张丽娜;刘伟栋
【摘 要】针对卫星高速通信系统双圆极化、小型化及高可靠性应用需求,设计了一种Ka频段双圆极化高极化隔离度天线,馈源采用大张角波纹喇叭,通过隔板圆极化器实现双圆极化.通过对环焦天线的赋形设计,提高了天线效率,增加了波束内增益.采用NX软件对天线的热环境进行了仿真分析,结果表明热变形对天线的性能影响较小.天线仿真与实测结果吻合较好,实测天线效率大于55％,各项性能指标优于设计要求. 阳光下可视液晶屏
高增益天线【期刊名称】《无线电工程》
【年(卷),期】2017(047)004pvc编织地毯
【总页数】7页(P58-64)
【关键词】反射面赋形;环焦天线;热变形分析;双圆极化 【作 者】张丽娜;刘伟栋
【作者单位】上海航天电子通讯设备研究所,上海201109;上海航天电子通讯设备研究所,上海201109
变压器防盗报警器
【正文语种】中 文
【中图分类】TN82
为提高卫星数据传输速率，缓解频谱资源紧张局面，星载天线的工作频段由X波段提升至Ka频段，工作带宽由原先的几百MHz增至几个GHz，由单一圆极化拓展为双圆极化工作。
在卫星通信中为了获得较好的辐射方向图特性及效率，可采用对反射面天线赋形设计方法。反射面天线赋形一种是实现对覆盖区域的波束赋形；另一种是根据覆盖区域的形状及增益要求设计天线反射面。早在1975年，日本学者就提出了一种反射面赋形的设计方法，即波前分析方法，随后北美和欧洲的研究人员在此基础上，根据几何光学(GO)、物理光学(PO)、几何绕射理论(GTD)和物理绕射理论(PTD)等，提出了反射面赋形的直接和间接综合方法。直接方法的优化对象是反射面本身的形状，用各种函数展开式表示反射面，通过优化函数的系数进行反射面综合赋形。间接方法的优化对象是赋形反射面天线的一些特性参
数，如波前、口径面场分布等，通过优化这些参数来满足赋形要求，进而确定反射面的形状。文献[1]根据几何光学原理对反射面进行赋形设计，实现了对地球赋形波束设计。文献采用最小P乘法[2]和Minimax法[3]优化馈源激励系数，提出了用归一化功率偏差值作为目标函数的反射面赋形设计方法。文献[4]采用射线追踪的方法对侧馈卡塞格伦天线的主反射面进行了面赋形设计，改善了星载天线的宽角扫描特性。文献[5]将反射面表面划分为网格，通过优化反射面上网格点在抛物面焦轴方向上的变形获得赋形波束。文献[6]采用了Minimax算法对发射面进行了赋形优化设计，实现了星载反射面数传天线的波束赋形。文献[7]利用几何光学方法通过优化口径场的分布间接获得赋形反射面。
本文设计了一种工作于Ka频段的双圆极化环焦天线，反射面采用直接展开法对环焦天线进行赋形设计，提高了天线效率及波束内增益。该天线相对工作带宽大于10%，双圆极化工作，轴比小于1 dB，极化隔离度小于-26.5 dB，可满足卫星系统对天线的需求。
环焦天线[8]因其焦点的轨迹是一个圆环而得名，国外通常叫抛物线焦轴偏移对称双反射面天线，最早是由J.L.Lee提出的。该天线克服了初级馈源的波纹喇叭所引起的遮挡大于副镜造成的次级遮挡、副镜反射对馈电系统影响的缺点，具有紧凑的小型反射面、低旁瓣化和高极化鉴别率的优点，因此在星载天线中有着独特的应用地位[9]。
副反射面是椭球的环焦天线如图1所示。
O是馈源的相位中心,又是椭圆的一个焦点，位于环焦天线的对称轴AA′上；BP是主抛物面的母线；O′是抛物线的焦点，又是椭圆的另一个焦点，且OO′与AA′轴有一定的夹角，称为焦轴偏移；T是副反射面在AA′轴上的顶点；M是椭圆的另一个顶点。BP绕AA′旋转形成主反射面的抛物面，TM绕AA′轴旋转形成副反射面的椭球面，这样焦点O′绕AA′旋转形成一个焦环，故称为环焦天线。
1.1 馈源喇叭仿真设计
气瓶水压试验
馈源喇叭是反射面天线系统的核心部件，馈源喇叭辐射方向图的对称性主要影响反射面天线的效率和交叉极化性能，因此馈源喇叭的选择和设计是决定整个天馈系统性能的关键。波纹喇叭在宽频带内可获得轴对称波束和低旁瓣,同时可以将交叉极化分量抑制在-30 dB以下，结合技术指标综合考虑选择波纹喇叭作为环焦天线的馈源。大张角波纹喇叭与一般波纹喇叭相比，有以下显而易见的优点：
乌氏粘度计原理① 大张角波纹喇叭的主极化方向图主要由张角决定，而不是由口径尺寸决定；
② 大张角波纹喇叭的相位中心基本维持在顶点，即其相位中心在频率变化时维持不变。
