微波通信技術與拋物面天線設計

陳福康

摘 ?要：隨著科學技術的不斷革新，微波通信枝術與天線已經開始以更加多元化的形式出現在人們的生活中，并受到不同領域的重視。在本文中作者主要闡述了微波通信技術發展與應用，拋物面天線的結構和原理，同時仿真設計了一種工作于K波段的低副瓣拋物反射面天線，旨在通過此次設計所得出的結果，為類似的大口徑反射面天線的設計提供有價值的參考。

關鍵詞：微波通信;技術;拋物面天線;設計

引言：

微波通信是指利用波長為1米-0.1毫米（頻率為0.3-3G Hz）的無線電波進行的通信。包括微波視距接力通信、衛星通信、散射通信、一點多址通信、毫米波通信及波導通信等。它是現代通信網的主要傳輸方式之一，也是空間通信的主要方式，在軍事戰略通信和戰術中占有顯著的地位。

我國微波通信廣泛應用L，S，C，X諸頻段，K頻段的應用尚在不斷的深入開發之中。由于微波的頻率極高，波長又很短，其在空中的傳播特性與光波相近，也就是直線前進，遇到阻擋就被反射或被阻斷，因此微波通信的主要方式是視距通信，超過視距以后需要中繼轉發。長距離微波通信干線可以經過幾十次中繼而傳至數千公里仍可保持很高的通信質量。微波站的設備包括天線、收發信機、調制器、多路復用設備以及電源設備、自動控制設備等。為了把電波聚集起來成為波束，送至遠方，一般都采用拋物面天線，其聚焦作用可大大增加傳送距離。

一、φ1.3m拋物面天線有限元模型

整個天線系統是一個比較復雜的裝配體，包含的零件非常多，零部件之間的裝配方式也是多種形式，考慮到有限元模型復雜程度及運算，在建模時對整體結構進行了適當簡化。這里簡要介紹結構強度關系比較緊密的部分：口徑為小1.3m的天線，反射面與中心盤、反射面和圍子、圍子與罩板均通過鉚釘連接;中心盤和掛架通過螺栓連接，且掛架又通過螺栓緊固在抱柱上。

天線罩板、圍子、拋物反射面均為薄壁結構，厚度比其它尺寸小得多，因此在ANSYS中選用SHELL63號單元。中心盤、彎板和掛架選用solid45號單元構造三維實體結構。

二、時延抖動原因分析

拋物面天線接收鏈路饋線段指的是從天線中心體內的場放輸出端到發射機房信道機柜輸入端，整個饋線段包含有方位關節、俯仰關節和各段連接線纜。為了保障天線轉動跟蹤目標時，信號能夠不中斷連續傳輸，因此引入了旋轉關節和線纜卷繞裝置。

在同軸傳輸線中引入的耦合間隙對主傳輸線的影響可以用傳輸線理論進行分析。由于主傳輸線的電流被間隙隔斷，將在間隙上受高頻能量激勵，當間隙比波長小很多時，在間隙輸入端相當于串聯一個阻抗。從主傳輸線隔斷點向耦合間隙看去的輸入阻抗等于主同軸線的特性阻抗加上耦合間隙的串聯阻抗。如果串聯阻抗等于零，則從主傳輸線隔斷點向耦合間隙看去的輸入阻抗就等于主同軸線的特性阻抗，此時相當于一個普通的同軸傳輸線。因此要使扼流槽引入的反射最小，耦合間隙應盡量小，以使串聯阻抗盡量小。但同時也必須考慮功率容量的問題，耦合間隙的尺寸必須在反射最小和最大功率容量間進行折衷選取。這樣就能保證在關節在旋轉時，而電信號穩定連續傳播。

耦合式旋轉關節在轉動時其時延特性很不穩定，饋線上任何微小的震動也會引起天線時延的跳動，而在天線轉動時微小的震動是不可避免的，因此既要保證旋轉關節轉動時的時延穩定特性，又要控制饋線因受力不均勻造成的抖動。

三、切割拋物面天線方案

（一）切割拋物面天線陣結構

采用側而切割拋物天線可以減小相鄰天線的間距。由于切割的而積占整個天線而積的比值較小，因此對天線整體增益的影響較小，在仿真中，仍可采用未切割時的單個天線方向圖進行方向圖合成，而只是在訓一算陣因子方向圖中減小了天線間距。

為了進一步減小天線的高度，也可以同時將天線的上下部分進行切害。

（二）天線陣分析

假設天線單元為4天線，當切割距離即天線間距減小2cm時，此時采用等幅饋電（即1：1：1：1饋電）時天線兩旁瓣的電平分別為一15.56 dB和一12.98 dB;采用不等幅饋電（文中采用0.8：1：1：0.8）時天線兩旁瓣的電平分別為一15.35 dB和一15.83 dB。顯然該方法可以顯著降低天線的最高旁瓣。因此，當以降低最高旁瓣為優化口標時，所需采用的最佳幅度加權應使合成后的天線方向圖中的兩個最高旁瓣電平相同。

總之，在能夠保證拋物而天線方向性的前提下，盡量減小天線間距并結合不等幅饋電能夠顯著降低天線陣的PSLL。

四、天線時延抖動解決策略

針對以上問題，對拋物面天線整個接收信號流程進行了梳理，并采取了相應的糾正措施：

①在原來耦合式旋轉關節動環與定環間屏蔽了原有耦合探針式信號傳輸路徑，而是采用機械柔軟穩相電纜直接連接非接觸式耦合關節動環與定環。選用寬溫機械柔軟穩相電纜，由電纜組件制作專業廠家制成具有金屬防護外套和N型連接器的電纜組件，每個電纜組件代替一路關節。電纜組件兩端的N型連接器與非接觸式耦合關節動環電纜連接器連接并用熱塑管封裝，電纜組件與伺服控制電纜捆綁在一起與其聯動，構成射頻信號傳輸通道。

②改進了耦合式關節動環與定環間連接線纜隨卷繞裝置轉動方式，從而達到當天線轉動時穩相電纜依附著卷繞鋼纜轉動，避免了轉動力直接作用到穩相電纜，從而導致的時延抖動。

③對天線中所有信號傳輸電纜采用穩定可靠的固定綁扎，從而避免天線轉動時，因線纜無規律晃動引起的不規則受力從而導致的時延抖動。

④天線中設備連線盡量使用長線纜，減少轉接頭的使用。轉接頭需要有鎖定裝置，防止因天線轉動導致接頭松動時引起的時延抖動。

結語：

拋物面天線主要用作點對點通信，其作用是把高頻電流轉換為電磁波并投射到拋物面上，在拋物面上形成平面波，從而實現信號的遠距離傳輸，這使得拋物面天線具有銳波束、高增益的性能，可以把拋物面天線想象成一個手電筒反射器，其向一個特定的方向匯聚無線電波，或從一個特定的方向接收無線電波，從而實現收發功能。由于拋物面天線結構簡單，高頻段、高增益、低成本拋物面天線將會成為接力通信的主要研究方向之一。

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