伊向杰 陈金龙 石俊峰 余铁军 马汉清

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

双反射面天线以其优良的性能在卫星通信、雷达和射电望远镜中得到了广泛的应用[1-2]。然而，这种天线存在的一些缺点限制了它的应用，高的旁瓣电平、差的反射系数和较大的副反射器[3-4]。在小型化反射面天线设计中，减小副反射面尺寸成为一个主要的挑战。该文章提出的帽型馈源反射面天线，具有自支撑结构并且可以用于宽带反射面天线设计，1987年Kildal首次提出了这种天线结构[5]。经过多年来的积累和发展，学者们设计了不同结构类型的帽型馈源反射面天线[6-7]。所有的帽型馈源反射面设计的前提是可以使设计的天线获得最高的效率，采用这种天线结构时可以获得接近100%的辐射效率[10]。1985年杨建等人提出了相位效率的概念，但是该计算方法的有效性仍有待于证明，并且所得的相位中心计算方法可能不可靠。随后，谢磊等人在2016年提出了一种新的效率计算方法，计算结果表明，该方法能获得更准确的结果。遗憾的是，当环焦半径较大时，上述方法引入了不可忽略的误差，影响了最后的计算精度。

本文提出了一种计算任意环焦半径下帽型馈源相位中心的更为精确的方法。与之前的文献相比，本文提出的新方法可以得到更精确的结果，利用HFSS-Matlab联合仿真方法，编写了基于遗传算法-差分进化算法结合的优化程序，设计了一种给定大焦径比下的帽型馈源反射面天线。新的设计方法可以设计任意环焦半径下的帽型馈源反射面天线，获得更精确的口径效率。最后，对设计的帽型馈源反射面天线进行了加工和测量，实测结果与仿真结果一致性较好，验证了设计方法的正确性。

1 相位效率计算模型

设计的帽状馈源由副反射面、介质自支撑结构和圆波导组成，帽型馈源的结构如图1所示。

图1 帽型馈源的结构图

通常，具有环焦半径的旋转对称反射面天线相位效率可以表示为式(1)所示。

(1)

(2)

其中，Gco45(θ)=|Gco45(θ)|ejφ(θ)是φ=45°面的主极化馈源方向图，r(θF)的定义如图1(b)所示。当ρ0、Z0≪F时，r(θ)≈F/cos2(θ/2)可以直接应用在振幅因子中，ρ0代表环焦半径，Z0代表优化的馈源在Z轴上的相对位置，F代表反射面天线的焦距。然而，r(θ)在相位因子表达式中应该被精确计算，计算公式为

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

其中Gco45(θF)=|Gco45(θF)|ejφ(θF)，r(θF)的定义如图1(b)所示。利用公式(4)到公式(7)，新的相位效率计算模型(模型2)可以构造为式(8)所示。

(8)

对于帽型馈源反射面天线，口径效率可以通过公式(11)计算得

etotrad=eBOR1·esp·epol·eill·eφ

(11)

设计的天线为帽型馈源反射面天线，因此其eBOR1=100%。与其他文献不同，该文章设计的帽型馈源反射面天线，由于具有较大的环焦半径，相位效率不能简单的认为是100%。因此，口径效率由esp,epol,eill,eφ决定，可以表示为

esum=esp·epol·eill·eφ

(12)

相位效率eφ通过新的相位中心计算方法获得，参数z0、ρ0的最优值通过Matlab遍历来获得。在本设计中，帽型馈源的最终模型通过HFSS-MATLAB仿真来得到，由于帽型馈源具有旋转对称结构，采用对称电边界、对称磁边界来减少仿真时间。

参数设置如下：ρ0=40mm，F=240mm，D=1200mm(D为反射面直径)，θm=102°，tan(θm/2)=D/4F，颈部支撑介质的参数为εr=2.53，tanδ=0.0001。上述帽型馈源的所有参数在图2中标出，具体的尺寸值在表1中给出。图3给出了馈源在φ=45°平面上的主极化辐射方向图。图3(b)给出了相位效率、极化效率等效率值。帽形馈源的电场分布如图4所示。从图4可以看出，电场穿过电介质照射到帽型馈源上，且在环焦点的位置变得非常集中，形成了环焦点，反射后反射到反射面上。

(10)

图2 帽型馈源结构参数

表1 帽型馈源的参数值

图3

图4 φ=45°面的电场分布图

2 帽型馈源反射面的仿真和测量结果

图5给出了φ=45°面帽型馈源反射面天线仿真和测量的主极化、交叉极化辐射方向图。由于测试设备的限制，仅对正负20°角域内主极化和交叉极化辐射方向图进行测量。测量结果表明，主极化副瓣电平小于14.3dB，交叉极化小于31.5dB。图6(a)给出了反射面天线仿真和测量的电压驻波比。在工作频带内，帽型馈源的电压驻波比小于1.18。

图6(b)给出了根据公式G=4πA0eA/λ2计算得到的口径效率，其中G代表增益值，A0是口径面积，λ是自由空间中的波长，eA是口径效率。结果表明，测量的口径效率高于67.4%，这与仿真结果吻合良好。表2给出了测量结果的详细信息，测量结果与仿真结果有一定的差异，主要原因是在仿真中没有考虑介质、副反射面和波导之间胶合的影响。

图5 设计的反射面天线在φ=45°面的仿真和测量辐射方向图

图6 仿真和测量的电压驻波比及口径效率

表2 测量结果的详细信息

3 结束语

本文设计了一种双频带大环焦半径的帽型馈源反射面天线。首先，为了精确计算大环焦半径反射面天线的相位效率，提出了一种新的相位效率计算方法。然后，利用HFSS-MATLAB-API的联合仿真方法，设计了帽型馈源。由于考虑了大环焦半径帽型馈源的相位效率，得到更高精度的口径效率。最后，对帽型馈源反射面天线进行了加工和测试。测试结果表明，反射面天线的电压驻波比在频带内均小于1.18，口径效率均大于67.4%，验证了设计方法的有效性。设计的反射面天线具有口径效率高、反射系数低、结构简单等优点。