一種新型濺散板饋源天線

張文濤,李明杰,曹衛平,于新華,李貝貝

(1.桂林電子科技大學電子工程與自動化學院,廣西桂林 541004; 2.桂林電子科技大學認知無線電與信息處理省部共建教育部重點實驗室,廣西桂林 541004)

一種新型濺散板饋源天線

張文濤1,李明杰1,曹衛平2,于新華2,李貝貝2

(1.桂林電子科技大學電子工程與自動化學院,廣西桂林 541004; 2.桂林電子科技大學認知無線電與信息處理省部共建教育部重點實驗室,廣西桂林 541004)

為了改善濺散板饋源天線中開口輻射波導的終端匹配性能并得到對稱方向圖,提出了一種Ku波段介質錐加載喇叭式濺散板饋源天線結構。該結構將聚四氟乙烯材料(介電常數為2.56)的介質體懸空插入圓錐喇叭內部,使介質體與空氣更好地匹配。CST數值仿真結果表明,在工作頻段內饋源VSWR達到1.11以下,方向圖具有良好的對稱性;同時,介質錐加載副反射面構成的一種新型的濺散板饋源作為代替傳統卡塞格倫天線中的饋源和副反射面,省去了支撐副反射面的支桿,減小了遮擋,提高了天線效率,達到了60%以上,為工程設計提供很好的理論依據。

濺散板饋源;介質錐加載喇叭;低電壓駐波比

濺散板饋源天線產生于第二次世界大戰期間,屬于雙反射面后饋天線。相比傳統的卡塞格倫、格里高利和環焦天線,濺散板饋源天線具有主反射面不需賦形,只賦形支撐介質表面和副反射面,所以既能控制天線口面的幅度分布,又能控制相位分布,實現低旁瓣的輻射場,并且濺散板饋源天線以介質作支撐,并以濺散板為副反射面,從而省去了支撐副反射面的支桿,消除支桿的遮擋,提高了天線效率,因而在衛星通信、射電天文、微波通信和遙感系統等領域得到大量應用[1-3]。但現有的濺散板饋源開口輻射波導的終端匹配不理想,造成電壓駐波比較高。為了改善饋源的電壓駐波比,文獻[4]提出了一款支撐介質為階梯狀的濺散板饋源,電壓駐波比小,但是濺散板介質形狀復雜,不利于批量加工生產。文獻[5-6]提出了一款用低介電常數的聚乙烯泡沫作為支撐介質的濺散板饋源,電壓駐波比低,但泡沫在工程加工中很容易損壞或變形,導致天線性能變差。為此,提出了一種介質錐加載喇叭式濺散板饋源天線結構,不僅具有電壓駐波比低、輻射方向圖等化性能良好等優點,且易加工、成本低、性能穩定。

1 濺散板饋源天線的理論分析

1.1 濺散板饋源

研究一種可替代波紋喇叭的混合模介質加載圓錐喇叭,濺散板饋源結構如圖1所示。其由填充2層介質的圓錐金屬壁喇叭組成,且內層介質的介電常數(εr1=2.56)大于外層介質的介電常數(εr2為空氣的介電常數)。

圖1 濺散板饋源結構Fig.1 The structure of splashplate feed

為了得到與波紋喇叭[7]同樣性能的饋源,介質加載圓錐喇叭內部電磁場必須達到平衡混合模的條件,使得介質加載圓錐喇叭內部傳輸HE11混合模式。

首先,根據波紋喇叭的場分析可得混合模介質加載圓錐喇叭的特征方程[8],

其次,喇叭內部介質層之間的壁阻抗為:

為了得到混合模條件下介質喇叭的尺寸,將式(2)、(3)代入平衡混合條件:

并化簡得平衡混合條件方程為:

