Ku/Ka/W三頻段單饋源反射面天線設計

摘" 要： 為了簡化多頻段反射面天線的整體結構與體積，設計一個結構簡單的三頻段饋源，采用單腔體的形式而非復雜的共軸嵌套式或填充介質等方法，以此來精簡整個饋源的設計與加工。為了在Ku/Ka兩個相近低頻段獲得較好的隔離度，分別設計了兩個低通的三階濾波器。使用ANSYS HFSS電磁仿真軟件進行Ku/Ka/W三頻段單饋源反射面天線設計和優化分析。實際測量時，饋源三個端口的S參數采用矢量網絡分析儀測得，饋源及反射面天線系統的增益則在暗室中測量得到。天線仿真設計和實測結果表明，在Ku/Ka/W三個常用頻段，即14.5～15.5 GHz、34.5～35.5 GHz及93～95 GHz頻率范圍內，天線的電壓駐波比均小于1.3，各個端口隔離度優于40 dB，具有代表性的三個中心頻率點14.5 GHz、35 GHz、94 GHz的天線增益分別為30.5 dBi、34.6 dBi和39.7 dBi，交叉極化優于-23.9 dB，旁瓣電平優于-21.6 dB。所設計的反射面天線實現了頻段跨度接近6.5∶1的Ku/Ka/W三頻段特性。

關鍵詞： 反射面天線； 三頻段； 單饋源； 三階濾波器； 面對稱結構； 頻點測試

中圖分類號： TN820?34； TP311" " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）14?0083?06

Design of Ku/Ka/W tri?band reflector antenna using single feed

FANG Xiang1， FAN Jiayi1， WANG Jie2

（1. Suzhou Institute of Technology， Jiangsu University of Science and Technology， Zhangjiagang 215600， China;

2. College of Electronic and Information Engineering， Nanjing University of Information Science amp; Technology， Nanjing 210044， China）

Abstract： In order to simplify the overall structure and volume of multiband reflector antennas， a structurally simple tri?band feed is designed by means of the single cavity form instead of complex coaxial nested or filled media methods， so as to simplify the design and processing of the entire feed. In order to achieve good isolation in the two similar low?frequency bands of Ku/Ka， two low?pass third?order filters are designed separately. The design and optimization analysis of Ku/Ka/W tri?band single feed reflector antenna are conducted by means of ANSYS HFSS electromagnetic simulation software. In actual measurement， the S parameters of the three ports of the feed are measured by means of the vector network analyzer， and the gain of the feed and reflector antenna system is measured in a darkroom. The simulation design and actual measurement results of the antenna show that in the three commonly used frequency bands of Ku/Ka/W， namely 14.5～15.5 GHz， 34.5～35.5 GHz， and 93～95 GHz frequency range， the voltage standing wave ratio of the antenna is less than 1.3， and the isolation degree of each port is better than 40 dB. The antenna gains at the three representative center frequency points of 14.5 GHz， 35 GHz， and 94 GHz are 30.5 dBi， 34.6 dBi， and 39.7 dBi， respectively. The cross polarization is better than -23.9 dB， and the sidelobe level is better than 21.6 dB. The designed reflector antenna can realize the Ku/Ka/W tri?band characteristics with a frequency span close to 6.5∶1.

Keywords： reflector antenna; tri?band; single feed; single tri?order filter; symmetrical structure; frequency point testing

0" 引" 言

反射面天線由于增益高、波束窄等特點，被廣泛應用于射電天文、衛星通信以及大氣探測等方面。隨著衛星通信頻段的不斷提高與增加，以及大氣中對多種粒子探測需求的提高，多頻段反射面天線的應用日益豐富且逐步受到重視。近幾年，國內外許多機構對多頻段雷達系統在大氣探測及多頻段衛星通信系統[1?3]等方面展開研究，這對于設計一個簡單的多頻段反射面天線系統提出了挑戰，尤其在航天系統及地面小型工作站等應用場景。目前，主要有以下方式來實現多頻段反射面天線：采用卡塞格倫天線，并將多個饋源分別放置在由FSS（頻率選擇表面）制成的副反射面兩側的方式[4?5]；采用一個多頻段饋源的方式，包括加載介質、多腔體嵌套[6?8]或單腔體結構形式[3，9]。

