中国电子科技集团公司第三十九研究所 西安 陕西
陕西省天线与控制技术重点实验室 谷越 王珂 尹鹏飞 覃律 710065
摘要：本文提出将馈源与反射面天线整体设计的观点，通过迭代优化得到电小口径LS频段宽带自跟踪天馈系统。该系统接收频段相对带宽为64.3%，跟踪频段相对带宽为4.3%。采用正交模激励、宽带脊波导匹配、轴向槽喇叭、同轴波导TE21模耦合技术，设计L/S频段馈源。采用旋转矩量法和几何光学结合方法，将馈源与反射面天线联合设计，得到电小口径天馈系统。该系统实现了LS频段双圆极化的高效率接收性能及S频段双圆极化高精度跟踪能力。该天馈系统方案具有可搭载平台广泛，应用范围广泛的特点。
关键词：正交模激励、宽带脊波导匹配、轴向槽喇叭辐射、同轴波导TE21模耦合、旋转矩量法、几何光学法
1引言
随着无线电空间信号的接收与跟踪技术的发展，对天馈系统设备的工作带宽，接收信号类型，搭载平台有了更高的要求。常规的宽带接收天馈系统的天线口径都在10米以上，多为固定式系统。随着近年来电磁环境的复杂性提高，信号目标的多样性，导致对接收设备的机动性与隐蔽性的要求更高要求，需要在保证原有系统完整的功能性要求下降低天线口径，具备固定站及机动站的使用要求，实现高性能的技术指标。
本论文将馈源与反射面进行整体设计，提出了电小口径高精度自跟踪宽带天馈系统的一种设计方法。
2反射面天线与馈源喇叭结合设计
2.1反射面天线选择与设计
为了使天线对于任意信号目标具有高精度的跟踪与接收特性，天线必须具备对合作及非合作目标，低速目及高速目标，低轨及高轨目标，近距离及远距离目标等均具有精确跟踪的能力，这就要求天线结构整体的刚性好，转动惯量小，伺服驱动的负载小，因此双反射面系统更占优势。
双反射面天线主要有卡塞格伦天线、格里高利天线和环焦天线[1]。卡式与格式反射面系统的幅面的顶点处为平滑连续的曲线，馈源辐射的电磁波会有一部分直接反射回馈源，引起辐射效率下降。对于电小口径天馈系统来讲，环焦天线优势明显，其幅面顶部较为尖锐，可提供良好的匹配性能，减少二次遮挡效应[2]，标准型环焦天线口面辐射效率在63%以上，因此本方案采用修正型环焦反射面系统作为设计基础。
对于电小口径天线来讲，物理光学法[3]（Physicis Optics Method，PO）的设计方式不能准确的表达设计结果，但是仍然具有一定的设计参考价值，反射面初始参数设计依然采用PO的方式进行。设计初始参数如图所示，馈源照射角取40°，考虑天线需要较短的纵向尺寸，焦径比取0.35，此时天线的纵向尺寸约为1850mm，馈源位置距离天线底部约1500mm，结合天线中心体的尺寸，馈源网络可以完整的放置在天线中心体内。
为了提高天线效率、降低旁瓣，可以在原始天线几何参数的基础上天线的主、副反射面进行赋形。赋形后的双反射面天线效率可提高到70%～75%。
对双反射面天线的主、副反射面进行赋形必须遵守以下条件[4]：
能量守恒定律；
主、副反射面反射定律；
等光程条件。
考虑到天线效率及天线副瓣的要求，本方案设计的口经场分布采用分段函数表达，口径场在主面中心部分分布较均匀，接近主面边缘部分电平值需要陡降。本天线选择从主面半径1000mm处口径场电平值开始下降，至主面边缘处场强值降低至主面中心场强的0.05倍。赋型设计后的主幅面相对位置与标准型主幅面位置的比较如图所示。
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2.2馈源设计
本方案采用纵向槽波纹喇叭[3]，结合同轴波导八壁单孔的TE21模耦合器，实现电小口径，短尺寸的具有单脉冲跟踪功能的高性能辐射器。LS频段接收信号由喇叭至脊波导系统输出，通过LS双工网络以及90°电桥形成双频段双圆极化接收端口。S频段跟踪信号通过S频段跟踪网络耦合出来，形成双圆极化信号输出。
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考虑副面与馈源可作为整体设计，同时考虑现用计算软件的使用功能，可将馈源系统设计分为两各部分，第一个部分是轴向槽多模宽带喇叭的设计，第二个部分是宽带四脊圆波导馈电网络的设计[5]。其中第一个部分的设计将与反射面进行一体化设计，而第二个设计可独立完成。
