有限掃描反射面天線縱向偏焦性能的研究

范黃江，葉文熙，李正軍

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

有限掃描技術(shù)起源于20世紀60—70年代的美國[1]，現(xiàn)在各個國家都在發(fā)展各自的有限掃描天線[2]。其廣泛應(yīng)用于移動通信、區(qū)域覆蓋、GEO全球掃描、火控和星間鏈路的建立等。傳統(tǒng)的縱向偏焦是使饋源沿拋物面軸向連續(xù)往返運動，利用增寬后的波瓣，可以達到小角度探測目標的目的[3]。日本的ETS-Ⅷ衛(wèi)星[4-5]是相控饋電陣列單反射面有限掃描天線在國外高軌衛(wèi)星上的典型實例，其采用了相控陣偏焦饋電的方式。國內(nèi)也有應(yīng)用縱向偏焦的單反射面有限掃描天線的設(shè)計[6]。但它僅限于在單焦點傳統(tǒng)拋物面上應(yīng)用，并不能滿足雙焦點拋物面天線的應(yīng)用。拋物面的形變可以帶來類似饋源沿拋物面軸向連續(xù)往返運動的作用，彌補傳統(tǒng)縱向偏焦特性在雙焦點拋物面天線應(yīng)用上的不足[7-8]。類似的有焦散拋物曲面天線[9]，電科五十四所的雙焦點平面波束掃描透鏡天線[10]。

基于拋物面形變的縱向偏焦特性在一定程度上可以說是傳統(tǒng)拋物面縱向偏焦特性的延伸，其有別于傳統(tǒng)拋物面讓饋源在拋物面軸向上往返運動，而是固定饋源不動，使拋物面焦點在拋物面軸向上往返運動，與此同時會伴隨著拋物面的形變。而雙焦點則是拋物面XOZ平面拋物線和YOZ平面拋物線正交互異，從而兩拋物線焦點不一致，使得最終拋物曲面是雙焦點反射面。此時，天線的波瓣也會有不同程度的展寬，可以滿足小角度探測目標的目的。此外，在波瓣足夠?qū)挄r，一部天線可以兼具搜索和跟蹤的應(yīng)用，大尺寸偏焦時用作搜索，正焦時則用以跟蹤目標。

1 天線結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計

如圖1所示，天線結(jié)構(gòu)為單反射面天線，反射面天線口徑30m，設(shè)定饋源為口徑0.4m，頻率1.25GHz，極化方式為左旋圓極化的基模圓錐喇叭。其半功率波瓣寬度為±19°，即2θ3dB=38°。其邊緣增益為10.8dBi。其中波長λ=0.24m。

圖1 天線結(jié)構(gòu)Fig.1 Antenna structure

傳統(tǒng)拋物面方程為：

(1)

使饋源位于拋物面焦點處，不斷改變拋物面焦點，得到如圖2所示輻射方向圖峰值圖。由圖2可以確定，當(dāng)拋物面天線焦距f=24m時，天線的輻射方向圖最佳，輻射峰值最高。其中天線增益G=Dη1，D為方向系數(shù)，η1為照射效率，照射效率取決于饋源的方向性和拋物面張角ξ0。為取得最大效率，要求饋源的方向性為最大，故取焦距f=24m，此時反射面半張角計算值為34.708，仿真值為34.438，差值不大，可忽略影響。此時焦徑比f/D=0.8。由圖2可知半功率波瓣寬度2θ3dB≈0.47°。

圖2 輻射峰值圖Fig.2 Radiation peak diagram

為了滿足現(xiàn)代天線寬覆蓋的需求，要求天線方向圖主瓣展寬，以獲得更大的掃描角度。在此，利用縱向偏焦特性，固定饋源在24m焦點處，通過前后推移旋轉(zhuǎn)拋物面的焦點，使天線主瓣展寬，以獲得更大的半功率波瓣寬度以及更大的邊緣增益。

可以仿真得出符合三饋源、五饋源、七饋源要求的縱向偏焦距離。由此可以確定天線的結(jié)構(gòu)，焦距f0=24m,f1=26.8m,f2=29.2m,f3=35.8m，分別為饋源焦點，三饋源偏焦焦距，五饋源偏焦焦距，七饋源偏焦焦距。由此可見，隨著拋物面不斷地縱向偏焦，偏焦距離越遠，天線主瓣越寬，且天線增益越低。

對應(yīng)的拋物面方程分別為：

(2)

由這些拋物面方程進行仿真，可以得到下節(jié)分析結(jié)果。

2 仿真結(jié)果與分析

通過以上分析，本文首先進行相控陣一維線性掃描。饋源采用基模圓錐喇叭天線，饋電單元幅度采用等幅分布，相位采用共軛場匹配法取共軛，激勵系數(shù)導(dǎo)入GRASP軟件進行仿真，在POS軟件中僅相位優(yōu)化得到掃描方向圖。

整個軟件的仿真流程大致為：在GRASP中繪制出天線的幾何結(jié)構(gòu)，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。將陣元的位置、幅度、相位等參數(shù)寫入程序中，將程序?qū)隚RASP。在GRASP中計算天線的方向圖，觀察其增益和副瓣等性能是否滿足設(shè)計要求。若增益和副瓣滿足設(shè)計要求，則天線設(shè)計完成。若不滿足設(shè)計要求，則在POS中建模，導(dǎo)入寫有優(yōu)化目標的文件，計算出結(jié)果，再將計算得到的單元幅度和相位重新導(dǎo)入GRASP中，計算出方向圖，觀察增益和副瓣是否符合要求。若仍不符合要求，則應(yīng)修改優(yōu)化目標，重復(fù)上述過程直至達到設(shè)計要求[11]。