文獻[1]針對衛星通信的需求，提出了一個共用口徑面的S/C雙頻段反射面天線系統，其中S波段采用雙層結構的EMCP（電磁耦合）貼片天線，C波段采用位于下層的4個微帶天線單元進行輻射。文獻[4?5]指出采用FSS（頻率選擇表面）及多個饋源可實現多頻段偏天線，其中，文獻[5]設計了一個頻率在2.4～2.8 GHz通帶、 4.6～5.0 GHz阻帶的FSS，以實現雙頻特性。文獻[7]采用共軸嵌套的方式，對兩個腔體分別進行加工與組裝，實現X/Ka雙頻同時工作的特性。文獻[8]采用多種饋源組合的方式，在X、Ka喇叭天線的基礎上，又加載了S頻段的4個陣子，最終實現S/X/Ka三頻段的性能特點。文獻[3，9]針對氣象雷達的應用，設計了一個帶有波導濾波器結構的Ka/W雙頻段喇叭天線，可以在 35.75 GHz 和94.05 GHz 兩個中心頻點處同時工作，且隔離度優于70 dB。

本文根據喇叭天線的最優設計原理以及波導模式耦合理論，設計了一個簡單結構的三頻段單饋源反射面天線。該三頻段反射面天線的核心為一個三頻段饋源，它采用單腔體結構而非多腔體、填充介質及加載過渡段等復雜形式，在保證整體結構簡潔的同時，實現了頻段跨度接近6.5∶1的Ku/Ka/W三頻段特性。整體饋源為面對稱結構，便于加工，三個頻段的饋電口均為標準矩形波導，便于實際使用，其仿真及實測結果吻合較好。采用所設計的饋源，可實現總體結構簡潔的三頻段反射面天線系統。

1" 結構設計

1.1" 饋源設計

采用多腔體共軸嵌套方式容易實現大跨度的多頻段饋源，但其設計、加工及饋電網絡都較為復雜。本文考慮到重量以及加工情況，決定采用單腔體形式，同時為了簡化其結構，沒有采用加載介質、波紋或過渡段等復雜形式。

饋源結構如圖1a）所示，整體關鍵參數如圖1b）所示。圖1a）中直接將W波段圓錐喇叭作為三頻段的公共腔，并在Ku/Ka頻段耦合口處使用了兩個低通濾波器。三個頻段的饋電口均為標準矩形波導，保持了整體結構的一致性以及較好的實用性。

設計該三頻段饋源的主要步驟如下。

1） 設計一個工作在最高頻段的圓錐喇叭天線，作為三個頻段的公共腔體，本文對應的頻段為W波段，頻率為94 GHz。

2） 設計兩個工作于低頻段的低通濾波器來抑制高頻段電磁波的傳播，提高端口隔離度。本文采用的是Ku、Ka頻段的三階低通濾波器，對應35 GHz及14.5 GHz。

3） 將所設計的兩個濾波器選取合適位置與公共腔體相整合，使兩端口在公共腔中耦合出TE11模式，并優化關鍵參數以獲得最終尺寸，結果如表1所示。

如圖1b）所示，饋源的縱向尺寸為L，喇叭的半張角為θ，口徑面半徑為R，公式如下：

[L=4R28δ，" " δ?L] （1）

[θ=arctanRL=arccosLL+δ] （2）

式中：δ=0.32λ，λ為自由空間的波長。式中圓錐公共腔的參數由圓錐喇叭天線的設計方法[10?11]確定。

對于高頻段94 GHz而言，這里所取波長近似為3.19 mm。由式（1）和式（2）可知，當喇叭天線L、θ、R其中一個參數確定后，其他參數也就確定。為了使得Ku、Ka頻段的標準矩形波導的TE10模式能在公共腔內實現較好的耦合，選擇在圓錐腔內激勵TE11模式，其工作波長范圍根據圓波導的模式[12]來大致確定，公式如下：

[λ3.14lt;Rlt;λ2.62] （3）

式中：λ為在圓波導中TE11模式工作的截止波長；R為圓波導的半徑。首先，最低Ku頻段對應波長取20.69 mm，則由式（3）可知，對應半徑范圍為6.59～7.9 mm，因此對應的圓錐腔體口徑需要大于7.8 mm。考慮到實際加工及使用，本文選取半徑R=12 mm，再依據式（1）、式（2）可得其公共腔體縱向尺寸為L=70.5 mm，半張角θ約為9.7°。

由式（3）可推導得出Ku/Ka兩個低頻段耦合口的位置，公式如下：

[λ3.14tanθlt;Dlt;λ2.62tanθ] （4）

式中D為低頻段兩個耦合口中心距離喇叭端點的距離。經計算，對于35 GHz、14.5 GHz兩個頻段，距離D1為16～19.2 mm，D2為35.1～42 mm。至此，三頻段饋源的腔體結構以及大致尺寸已經確定。由于波導的高通特性，分別在Ku、Ka兩個端口處設計了三階低通濾波器[13]來提高各端口的隔離度。兩個濾波器的仿真結果如圖2所示。