聯立式(1)和(4)可求出滿足平衡混合模條件時介質的厚度t和akc1[9]。在平衡混合模的條件下,介質層厚度t的設計準則為

其中:εr=εr1/εr2;λ0為工作波長。介質半張角α需小于介質材料臨界角的補角θs,

θs=cos-1[1/(εr1)0.5],α∈(0.5θs,0.7θs)。

根據以上理論分析,計算得到混合模介質加載圓錐喇叭結構,并通過CST仿真分析,得到如圖2所示的結果。分析表明,混合模介質加載圓錐喇叭具有對稱的方向圖和低的副瓣。

圖2 濺散板饋源輻射方向圖Fig.2 The radiation pattern of splashplate feed

1.2 副反射面

濺散板饋源天線中副反射面是在介質的底端挖去一定的形狀并噴涂金屬形成的。如同其他雙反射面天線一樣,濺散板饋源天線的設計不僅要考慮能量守恒方程、反射方程和等相位方程,且由于濺散板饋源引入了介質,還需考慮折射方程。濺散板饋源天線幾何光學原理如圖3所示。

1)能量守恒方程

其中:Fθ()為初級饋源的軸對稱輻射功率立體角分布函數;I( x)為天線主拋物面上的口面功率分布函數。

圖3 濺散板饋源天線原理Fig.3 The theory of splashplate feed antenna

2)副面上任一點的反射方程可表示為

3)等相位方程

4)折射方程

其中R=AE。

聯立式(7)、(8)、(9)和(10)可確定以θ為參數的v、ψ、R和δ的值,再結合幾何光學原理可最終確定副反射面的形狀[10]。

2 結構分析

圖4 濺散板饋源加載副反射面結構Fig.4 The structure of splashplate feed and subreflector

根據理論分析計算,設計的新型濺散板饋源結構如圖4所示。

1)饋源。結構如圖4中S1和S2所示。饋電波導S1采用TE11模激勵,喇叭S2口面半徑r2=20 mm,高度h2=113 mm;電介質S4底部半徑r3=36 mm,高度h3=231 mm。為了在工程中實現設計的饋源結構,在電介質S4和喇叭S2之間填充了支撐介質S3,且為了減小介質S3對波導匹配的影響,用于介質和喇叭之間的支撐介質呈脊狀分布。

2)濺散板。結構如圖4中S5和S6所示。為了同時兼顧方向圖和駐波比,濺散板由2部分組成:a)圓臺面,其作用使次級方向圖達到要求的照射角度; b)錐面,其作用是反射來自饋源的波束,使其改變反射路徑,避免波束反射回饋源,達到改善駐波比的目的。圓臺面S5底部半徑與電介質S4的底部半徑r3一致,頂部半徑r4=10 mm,高度h4=23 mm,錐面S6底部半徑與削頂錐面S5頂部半徑r4一致,高度h5=5 mm,錐角取值為120°～160°。

3 仿真分析

濺散板饋源天線工作于Ku波段,工作頻率為17.2～18.2 GHz,所使用的仿真軟件是基于有限積分數值算法的數值仿真軟件CST 2009。仿真頻率是低頻17.2 GHz、中頻17.7 GHz和高頻18.2 GHz三個頻點。測量平面分別是φ=0°、φ=90°。

3.1 濺散板饋源加載副反射面仿真分析

用CST仿真優化后得到的仿真結果如圖5、圖6和圖7所示。從圖5、6可見,濺散板饋源達到如下指標:

1)工作頻帶內電壓駐波比達到1.11以下;

2)饋源方向圖等化良好(照射角內),且半張角77°時能量衰減到-10 d B以下,能量絕大部分可被照射到反射面上。

圖5 電壓駐波比仿真曲線Fig.5 The simulation curve of voltage standing wave ratio

圖6 濺散板饋源加載副反射面輻射方向圖Fig.6 The radiation pattern of splashplate feed and subreflector

3.2 天線系統仿真

濺散板饋源天線系統基于CST 2009的仿真模型如圖8所示,主反射面是旋轉對稱拋物面,其口徑為610 mm,天線的焦徑比采用工程上常用的0.325。通過仿真優化使得天線達到較高的增益,最終確定天線的焦距為210 mm。

圖7 濺散板饋天線輻射方向圖Fig.7 The radiation pattern of splashplate feed antenna

從圖7可見,濺散板饋源天線達到如下指標:

1)天線方向圖E面和H面等化良好;

2)工作頻帶內天線增益達到38.9 d B以上;

