衛星環焦天線波紋饋源筒的設計與仿真

蔣志遙

（電信科學技術第一研究所，上海 200032）

衛星環焦天線波紋饋源筒的設計與仿真

蔣志遙

（電信科學技術第一研究所，上海 200032）

本文針對Ku波段小型環焦動中通天線目前的主流設計，分析了饋源筒附近反射對天線性能的影響，并設計了一種具有波紋結構的饋源筒，可以減少此類電磁波并提高天線整體增益。通過仿真軟件模擬，驗證了該設計具備提高天線增益的能力。

VSAT動中通；環焦天線；HFSS軟件仿真；饋源設計

1 引言

環焦天線在國外通常稱為拋物線焦軸偏移軸對稱雙鏡天線，它在衛星通信地球站天線中有獨特的地位。特別是在中小型衛星通信地球站天線中，用這種天線可以克服作為初級饋源的波紋喇叭所引起的遮擋大于副鏡所造成的次級遮擋的缺點，從而開辟了中小口徑天線低旁瓣化和高極化鑒別率的新途徑。

環焦天線常用于小型VSAT地面站和動中通天線中，在天線面較小的情況下，相對于前饋以及其他雙反射面天線，環焦天線具有以下優勢：較低的旁瓣功率，較小的駐波比，較高的增益和G/T。

小型Ku波段環焦天線經常采用帽形饋源。帽形饋源天線概念首先在1986年由挪威人Per-Simon Kildal提出，帽形輻射體最初的模型是由濺散板天線演化而來的[1]。帽形饋源反射板較小，輻射方向圖波束很寬，適用于小焦徑比的反射面天線，使得結構緊湊。此外，這種天線饋電波導和副反射面直接由介質相連，可以自支撐副反射面，消除支桿遮擋，降低近軸旁瓣，提高天線效率[2]。

目前，我國VSAT通信和小型動中通天線屬于較新興的領域，此方面研究較少，中國電科54所的孫立杰等人設計了一種適用于小口徑環焦天線的帽型饋源，給出了該設計的仿真結果[3]。本設計借鑒了該文的設計，并在其基礎上加以改良，對于波紋的參數通過遺傳算法而不是理論分析加以優化，獲得了更好的仿真結果。

環焦天線分為兩類：一類是副反射面母線為橢圓形的，另一類是副反射面母線是雙曲面形的。我們選用了具有廣闊應用前景的副反射面母線為橢圓形的環焦天線反射面天線，如圖1所示。

圖1中，源為饋源喇叭的相位中心，是橢圓的一個焦點，它位于環焦天線的對稱軸AA上；BP是主鏡拋物線的母線；O＇是該線的焦點，又是橢圓的另一個焦點；K1是饋源喇叭的口面中心；D是環焦天線的口面直徑；O＂是以AA為軸、與拋物線BP對稱的另一拋物線B＇P＇的焦點；T是副反射面的頂點（在AA軸上）；DS是副面的直徑；θV是拋物線BP上任一點與O＇的連線與BO＇的夾角；θvm是與PO＇與BO＇的夾角、是θV的最大值；θ是副面母線上任一點與饋源喇叭相位中心O的連線AA軸的夾角；θ＇m是副面母線邊緣M與O的連線與AA軸的饋源喇叭波紋槽的內半徑ah[4]。

圖1 副反射面母線為橢圓形的環焦天線結構

2 目前饋源筒存在的問題

一般的饋源筒外壁會傳導干擾性的反射電磁波，方向與主波束相近。我國衛星天線入網標準中的旁瓣性能要求主要針對主波束20度內的性能，饋源筒（如圖2所示）反射干擾對其影響不能忽略。在同樣的口徑下，影響環焦天線性能的因素以及其和近饋源筒反射電磁波的影響如下：

（1）副反射面遮擋。自天線面的反射波在副反射面投影之下的部分，都會受到副反射面的遮擋，從而不能匯入主波束。這部分被遮擋的能量將以旁瓣的形式發散出去，導致天線旁瓣升高，主波束變寬。

