緣電流的連續性，增加了副鏡的截獲效率和天線效率。因此，副鏡邊緣擴展設計可以提高雙反射面天線的增益。

圖3　副鏡擴展后天線效率

頻率/GHz副鏡尺寸(λ)截獲效率/(%)天線效率/(%)擴展前擴展后擴展前擴展后11091.0196.6972.1880.3222093.0498.0575.6981.922.52593.2898.1876.4981.4144093.5398.3377.7080.72

3主鏡擴展研究與設計

3.1　主鏡擴展的概念

在分米波和厘米波段，地面黑體是天線噪聲溫度最主要的貢獻源[8]，主反射鏡邊緣的漏失和繞射提高了天線的遠旁瓣，增加了天線吸收的地面輻射噪聲[9,10]。針對這種情況，本文提出了主鏡擴展設計，如圖4所示，該設計縮小了主鏡與副鏡對應的區域，增加了一個與副鏡不對應的區域，保證了主鏡邊緣電流連續，提高主鏡的截獲效率，減少主鏡邊緣漏失，以降低天線噪聲溫度。

圖4　主鏡擴展示意圖

3.2　主鏡擴展的設計方法

雙鏡天線的主鏡擴展方法與副鏡擴展方法大致相同，步驟如下：

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

②根據雙鏡天線的最低工作頻率，確定主鏡與副鏡不對應的環形區域的寬度0.5d，令：

d=k×λ0，

式中，λ0為天線最低工作頻率對應的波長，k為實數；

③由主鏡直徑D和主鏡擴展的環形區域寬度0.5d，得到主鏡與副鏡對應區域的直徑Dc,即：

Dc=D-d；

④由天線的照射角θm、主鏡焦徑比F/D、主鏡與副鏡對應區域的直徑Dc，按照幾何關系，得到主鏡與副鏡對應區域的母線，對于賦形天線，可以對副鏡母線和與副鏡對應區域的主鏡母線進行賦形；

⑤保持饋源與副鏡不變，將與副鏡對應區域的主鏡母線沿垂直于旋轉對稱軸方向延伸0.5d，得到主鏡擴展區域的母線，進而得到擴展后主鏡母線。

3.3　設計實例與計算結果

根據3.2節中給出的主鏡擴展方法，對標準卡氏天線進行主鏡擴展，天線主鏡直徑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軟件分別計算不同頻率時天線效率(包含口面錐銷效率、漏失效率和遮擋效率)如圖5所示。

圖5　主鏡擴展后天線效率

由圖5可知雖然主鏡擴展犧牲了一定的口徑面積，但是由于主鏡截獲效率的上升，天線效率下降并不明顯。當d=2.4λ0時，各個頻點天線效率均處于波峰，天線效率略有下降，同時又計算了天線噪聲溫度與G/T值。假設接收機噪聲溫度為15 K，天線在各個頻點上計算的G/T值如圖6所示。

圖6　主鏡擴展前、后天線的G/T值

由圖6可知，主鏡擴展后減少了主鏡邊緣的能量泄露，降低了天線的噪聲溫度，進而提高了天線的G/T值。

4結束語

以保證反射面邊緣電流連續為出發點，分別對副鏡和主鏡擴展進行了研究，提出的設計方法簡單易行，適用于各型雙鏡天線。仿真結果表明，副鏡擴展設計可以提高天線增益，有效改善天線低頻時的性能，尤其適合中小電尺寸副鏡的雙鏡天線；而主鏡擴展設計在略微損失增益情況下降低了噪聲溫度，提高了天線G/T值。雖然只針對對稱型天線進行研究，但是研究結論同樣適用于偏置天線，并且在雙偏置天線設計時，可以根據需要，靈活選擇主、副鏡擴展，以減小地面收到的饋源漏失能量,降低天線地面噪聲溫度[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

作者簡介：劉勝文(1988—)，男，在讀研究生，主要研究方向：電磁場與微波技術。杜彪(1962—)，男，博士，研究員，中國電子科技集團公司第五十四研究所首席專家、所副總工程師，主要研究方向：射電望遠鏡天線、衛星通信地球站天線、微波天線、饋源系統和陣列天線等。

基金項目：國家重點基礎研究發展規劃項目(973計劃) (2013CB837902);國家自然科學基金國際合作與交流項目(11261140641);國家國際科技合作專項資助項目(2012DFB00120)；國家高技術研究發展計劃(863計劃)(SS2014AA122001)

收稿日期：2015-10-09

中圖分類號：TN820

文獻標識碼：A

文章編號：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.雙鏡天線的主副鏡擴展研究與設計[J].無線電通信技術,2016,42(1):61-64.