最后，將所設計的饋源結構與濾波器相整合，并在電磁仿真軟件HFSS中進行仿真與優化，在確保Ku/Ka端口較好耦合TE11模式的情況下，確定該饋源的最終關鍵尺寸，如表1所示。

由圖3饋源各端口的隔離度和電壓駐波比（VSWR）的仿真結果可知，所設計的三頻段饋源在W波段，端口1與端口2隔離度大于60 dB，端口1與端口3隔離度優于50 dB，端口2與端口3隔離度大于40 dB。同時，各端口的電壓駐波比在2 GHz的帶寬下均小于1.2。

1.2" 反射面天線設計

根據系統對天線的性能要求，并考慮到前饋式拋物面的遮擋問題以及卡塞格倫天線相對較高的成本，最終決定采用偏饋式拋物面結構。對于單偏置反射面天線，其口徑場為等相場，反射的電磁波仍為平行于拋物面主軸的平面波。

該反射面天線的尺寸采用焦徑比方法進行確定，公式如下：

[fD=14cot?2] （5）

首先確定該反射面的口徑D為40 cm，由于所設計的三頻段饋源頻率跨度較大，其-3 dB波束寬度差別較大，這里折衷選擇波束照射角為35°，則根據公式（5）可知焦距f為31.75 cm，為了實際加工定為整數32 cm。偏置反射面的天線結構如圖4所示，其最終尺寸參數如表2所示。

2" 實物測試

2.1" 三頻段饋源測量

得益于該饋源的面對稱結構，加工時將它剖分為對稱的兩個部分進行，這既簡化了加工步驟也降低了成本。加工材質為鋁，采用CNC工藝，加工時為了盡可能減少對電場分布的破壞，需要對表面粗糙度提出要求，這里將其限定在0.8 μm。最終加工實物圖如圖5所示。

饋源的電壓駐波比由2臺頻率在10 MHz～40 GHz和75～110 GHz的安捷倫矢量網絡分析儀測得，其S參數測量結果如圖6所示。

饋源的增益在微波暗室中測得，其三個頻段的E面以及H面的增益如圖7所示。

通過三端口的仿真與實測結果對比可以發現，S參數性能吻合較好，細微的抖動來自于加工表面的粗糙度、加工誤差以及兩個部分的組裝，并且其內表面若采用鍍金工藝，其性能將會有所改善。在14.5～15.5 GHz、34～35.5 GHz、93～95 GHz處，電壓駐波比分別小于1.3、1.23、1.12。

三頻段饋源系統的實測場景圖如圖8所示。

在14.5 GHz、35 GHz、94 GHz三個頻點處的增益分別為12 dBi、17.4 dBi、23.6 dBi，其交叉極化均小于-23 dB。所設計的三頻段喇叭天線滿足作為反射面天線的饋源需求。其關鍵的性能指標如表3所示。

2.2" 反射面天線整體測量

根據選定的參數，調整所設計的三頻段饋源的相位中心與反射面的焦點相對距離，并固定好各部件，分別對反射面系統在14.5 GHz、35 GHz及94 GHz三個頻點處進行測試，結果如圖9所示。

由圖9可知，該反射面天線系統在14.5 GHz、35 GHz及94 GHz處增益分別為30.5 dBi、34.6 dBi和39.7 dBi。-3 dB波束寬度分別為6.4°、3.5°和1.9°，旁瓣分別小于-21.6 dB、-25.5 dB和-24.7 dB，在最大輻射方向處交叉極化分別小于-23.7 dB、-21.6 dB和-26.1 dB。最終測試結果證明該天線滿足了多頻段系統的應用需求。

共面天線實測場景圖如圖10所示。

3" 結" 語

本文設計了一個工作于Ku/Ka/W三頻段的反射面天線，該天線可用于多頻段衛星通信、氣象雷達等系統。天線系統設計的核心是Ku/Ka/W三頻段饋源。它采用了單腔體結構，實現了高低工作頻率比接近6.5∶1的大跨度。與以往的應用共軸嵌套的多層形式或者加載介質棒、波紋等復雜結構天線設計相比，該設計簡化了天線設計，降低了加工難度和成本，更重要的是減輕了天線的重量，使之更適合于衛星、飛機等應用場合。

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