一種Ka/Ku雙頻段便攜天線的設(shè)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(wèi)星通信地球站天線。文中設(shè)計了一種環(huán)焦形式的Ka/Ku雙頻段便攜天線，它與傳統(tǒng)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(shè)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(lián)合仿真計算，并進行優(yōu)化處理。仿真和實測結(jié)果表明，設(shè)計的天線電氣性能優(yōu)良，具有良好的實用性。

【關(guān)鍵詞】? ? 雙頻段? ? 便攜? ? 環(huán)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(wèi)星通信技術(shù)的快速發(fā)展，對衛(wèi)星通信地球站天線的小型化、輕量化設(shè)計需求越來越強烈，當(dāng)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(xiàn)，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(jù)便攜天線的使用要求設(shè)計了一款適用于Ka/Ku雙頻段共用的小口徑便攜環(huán)焦天線，其特點如下：

1.Ka/Ku頻段共用1個饋源，設(shè)備更加集成，且減小了換饋時間;

2.天線采用環(huán)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(yōu)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(wěn)固，比傳統(tǒng)偏置天線穩(wěn)定性更強。

一、參數(shù)設(shè)計

1.1環(huán)焦反射面參數(shù)設(shè)計

環(huán)焦反射面天線的主要參數(shù)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(shè)饋源電場方向圖為 f （θ），口面場分布函數(shù)為 F （ x ），根據(jù)能量守恒定律：

根據(jù)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(huán)焦天線的主副反射面曲線，將該曲線繞其對稱軸旋轉(zhuǎn)即可得到最終的主副反射面[2]。

環(huán)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(xiàn)饋源的小型化，選取大張角喇叭當(dāng)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(jié)構(gòu)支撐的穩(wěn)定性越難實現(xiàn)，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(shè)計

Ka/Ku雙頻共用饋源能實現(xiàn)同一個照射輻射器同時工作于Ku收發(fā)頻段和Ka收發(fā)頻段。由于此饋源應(yīng)用在小口徑天線上，采用常規(guī)的大張角喇叭設(shè)計方法難以滿足設(shè)計要求。此波紋喇叭應(yīng)用差分進化算法實現(xiàn)了波紋喇叭的自動優(yōu)化設(shè)計的方法，具有全局搜索能力強，收斂速度快等特點。這次應(yīng)用的波紋喇叭設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)主要有：工作頻帶內(nèi)反射系數(shù)、照射電平等化、照射角內(nèi)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(yōu)化時在光壁段內(nèi)均勻取樣幾個控制點，通過樣條函數(shù)擬合而成。通過改變光壁段內(nèi)壁上取樣點的半徑參數(shù)就可以控制光壁段的結(jié)構(gòu)形狀，達到優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)。環(huán)加載波紋槽段由三個環(huán)加載波紋槽組成，也是通過取樣每個環(huán)加載波紋槽參數(shù)，通過優(yōu)化計算改變每個環(huán)加載波紋槽參數(shù)，達到優(yōu)化目標(biāo)的一組參數(shù)。喇叭結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計

天線主反射面板分成6塊，主體部分與天線座聯(lián)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(jié)構(gòu)形式，夾層材料為鋁蜂窩，上下兩層采用碳纖維復(fù)合材料。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)泡沫材料機加工而成，PMI具有較低的介電常數(shù)（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(lǐng)域，為了增強該介質(zhì)的涂覆需求及環(huán)境適應(yīng)能力，在介質(zhì)表面增加一層0.3mm的玻璃鋼。饋源和幅面經(jīng)過特殊工裝與該介質(zhì)進行粘結(jié)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(jié)構(gòu)如圖3所示。

三、仿真與實測結(jié)果分析

天線結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，將結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)出，利用商用軟件CST建立該天線模型，并設(shè)置好副反射面介質(zhì)支撐及饋源和波導(dǎo)的介電常數(shù)，進行整體仿真計算。計算天線的輻射方向圖，根據(jù)天線的仿真分析，再次進行喇叭的設(shè)計優(yōu)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(shè)計結(jié)果更加相符。圖4為用CST建立的該天線的仿真模型，參數(shù)與設(shè)計一致。

經(jīng)過仿真軟件的計算，仿真結(jié)果滿足給定的指標(biāo)要求，具體結(jié)果如圖5和圖6所示。

根據(jù)各個設(shè)計參數(shù)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計及加工裝配，最終天線的測試結(jié)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(huán)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(jié)果圖形還是比較接近。

仿真與實測結(jié)果比較如表1所示。實測的電氣性能結(jié)果滿足工程項目要求。

從表1數(shù)據(jù)可以看出，實測結(jié)果比仿真結(jié)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(chǎn)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(wǎng)絡(luò)由各個部件螺釘裝配，帶來一定的插入損耗;

4.所有實測數(shù)據(jù)在測試過程中存在一定的測試誤差。

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

四、結(jié)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(jié)果表明，設(shè)計的天線電性能優(yōu)良，實測結(jié)果與計算結(jié)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(zhuǎn)對稱，此設(shè)計已應(yīng)用。

參? 考? 文? 獻

[1] 孟則宇，杜彪，解磊.大張角波紋喇叭的優(yōu)化設(shè)計[J].無線電通信技術(shù)，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(yè)出版社，2002.

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