一種Ka/Ku雙頻段便攜天線的設計

張義坡 周輝

【摘要】? ? 便攜天線是一種可快速展開使用及收藏的衛星通信地球站天線。文中設計了一種環焦形式的Ka/Ku雙頻段便攜天線，它與傳統的偏饋形式便攜天線相比，Ka/Ku雙頻段共用形式使用更加方便快捷，并且饋源比較小巧，滿足便攜天線小型化的要求。在進行天線電氣設計時將饋源模型與天線模型裝配完成后，使用CST軟件對整天線方向圖進行聯合仿真計算，并進行優化處理。仿真和實測結果表明，設計的天線電氣性能優良，具有良好的實用性。

【關鍵詞】? ? 雙頻段? ? 便攜? ? 環焦

ABSTRACT? The portable antenna is a kind of earth station antenna used for satellite communication which can be deployed and collected quickly.In this paper，a Ka/Ku dual-band portable antenna in the form of ring focus is designed，Compared with the traditional partial feed form of portable antenna，the dual-band antenna is more convenient and quick to use，and its feed source is relatively small，which meets the requirement of miniaturization of the portable antenna. In the process of electrical design， the pattern of the antenna is simulated by using the CST software after assembling the feed model and antenna model. The simulation and test results show that the antenna has excellent electrical performance and is very practical.

Key words? Dual-Band， Portable， Ring focus

引言：

目前，隨著衛星通信技術的快速發展，對衛星通信地球站天線的小型化、輕量化設計需求越來越強烈，當前Ka/Ku雙頻段的便攜天線普遍使用Ka頻段和Ku頻段兩套饋源拆裝實現，且天線形式多以雙偏置天線為主，不利于目前便攜天線小型化、一體化、集成化的特點。

根據便攜天線的使用要求設計了一款適用于Ka/Ku雙頻段共用的小口徑便攜環焦天線，其特點如下：

1.Ka/Ku頻段共用1個饋源，設備更加集成，且減小了換饋時間;

2.天線采用環焦形式，并將主反射面分成6塊，有利于便攜天線的快速拆裝;

3.采用波紋喇叭自動優化算法[1]，有效降低了第一旁瓣，并提高了天線效率;

4.正饋形式天線重心更加穩固，比傳統偏置天線穩定性更強。

一、參數設計

1.1環焦反射面參數設計

環焦反射面天線的主要參數如圖1所示。

天線主反射面是拋物線，副反射面是橢圓，O1點和O2點分別是副反射面的2個焦點，O1點也是饋源的相位中心，O2點是主反射面拋物線的焦點，Dm是主反射面直徑、Dsm為副反射面直徑，θm是饋源對副反射面邊緣點的照射角，Ψm是主反射面張角。r是副反射面上任意一點與原點的距離;r是副反射面邊緣到O1的距離。利用能量守恒和反射定律進行，這里不做太多闡述，設饋源電場方向圖為 f （θ），口面場分布函數為 F （ x ），根據能量守恒定律：

根據反射定律，副反射面的反射定律為：

等光程條件如下：

由于Dm、Dsm、θm、Ψm為已知，由此可求得R和r，因此確定了環焦天線的主副反射面曲線，將該曲線繞其對稱軸旋轉即可得到最終的主副反射面[2]。

環焦天線只要饋源的口徑不大于副面口徑，喇叭的遮擋便不會大于副面的遮擋，因此選擇Dsm/Dm=0.1[3]。為了實現饋源的小型化，選取大張角喇叭當作饋源，副面照射角最佳角度為37°。考慮到焦徑比F/D越大，饋源及副面離主面越遠，結構支撐的穩定性越難實現，綜合考慮，焦徑比 F/D最終確定為0.35。

1.2 Ka/Ku雙頻共用饋源設計

Ka/Ku雙頻共用饋源能實現同一個照射輻射器同時工作于Ku收發頻段和Ka收發頻段。由于此饋源應用在小口徑天線上，采用常規的大張角喇叭設計方法難以滿足設計要求。此波紋喇叭應用差分進化算法實現了波紋喇叭的自動優化設計的方法，具有全局搜索能力強，收斂速度快等特點。這次應用的波紋喇叭設定優化目標主要有：工作頻帶內反射系數、照射電平等化、照射角內峰值交叉極化電平等電氣性能。