以七饋源為例，饋源選擇基模圓錐喇叭，因為圓波導(dǎo)加工方便，壁比較薄，可以節(jié)省空間，便于控制陣元間距而抑制柵瓣。喇叭極化方式左旋圓極化，喇叭口徑尺寸400mm。饋源陣沿y軸排列，7個饋源喇叭單元，單元間距400mm，等間距排布，文中忽略饋源喇叭的厚度，所以陣間距也為400mm，饋源排布如圖3所示。

圖3 饋源一維排布Fig.3 The feed is arranged in one dimension

保持XOZ平面拋物線焦點f0=24m不變，YOZ平面拋物線焦點由f0=24m外推到f3=35.8m。由此得到拋物曲面方程：

(3)

各個單元的激勵系數(shù)見附錄。從-3°、-2°、-1°、0°、1°、2°、3°7個掃描角處的天線掃描方向圖，如圖4所示，其中GRASP優(yōu)化和POS優(yōu)化相差不是很大。計算得出的激勵系數(shù)和軟件仿真的激勵系數(shù)優(yōu)化得到的天線輻射特性基本一致。

圖4 一維掃描七饋源外推11.8 m掃描方向圖Fig.4 One dimensional scanning seven-feed extrapolation of 11.8 m scanning direction diagram

圖4中GRASP、POS對應(yīng)的是標準拋物面縱向偏焦，Single-GRASP、Single-POS對應(yīng)的是拋物曲面天線縱向偏焦，GRASP是僅在商業(yè)軟件GRASP中作相位調(diào)整，POS是在商業(yè)軟件POS中僅設(shè)置相位調(diào)整。從圖4中可以看出GRASP軟件相位調(diào)整和POS軟件僅相位調(diào)整仿真出的方向圖指向一致，最大增益和波瓣寬度也基本一致。而經(jīng)過反射面調(diào)整，使XOZ面和YOZ面拋物線正交且互異，拋物曲面在Z軸上會有雙焦點，分別對應(yīng)XOZ面拋物線焦點和YOZ面拋物線焦點。其中3°掃描角處GRASP、POS、Single-GRASP、Single-POS分別對應(yīng)的方向圖增益分值為31.36、31.39、45.04、45.03dB，對應(yīng)的3dB波瓣寬度為1.37°、1.38°、1.41°、1.43°；2°掃描角處GRASP、POS、Single-GRASP、Single-POS分別對應(yīng)的方向圖增益分值為31.50、31.61、45.45、45.45dB，對應(yīng)的3dB波瓣寬度為1.36°、1.34°、1.44°、1.44°；1°掃描角處GRASP、POS、Single-GRASP、Single-POS分別對應(yīng)的方向圖增益分值為31.63、31.81、45.71、45.70dB，對應(yīng)的3dB波瓣寬度為1.38°、1.36°、1.44°、1.44°；0°掃描角處GRASP、POS、Single-GRASP、Single-POS分別對應(yīng)的方向圖增益分值為31.49、31.86、45.78、45.78dB，對應(yīng)的3dB波瓣寬度為1.42°、1.38°、1.42°、1.44°。拋物面天線軸對稱，故-1°和1°對稱一致，-2°和2°對稱一致，-3°和3°對稱一致。可以看出，相較于傳統(tǒng)標準拋物面天線，拋物曲面天線在天線縱向偏焦后能達到的增益更高，且拋物面縱向偏焦還有一些小的柵瓣，而拋物曲面縱向偏焦沒有柵瓣。除此之外，拋物曲面縱向偏焦波瓣展寬也要優(yōu)于拋物面縱向偏焦。由此可知，拋物曲面天線的輻射特性相較于拋物面天線的輻射特性在縱向偏焦后得到了極大的改善。

取0°方向作具體分析，七饋源增益相差14.29dB，且3dB波瓣寬度也有小幅度的展寬。如圖5所示，F(xiàn)24表示的是標準拋物面天線焦距為24m的幅度方向圖，其峰值為50.63dB；F35.8表示的是標準拋物面天線焦距為35.8m的幅度方向圖，其峰值為31.49dB；FF35.8表示的是XOZ拋物線焦點24m，YOZ拋物線焦點35.8m的雙焦點拋物曲面天線幅度方向圖。可以比較得到雙焦點比單焦點天線增益上升了14.29dB，且波束寬度有小幅度的展寬。

圖5 幅度方向圖Fig.5 Amplitude pattern

3 結(jié)論

由仿真分析可以得到，拋物曲面天線可以實現(xiàn)一維掃描，確實達成了XOZ平面和YOZ平面拋物線正交且拋物曲面是雙焦點。此雙焦點有限掃描反射面天線在縱向偏焦后擴大3dB半功率波瓣寬度的同時保持了天線較高的次級方向圖增益，一維七饋源陣列相較于傳統(tǒng)正饋拋物面天線增益增加了14.29dB，從31.49dB增加到了45.78dB，且邊緣增益達到了42.78dB。符合反射面天線的指標。

附 錄

表1 GRASP等幅七饋源單元激勵系數(shù)Tab.1 GRASP excitation coefficient of constant amplitude seven-feed element

表2 POS等幅七饋源單元激勵系數(shù)Tab.2 POS excitation coefficient of constant amplitude seven-feed element

表3 Single-GRASP等幅七饋源單元激勵系數(shù)Tab.3 Single-GRASP excitation coefficient of constant amplitude seven-feed element

表4 Single-POS等幅七饋源單元激勵系數(shù)Tab.4 Single-POS excitation coefficient of constant amplitude seven-feed element