近饋源筒反射波基本沿饋源筒外側傳播，反射角小，最終會被副反射面遮擋，造成以上后果。

（2）饋源照射效率。饋源能量被主天線面接收到的效率，照射到天線面外的輻射能量不能被利用。

（3）主反射面功率分布不均。主反射面功率分布過于集中，而一些部分的功率過低，其效果相當于一部分主反射面沒有得到利用，間接減小了天線的口徑。

近饋源筒反射如果功率很大，就會導致功率集中于天線面中央，加劇了主反射面功率分布的不均。

（4）駐波。一般的天線都要求較低的駐波比。駐波比為1時表示能量全部被天線輻射出去，而無窮大則為全部反射回饋源。駐波比直接地顯示了天線的品質，而較差的駐波比性能不僅降低了輻射功率，而且會造成干擾。

近饋源筒反射的一部分功率會反射返回饋源，會造成駐波比增大。

（5）主副反射面的精度。可見，其中（1），（3），（4）都與近饋源筒反射相關，所以減少近饋源筒輻射理論上可以提高天線的性能。

圖2 一般衛星環焦天線饋源筒（以及副反射面）

由圖2中的普通饋源筒仿真得其功率分布如圖3，圖3中，X軸為副反射面的反射波和饋源之間反射角度，Y軸為輻射場強。黑線之間的部分為±10度之間，這部分電磁波靠近饋源筒，可見這部分場強較強，功率較集中。這部分電磁波處于副反射面陰影之下，不能被天線面利用，還會對反射后的功率主瓣產生干擾。

圖3 普通饋源筒近場（至天線面）場強分布圖，

3 波紋結構饋源筒的設計與仿真

在本設計中，模擬的應用為Ku波段交叉極化雙向通信。Ku頻段為12GHz-18GHz。在仿真和測試中，采用14GHz作為模擬頻率，為實際衛星通信應用中發射頻率的最低值（14GHz-14.5GHz）。由微波的頻段特性可知，頻率越高，指向和增益都呈會顯著提高故，本實驗中模擬的是實際應用中最糟糕的情況，理論結果應好于本次實驗的仿真結果。

針對傳統環焦天線饋源筒反射產生回波的問題，我們為饋源筒加入數個波紋狀吸波結構，可以從理論上減少副反射面陰影下反射的電磁波。通過遺傳算法，我們對波紋的寬度、厚度和兩個波紋之間的厚度差三個變量進行優化。優化的參考值為駐波比和幾個反射角的功率譜，分別取適當的權重。由于VSAT天線的規定中對于VSWR要求較高，設置VSWR必須小于1.3。通過仿真得到結果進行修正設計的波紋饋源筒如圖4。

圖4 波紋饋源筒波紋設計

圖5 波紋結構饋源筒的局部電場仿真與普通饋源筒對比圖

圖5中藍線為波紋饋源筒饋源筒近場（至天線面）場強分布圖，紅線為圖3中普通饋源筒近場（至天線面）場強分布圖。X軸為副反射面的反射波和饋源筒之間角度，Y軸為輻射場強。黑線之間的部分為±10度之間。可見與普通饋源筒相比，波紋結構饋源筒在黑線之間，也就是副反射面遮蓋的部分場強較小，而在10度以上的角度場強較高，這一部分天線面沒有遮擋，可以最大地利用其功率。

但是，只有饋源筒的電場仿真還不能說明天線的性能得到了改善，因為雖然到達天線有效面積（角度為10～90度）的電磁波能量提高了，仍需要證明有多少電磁波可通過反射面成為主波束。因此，我們通過一個小型天線面進行天線的仿真驗證。

4 天線的仿真驗證

我們使用波紋結構饋源筒和傳統的饋源筒在同一個天線面下進行仿真測試，其副反射面和其他部分都相同。該天線面為一環焦拋物面，如圖6所示。

圖6 采用的環焦天線面，設其為PerfectE表面

圖7 波紋饋源筒和普通饋源筒在仿真軟件中測試的結果

表1 有波紋和無波紋的饋源比較

表1是有波紋和無波紋的饋源比較，圖7為波紋饋源筒和普通饋源筒在仿真軟件中測試的結果。直觀可見在0度時，波紋饋源筒的發射增益高于普通饋源筒；而在±2.5度內，波紋饋源筒隨著偏離中心衰減更快，所以主波束更窄，對臨星干擾更小。

但是結果也顯示雖然波紋饋源筒可使主波束更窄、增益更高，但是在偏離軸向7.5度左右的位置產生的第二旁瓣略高于普通饋源筒，可能對臨星干擾性能造成影響，在將來的研究中將尋求進一步的改進。

