一種雙頻段偏焦反射面天線設(shè)計(jì)

金秀梅 李運(yùn)志 侯艷茹 胡衛(wèi)東

0 引言

自2017 年4 月中星16 號(hào)衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，我國擁有了首顆高通量通信衛(wèi)星，開啟了我國自主通信衛(wèi)星的寬帶應(yīng)用，標(biāo)志著未來通信衛(wèi)星可以隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)寬帶上網(wǎng)。

基于中星16 號(hào)衛(wèi)星的應(yīng)用需求，本文設(shè)計(jì)了一種雙頻偏焦反射面天線，應(yīng)用于Ka頻段。介紹了雙頻偏焦反射面天線組成和設(shè)計(jì)過程，即首先選擇合適的饋源和與饋源匹配的寬帶圓極化器，找準(zhǔn)饋源相位中心；其次確定反射面的焦徑比，反射面口徑等參數(shù)，設(shè)計(jì)反射面；再次將饋源按照相位中心和反射面焦點(diǎn)重合，進(jìn)行整體模型的三維電磁仿真；最后是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[1-2]。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 反射面天線參數(shù)設(shè)計(jì)

反射面采用單偏置反射面，饋源采用豎波紋喇叭。單偏置反射面由于避免了饋源遮擋，有效口徑面積效率高、低旁瓣等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)衛(wèi)星通信領(lǐng)域。

如圖1 所示，母拋物面的頂點(diǎn)為O，焦距為F，即母拋物面是以O(shè) 為焦點(diǎn)，F(xiàn) 為焦距，z 軸為對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱拋物面，單偏置拋物面就是在母拋物面上用以O(shè) 為頂點(diǎn)的圓錐面截取的一部分[2]。

圖1 常見偏置反射面天線的幾何關(guān)系

圖1 中，F(xiàn) 為拋物面的焦距，D 為單偏置拋物面天線的口徑。H 為單偏置拋物面的下邊緣的偏置高度。

圖中θ1為拋物線的上邊緣和下邊緣夾角的平分線與坐標(biāo)軸z 的夾角，θ2為拋物線的半張角，θ0為饋源的相位中心到反射面中心連線與坐標(biāo)軸z 的夾角，他們與D 和H 的相對(duì)關(guān)系如下[2]：

偏置高度H 的選擇原則是以饋源對(duì)反射面下邊緣的反射線不遮擋為出發(fā)點(diǎn)，H 要盡可能地取小一些。本文中取H=0，D=750 mm，F(xiàn)=614 mm。

經(jīng)計(jì)算可得饋源軸指向反射面的中心與Z 軸夾角θ0=33.96°。

1.2 饋源喇叭設(shè)計(jì)

饋源是反射面天線分析中的關(guān)鍵部分，饋源的輻射特性直接影響反射面天線的性能。

圖2 饋源模型

本文喇叭選取-12dB 照射角，半張角為36°，與同頻段徑向槽波紋喇叭相比，軸向槽波紋喇叭具有結(jié)構(gòu)緊湊、口面直徑較小，也容易實(shí)現(xiàn)雙頻共用的特點(diǎn)故選擇軸向槽形式的波紋圓錐喇叭，也即豎波紋喇叭作為饋源。

設(shè)計(jì)的饋源在±36°范圍內(nèi)，需要交叉極化良好，配上寬帶移相器后可以實(shí)現(xiàn)很寬的軸比帶寬。

1.3 反射面設(shè)計(jì)

按照1.1 節(jié)的理論計(jì)算，在主面上截取口徑為D 的反射面，饋源通過支架安裝在反射面上，反射面通過枝桿支撐，反射面設(shè)計(jì)相應(yīng)的俯仰機(jī)構(gòu)，方便用戶使用時(shí)對(duì)星。

饋源后端外接寬帶圓極化器便可完成圓極化功能，寬帶圓極化器可選隔板移相器或膜片移相器。

2 實(shí)物加工與測試

為檢驗(yàn)天線的最終電性能指標(biāo)，我們在暗室進(jìn)行了近場測試，其測試環(huán)境及測試數(shù)據(jù)如圖3～5 所示。接收頻段±1dB 帶寬內(nèi)交叉極化大于27dB，發(fā)射頻段±1dB 帶寬內(nèi)交叉極化大于24dB。

3 結(jié)論

根據(jù)Ka 頻段衛(wèi)星通信的應(yīng)用需求，通過合理選擇雙頻饋源以及偏焦反射面天線的設(shè)計(jì)參數(shù)，精密加工和高精度裝配技術(shù)等手段，完成了雙頻偏焦反射面天線的設(shè)計(jì)生產(chǎn)，并通過暗室測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，天線的性能指標(biāo)完全達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，對(duì)于同類型的天線設(shè)計(jì)，具有一定的參考價(jià)值。

圖3 暗室測試環(huán)境

圖4 接收頻段實(shí)測方向圖

圖5 發(fā)射頻段實(shí)測方向圖