在Ka/Ku雙頻段共用波紋喇叭仿真優化時在光壁段內均勻取樣幾個控制點，通過樣條函數擬合而成。通過改變光壁段內壁上取樣點的半徑參數就可以控制光壁段的結構形狀，達到優化設計的目標。環加載波紋槽段由三個環加載波紋槽組成，也是通過取樣每個環加載波紋槽參數，通過優化計算改變每個環加載波紋槽參數，達到優化目標的一組參數。喇叭結構示意圖如圖2所示。

二、結構設計

天線主反射面板分成6塊，主體部分與天線座聯接，工作時通過快速安裝搭扣將這些反射面精確地拼裝在一起形成整個反射面。為減小天線重量，提高天線剛度，天線主反射面采用雙層薄壁夾層結構形式，夾層材料為鋁蜂窩，上下兩層采用碳纖維復合材料。其優點是結構輕巧、重量輕、剛度高，并對主反射面進行表面金屬化處理，以滿足對Ka頻段的使用需求。

為了減小副面支撐對天線電氣的影響，該副面支撐材料選用聚甲基丙烯酸亞胺（PMI）結構泡沫材料機加工而成，PMI具有較低的介電常數（1.09），且具有高耐熱、高強度、耐腐蝕等特性，已廣泛用于航空航天、雷達天線等領域，為了增強該介質的涂覆需求及環境適應能力，在介質表面增加一層0.3mm的玻璃鋼。饋源和幅面經過特殊工裝與該介質進行粘結處理，為了保證饋源及副面的同心度及理論尺寸，采用特殊工裝保證。饋源副面組合結構如圖3所示。

三、仿真與實測結果分析

天線結構設計完成后，將結構模型導出，利用商用軟件CST建立該天線模型，并設置好副反射面介質支撐及饋源和波導的介電常數，進行整體仿真計算。計算天線的輻射方向圖，根據天線的仿真分析，再次進行喇叭的設計優化。通過這種方法最終仿真出的天線輻射方向圖將與實際設計結果更加相符。圖4為用CST建立的該天線的仿真模型，參數與設計一致。

經過仿真軟件的計算，仿真結果滿足給定的指標要求，具體結果如圖5和圖6所示。

根據各個設計參數進行結構設計及加工裝配，最終天線的測試結果如圖7和圖8所示。

通過對天線的仿真及測試方向圖進行分析，兩者之間還是比較一致的，由于天線進行遠場測試時，受周圍環境影響及天線自身精度影響，實測方向圖零深不太對稱，但與仿真結果圖形還是比較接近。

仿真與實測結果比較如表1所示。實測的電氣性能結果滿足工程項目要求。

從表1數據可以看出，實測結果比仿真結果天線效率要稍差些，誤差原因分析有如下幾點因素：

1.各個零部件都需要機加工，產生了加工精度誤差;

2.反射面為快裝形式，拼裝帶來一定的主面精度誤差;

3.饋源網絡由各個部件螺釘裝配，帶來一定的插入損耗;

4.所有實測數據在測試過程中存在一定的測試誤差。

雖然測試結果與仿真結果有所偏差，但是都能夠滿足工程項目中的天線電氣指標要求。

四、結束語

通過對大張角喇叭、天線輻射方向圖的分析和計算，最終給出了一種具有高效率、低副瓣、小型化的雙頻段便攜天線。

實測結果表明，設計的天線電性能優良，實測結果與計算結果吻合良好，Ka頻段第一旁瓣<-15dB，效率>50%，Ku頻段旁瓣<-17dB，效率>55%，輻射方向圖旋轉對稱，此設計已應用。

參? 考? 文? 獻

[1] 孟則宇，杜彪，解磊.大張角波紋喇叭的優化設計[J].無線電通信技術，2017，29（2）：59-63.

[2] 林昌祿，聶在平等.天線工程手冊[M].北京：電子工業出版社，2002.

[3] 楊可忠，楊智友，章日榮.現代面天線新技術[M].北京：人民郵電出版社，1993.