5 結束語

由以上實驗結果可以得出以下結論：

（1）饋源筒外側的波紋可以改變副反射面反射波在天線面上的分布，場強分布角度顯著增大，而靠近饋源柱附近的反射波減弱。仿真實驗結果和理論分析一致。

（2）根據天線理論認為，減小饋源柱附近的反射波可以減少遮擋的無用反射，并將部分能量分布于反射角較大的天線面區域，使得能量在反射面的分布更均勻，可以提高主反射面的利用率，從而提高天線的增益。實驗結果表明，饋源筒外側的波紋結構可以提高小型環焦天線的增益，饋源筒外側的波紋結構可以使主波束更窄。

（3）采用波紋饋源筒的天線第二旁瓣增高，不利于天線的臨星干擾性能。在天線設計中，主瓣性能和旁瓣性能往往是相互矛盾的變量：當降低旁瓣時，能量被擠向主瓣，導致主瓣變寬。在未來的研究中，可能需要將主反射面和饋源作為一個整體進行優化解決，這將大大增加仿真的工作量。

（4）采用波紋饋源筒的饋源可用于提高船載動中通等小型天線的增益，在同等增益性能的情況下減小口徑，縮小體積。■

[1] P.-S. Kildal,--The hat feed: A dual-mode rear-radiating waveguide antenna having low cross polarization,‖ IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 35, no. 9, pp. 1010-1016, Sep. 1987.

[2] 孫立杰，張文靜，杜彪，董忠文．一種Ku波段帽型組合饋源設計分析．天線與伺服技術

[3] 付光宇，寇松江，開敏．一款Ku頻段帽形饋源饋電環焦天線的設計

[4] 伍捍東，王英英，李科娟，王立志，潘云飛．Ku波段靜中通環焦反射面天線的設計

[5] 林昌錄．天線工程手冊．北京：電子工業出版社，2002.pp.608-610

首屆中以科技創新投資大會在北京舉行

2016年1月6日，由以色列經濟部、中國科技部、以色列駐華使館、英飛尼迪集團共同發起的首屆中以科技創新投資大會在北京召開。以色列國家基建、能源及水資源部長Yuval Steinitz、中國科技部副部長陰和俊、以色列駐華大使Matan Vilani（馬騰）等出席了本次大會并致辭。

這場旨在促進中以科技、創新、投資領域的企業合作對接的大會共吸引了來自以色列的優秀企業和中國投資機構的決策者與思想領袖等共計2,000余人。據悉，參與本次大會的以色列企業共計130余家，參會中國企業共計1,000余家，涉及智慧城市、醫療器械、農業科技、清潔技術、互聯網、移動通信等領域。眾所周知，以色列以其人才資本、顛覆性技術、世界級企業而聞名全球市場。基于以色列市場的高度創新，已吸引了英特爾、阿里巴巴、谷歌、中國化工集團公司等眾多跨國企業進行深度投資。近年來，中國對以色列的投資迅速增長，各市場領域的并購活動迅猛增加，此次大會引領中以雙方投資與合作進入了新的局面。

在開幕式的現場，以色列國家基建、能源及水資源部長Yuval Steinitz熱忱地表達了對中國投資方的歡迎。中國科技部副部長陰和俊表達了對以色列這個國家創新創業精神的高度認可并提出了進一步加強中以創新合作的相關建議。以色列駐華大使Matan Vilani（馬騰）也表示此次大會對于中以雙方企業而言都是非常難得的機會。以色列經濟部外國投資及工業應用部主管Ziva Eger對于中國作為世界第二大經濟體的實力與前景非常認同，并稱要更深層次地與中國建立合作。

值得一提的是，以色列國家基建、能源以及水資源部長Yuval Steinitz還分別與中國科技部副部長陰和俊、國家能源局副局長張玉清進行會面，就加強中以雙方在科技與能源方面的合作，建構雙方的經濟紐帶進行了深入交流。

Design and Simulation for the Ring Focus Antenna with Corrugated Feed Tube

Jiang Zhiyao
(The First Research Institute of Telecommunications Technology, Shanghai, 200032)

According to current popular design of small ring focus satellite communication in ku band, we analyzed reflection influence on antenna’s performance near the feed tube, and designed a corrugated feed tube, which can reduce the return influence meanwhile increasing overall antenna gain. The design effect, which can increase antenna gain, has been proved through software simulation.

VSAT Satellite communication; Ring focus antenna; HFSS software simulation; Feed design.

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.01.003

TN828.5

A

1672-7274（2016）01-0013-04