纵向槽多模宽带喇叭工作频段为L频段f0～f2为数据通道，S频段为f1～f2为数据和跟踪通道。为了f0频段的TE11模能正常工作，该喇叭的直波导段半径取90mm，以保证低频段驻波性能优良，由直波导激励的TE11模，与纵向槽形成的TM11模进行匹配，得到等化的辐射方向图。纵向槽在2~4个时就可以取得良好的等化性能，纵向槽的周期取最高频率波长的1/5，齿厚取波长的1/25。每一个槽深，以及每个周期内槽底之间的距离会影响TE11与TM11的模比与相位，进而影响方向图的等化与交叉极化电平。
本喇叭采用双槽深设计[6]，槽深分别对应L频段与S频段的1/4波长。S频段的跟踪通道通过探针耦合的方式，巧妙的设计在L频段的纵向波纹槽内，形成同轴TE21模跟踪器，极大地缩短了跟踪器的纵向长度。初步设计的喇叭方向在LS频段计算结果如图所示。
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2.3天线反射面与喇叭结合设计
由于本方案为电小口径天馈，因此可以将喇叭、幅面、主面三者视为一个谐振系统，三者之间的位置将会对天线系统的反射损耗，口面场分布等关键指标产生影响。
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电小口径天馈系统的方向图形成原理如图所示。主要影响因素为：1、主面面电流形成的辐射场；2、副面漏射形成的辐射场；3、馈源支撑面上的爬行波引起的辐射场。其中爬行波在幅面与主面之间的谐振，将极大地影响馈源的驻波性能，引起馈源的反射损耗增大，辐射效率下降。
针对喇叭，幅面+喇叭，幅面+喇叭+主面三种组合分别进行了计算，计算结果如图所示。从计算结果可以看出，对于电小口径天馈系统，幅面的存在对天馈系统驻波的影响非常严重，主面对馈电系统的驻波恶化影响较小。
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表1 反射面对反射损耗的影响计算结果
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从计算结果表明，针对电小口径天馈系统，常规设计方法中将喇叭与反射面完全分离设计是一种错误的设计流程。因此针对电小尺寸天馈系统必须采用将喇叭与反射面作为一个整体系统进行设计的思想，才能保证其设计结果真实可信。
通过将喇叭以及反射面的初始设计参数化后，将针对反射面参数，喇叭参数进行迭代优化设计。优化迭代过程如图所示。
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将优化后喇叭与后端网络连接后，连同优化后的反射面系统整体使用HFSS软件进行验证计算，主要针对天馈系统的反射损耗性能进行验证；使用champ软件对优化后的辐射方向图进行计算，验证结果如图所示。
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通过优化设计，喇叭与反射面有机的结合在一起，天馈系统整体反射损耗在使用频段内优于1.5:1，接收方向图效率优于48%，跟踪方向图增益满足设计要求，和差矛盾优于-8dB，零深优于-40dB。
3总结
本论文针对电小口径的超宽带自跟踪天馈系统，提出了将馈源与反射面系统作为整体设计的统一优化思想，采用超宽带紧凑型自跟踪馈源系统，结合赋形环焦反射面系统，实现了覆盖LS频段的宽带自跟踪天馈系统，提升了该系统的整体工作效率，为电小尺寸的超宽带反射面天馈系统的设计提出了一种可行可靠的设计思路。
参考文献
[1] 杨可忠，杨智友，章日荣，《现代面天线新技术》，人民邮电出版社，1993.
[2] 章日荣，杨可忠，陈木华，《波纹喇叭》，人民邮电出版社，1988.
[3] 魏文元，宫德明，陈比森，《天线原理》，西安电子科技大学出版社.
[4] 张天龄，赋形反射面天线及馈源系统研究[J]，西安电子科技大学，2011.
[5] 董宾，韩金林，沈泉，一种性能改进了的大张角四脊型超宽带馈源的研制[J]，电子与信息学报，2014.
[6] Ahmed Akgiray, Circular Quadruple-Ridged Flared Horn Achieving Near-Constant Beamwidth Over Multioctave Bandwidth: Design and Measurement[J]，IFEE Trans., Vol. 61, No. 3, 2013.
作者简介:
谷越 女 助理工程师 中国电子科技集团公司第三十九研究所
王珂 男 高级工程师 中国电子科技集团公司第三十九研究所
尹鹏飞 男 高级工程师 中国电子科技集团公司第三十九研究所
覃律 男 高级工程师 中国电子科技集团公司第三十九研究所