根据经验公式[10]得到大张角波纹喇叭的仿真模型如图3所示，结构参数主要有：喇叭半张角为30°,口径为37 mm,馈电端直径12 mm，波纹数目为4个，结构剖面如图2所示。
采用HFSS仿真软件对喇叭进行仿真，在中心频点的方向图如图3所示。
1.2 圆极化器仿真设计
隔板式圆极化器[11]由于结构紧凑，易于一体化加工，体积小和重量轻等特点被广泛应用于波导组成的天馈系统中，其最显著的一个特点就是将功分、移相和正交分离/合成同时实现。隔板极化器采用输入端口为矩形波导，输出端口为方波导，仿真模型如图4所示。它是在方波导中插入具有台阶的金属隔板实现圆极化的，通过调整台阶区域隔板的长度和宽度，从矩形波导口输入的TE10模功率通过台阶后一分为二，转换成共用方波导中2个正交的TE01和TE10模。对于TE10模，从矩形波导到隔板区域其传输常数几乎不变；而对于TE01模,隔板区可以看成是鳍形或是脊形波导，它的传播常数与隔板阶梯的宽度和长度有关。通过调整隔板的长度和宽度，使得入射信号在经过整个隔板后，2个模式幅度相等、相
位差90°，形成圆极化波，并保证输入端口具有良好的匹配特性和输入端口间的高隔离度。结构如图5所示。
1.3 环焦天线仿真设计
根据环焦天线几何结构[12]，只要确定焦距直径比τ、主反射面直径D、副反射面直径Ds和副反射面半张角，根据公式可求得所有环焦天线参数[13]：
，
，
，
根据上述公式可求得环焦天线的离心率e、放大系数M、馈源相位中心到副反射面的距离OT等，即可确定环焦天线的结构。
为了提高效率及改善交叉极化电平，本文采用反射面直接展开法对环焦天线进行赋形设计，反射面直接展开法主要是采用特殊函数展开式来表示反射面表面的形状，将展开式系
数作为优化参数，直接进行反射面赋形。该方法正交全局展开式可选三角函数展开式、贝塞尔函数展开式和傅里叶级数等，最终的形成的反射面是光滑连续的，边界定义严格且具有一阶连续导数。本文对主、副反射面的赋形采用二项式展开，主、副反射面的展开式为Z=a0+a1X+ a2X2+ a3 X3+a4 X4，工程设计时，为了提高设计效率，采用商用仿真软件FEKO，通过对主、副反射面展开式中的a0、a1、a2、a3和a4的值进行优化，得到满足设计指标要求的双反射面天线。经过优化，得到主反射面的曲线方程
绕Z轴旋转360°而成。副反射器的曲线方程为：
Y= -14.038-0.6093X+0.01197X2-8.03902×10-5X3+
3.95726×10-7 X4 (0≤X≤60),
绕Y轴旋转360°而成。
反射面天线赋形前后在中心频点的方向图对比如图6所示，可见，通过对反射面赋形设计，天线的最高增益在原来基础上提高了0.4 dB左右， 3 dB波束宽度由1.49°展宽到1.58°，第一副瓣电平降低1.8 dB。可见通过对主、副反射面赋形设计可提高天线效率，增加波束内
增益，进一步提升天线性能。
因左旋圆极化端口与右旋圆极化端口具有对称性，因此仅给出典型频点fm的左旋圆极化增益方向图如图7所示，轴比方向图如图8所示。
仿真3个频点(f-、fm、f+)统计结果如表 1所示。从上述仿真结果可见，该天线最高增益在工作频段内大于38.5 dB，在±0.7°波束范围内的增益大于36.5 dB，轴比在±1°范围内小于0.5 dB，极化隔离在波束范围内小于-30 dB，可满足设计要求。
为了保证天线能够在空间环境中可靠工作，需通过对真空高低温条件下热力学分析，得到极限温度下变形情况，从而分析出极限形变状态下的电性能变化情况，考虑天线应力释放措施，确定该天线结构方案的可行性，进一步指导产品的环境试验方案实施。
2.1 热变形仿真输入
反射面天线中，主反射面材料为碳纤维和铝蜂窝的夹层结构，碳纤维选用M40J，副反支撑杆也为碳纤维材料。喇叭、极化器及波导均采用铝合金材料，表面导电氧化处理。
根据天线产品工作环境温度要求，主反射面天线的工作温度范围为-110～+110 ℃，其余部件工作温度为-90～+100 ℃。
2.2 热分析
结构热变形和热应力分析是以热分析得到的温度场分布作为载荷输入条件，一般仅以最恶劣的瞬间温度条件作为分析载荷的输入，并且认为结构的热变形和热应力只与温度载荷的大小和分布有关，而与加载的路径和方式无关。对于实际的天线结构，材料的使用一般限制在线弹性范围内。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议