一種雙頻段卡塞格倫天線的設(shè)計

張占春

（甘肅長風(fēng)電子科技有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730070）

1 概述

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，空間中的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜惡劣，各個頻段、各種信號相互影響相互干擾，對各類有用電磁信號造成了比較大的影響，為了在復(fù)雜電磁環(huán)境中獲得目標信息，對天線性能的要求也越來越高，寬頻帶作為一種抗電磁干擾的手段被廣泛用于各類天線系統(tǒng)中，文章介紹了一種雙頻段的卡塞格倫天線的設(shè)計方法。

雙頻段卡塞格倫天線也叫變態(tài)卡塞格倫天線，它由一個扭極化的拋物面的主反射體和一個雙曲面的副反射體及一個雙頻段喇叭饋源組成，饋源放置在主副反射面的共焦點上，從饋源發(fā)出的球面電磁波經(jīng)副反射面反射后到達主反射面上，經(jīng)主反射面極化扭轉(zhuǎn)后以平面波的形式發(fā)射出去，因為此天線系統(tǒng)為雙頻段天線系統(tǒng)，所以在設(shè)計時要兼顧兩個頻段的電性能指標，互有取舍。

2 天線系統(tǒng)的組成及原理

2.1 天線原理簡述

如圖1所示，從饋源點發(fā)出的球面波經(jīng)雙曲面板反射后到達拋物面上，經(jīng)拋物面板扭極化后以平面波的形式發(fā)射出去，因為共焦點所以平面波是等相位的。O與O′為雙曲線的兩個焦點，其中O′也是拋物線的焦點，即O′點為雙曲線與拋物線共同的焦點。

圖1 天線系統(tǒng)原理示意圖

由拋物線原理得：O′A+AB+BC=K′

由雙曲線原理得：O′A-OA=K

由此可得從饋源發(fā)出的電磁波經(jīng)兩個反射面后到達C點平面上形成等相位面。

根據(jù)天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸及天線電參數(shù)指標要求，結(jié)合HFSS軟件進行仿真計算，經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化最終確定雙曲面板的雙曲線方程為：

拋物面板的拋物線方程為：

2.2 拋物面板的設(shè)計

柵網(wǎng)式扭轉(zhuǎn)反射板的作用是實現(xiàn)極化扭轉(zhuǎn)并反射電磁波。它的構(gòu)造是由三層結(jié)構(gòu)組成。前面表皮層中嵌有疏間距的平行金屬導(dǎo)線，后面是一層金屬板，中間層是介質(zhì)損耗很小的聚苯乙烯泡沫塑料板。扭轉(zhuǎn)反射板做成圓形，中間開一圓形孔，饋源可以從中穿過，由饋源口徑和運動范圍確定孔的大小。

電磁波極化扭轉(zhuǎn)90°的條件是：將入射波分解為兩個幅度相等的正交分量，同時經(jīng)平行金屬導(dǎo)線及金屬板反射后，在兩個正交分量之間引入一個180°的相差。

讓入射波的極化與反射板前表皮層中的平行金屬導(dǎo)線成45°夾角，即可分解為與金屬導(dǎo)線平行和垂直的兩個等幅正交分量。與金屬線平行的分量被反射，與金屬線垂直的分量則繼續(xù)前行并到達金屬板后被反射回來，那么反射板中間層的泡沫厚度剛好要滿足180°相差的距離，考慮到寬頻帶特性及入射角有一定變化范圍，在推導(dǎo)介質(zhì)厚度L的公式中，需對Q角或波長作偏微分，利用等效法傳輸線的原理和實現(xiàn)90°極化扭轉(zhuǎn)的要求，我們得到下列公式：

當(dāng)λ=20mm，d取不同值時金屬導(dǎo)線直徑D對應(yīng)的值見表1：

表1 金屬導(dǎo)線直徑D 對應(yīng)值

根據(jù)以上參數(shù)值最后決定取d=4mm，D=0.1 mm，a=0.05mm 。

采用“高強度聚酯漆包圓銅線”Ф=0.1mm，其中漆有5絲左右厚度。

2.3 雙曲面板的設(shè)計

透過—反射式雙曲面板的作用是：從雙曲面焦點處的饋源輻射的球面波經(jīng)雙曲面板反射后到達拋物面扭轉(zhuǎn)板上（因雙曲面虛焦點與拋物面焦點重合，此球面波等同于從拋物面焦點射出的），在拋物面扭轉(zhuǎn)板上經(jīng)極化扭轉(zhuǎn)后以平面波形式再次透過雙曲面板輻射出去。

雙曲面板仍是三層結(jié)構(gòu)，中間層聚苯乙烯泡沫塑料，這種材料除了損耗小、易于加工外，公差也比蜂窩玻璃鋼容易保證。它主要起支撐作用，內(nèi)外表皮用玻璃纖維增強塑料，其中嵌有相對波長是密間距的金屬導(dǎo)線，當(dāng)電波極化平行于其中的金屬導(dǎo)線時，它就起和金屬反射面一樣的作用。當(dāng)電波極化垂直于金屬導(dǎo)線時，它應(yīng)力求使電場的透過系數(shù)為1。

根據(jù)極化扭轉(zhuǎn)實驗及有關(guān)資料介紹，交叉極化特性優(yōu)于20dB以上時，對天線單脈沖性能的影響不是很大的，在選擇柵網(wǎng)導(dǎo)線的粗細及間距時，按一層?xùn)啪W(wǎng)來設(shè)計。

平行柵網(wǎng)的反射系數(shù)rII：

當(dāng)d取不同的值時滿足上式的D值見表2：

表2 金屬導(dǎo)線直徑D 選取值

因D小了便于加工雙曲面的凹面，故選d=1.5mm D=0.25mm，采用“高強度聚酯漆包圓銅線”。

2.4 天線整體結(jié)構(gòu)仿真

將以上拋物面板、雙曲面板及雙頻段饋源按天線原理圖所示在CST軟件中進行建模仿真，如圖2所示。

圖2 天線系統(tǒng)整體仿真結(jié)構(gòu)圖

在仿真過程中調(diào)整兩個面板的厚度并對他們之間的位置距離進行調(diào)整可以有效的對天線電性能進行調(diào)試，因為此天線系統(tǒng)整體電尺寸較大，金屬絲間的間距又很小，所以在整體仿真時占用內(nèi)存大時間長對計算機的性能要求較高，最好使用專業(yè)服務(wù)器進行仿真計算。

3 天線系統(tǒng)電性能仿真結(jié)果

此天線系統(tǒng)經(jīng)過CST仿真軟件仿真計算，端口的電壓駐波比在帶內(nèi)小于2，方位差零深和俯仰差零深均小于-25dB,Ku波段天線增益在28dB左右，X波段天線增益在25dB左右，波束寬度、旁瓣、端口隔離度等指標也都符合設(shè)計要求，在這里我們選擇一組仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 Ku 波段中頻仿真結(jié)果

4 結(jié)論

文章設(shè)計了一種工作在雙頻段的反射面天線系統(tǒng)，在復(fù)雜的電磁環(huán)境中用兩個頻段的天線系統(tǒng)可靈活切換需要的頻段并有效降低電磁干擾，將幾種常見的無源微波器件組合并用合適尺寸的波導(dǎo)進行微波信號傳輸，對反射面板的曲率和焦點進行微調(diào)，經(jīng)過合理的調(diào)整匹配就可以達到雙頻段天線的設(shè)計指標，特別是在微波抗干擾工作模式下比較有優(yōu)勢。