3)工作頻帶內天線效率達到60%以上。

圖8 濺散板饋源天線系統模型Fig.8 The system model of splashplate feed antenna

4 結束語

設計中心頻率為17.7 GHz的濺散板饋源型拋物面天線,提出了一種新型濺散板饋源結構:采用電介質懸空加載到圓錐喇叭內部,緊靠脊狀介質支撐在喇叭內壁面和介質表面之間,達到改善駐波比的目的,同時將濺散板饋源應用在拋物面天線中。通過仿真分析,驗證了設計的合理性,表明該天線具有旋轉對稱的方向圖、高增益以及良好的匹配特性,且加工難度小,可為工程設計提供很好的理論依據。

[1] 楊可忠.現代面天線新技術[M].北京:人民郵電出版社,1993:237-249.

[2] Kildal P S,Nyseth A.The hat feed:a new class of splash plate antenna having low cross-polarization[J]. Antennas and Propagation Society International Symposium,IEEE,1986,24:75-78.

[3] Kasraian M K,Kishk A A,Tew M.Radiation Characteristics of loaded shaped splash plate antennas[C]// Southeastcon'92,Proceedings,IEEE,1992:306-309.

[4] Liu Chuan,Yang Shiwen,Nie Zaiping.Design of a parabolic reflector antenna with a compact splash-plate feed [C]//Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Conference(CSQRWC)on IEEE, 2013:241-244.

[5] Clarricoats P J B,Salema C.Antennas employing conical-dielectric horns,part 2:the cassegrain antenna[C]// Proceedings of the Institution of Electrical Engineers. IET Digital Library,1973:750-756.

[6] Clarricoats P J B,Salema C.Antennas employing conical dielectric horns,part 1:propagation and radiation characteristics of dielectric cones[C]//Proceedings of the Institution of Electrical Engineers.IET Digital Library, 1973:741-749.

[7] 魏文元.天線原理[M].北京:國防工業出版社,1985: 235-240.

[8] 杜彪,林金才.混合模介質加載圓錐喇叭的傳播和輻射特性[J].電波科學學報,1995,10(1):39-46.

[9] 楊繼松.介質加載角錐喇叭的理論研究[J].中國空間科學技術,1992,12(1):19-27.

[10] James G L,Malik D P S.Towards the theoretical design of splash-plate feeds[J].Electronics Letters, 1975,11(24):593-594.

編輯:梁王歡

Design of a new type splash plate feed antenna

Zhang Wentao1,Li Mingjie1,Cao Weiping2,Yu Xinhua2,Li Beibei2
(1.School of Electronic Engineering and Automation,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China; 2.Key Laboratory of Cognitive Radio and Information Processing,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

A splashplate feed antenna structure with dielectric-cone loaded horn in Ku band is proposed,in which not only the terminal match property of open radiation waveguide in the splashplate feed antenna can be improved but also the symmetrical patterns can be obtained.In this structure dielectric made of Teflon(εr1=2.56)is inserted without touch into the inside of the conical horn to make better match between the air and the dielectric.The CST simulation results show VSWR＜1.11 in the work band and the pattern is symmetrical.Replacing the feed and sub-reflector in conventional Cassegrain antenna with the novel splashplate feed antenna with dielectric-cone loaded sub-reflector has many advantages,such as omitting support legs,reducing the shield,improving the efficiency up to 60%.It can provide correlative theory basis for engineering design.

splashplate feed;dielectric-cone load horn;low VSWR

TN926+.4

A

1673-808X(2015)02-0093-05

2014-12-26

國家自然科學基金(61361005);廣西自然科學基金(2012GXNSFAA053233,2013GXNSFDA019002,2014GXNSFGA118003);廣西科學研究與技術開發計劃(1346010-5);桂林市科學研究與技術開發計劃(20130122-1,20140127-1);廣西教育廳科研項目(ZD2014057);桂林電子科技大學研究生教育創新計劃(GDYCSZ201459)

曹衛平(1971-),男,湖南益陽人,教授,博士,研究方向為射頻和天線技術。E-mail:weipingc@163.com

張文濤,李明杰,曹衛平,等.一種新型濺散板饋源天線[J].桂林電子科技大學學報,2015,35(2):93-97.