双反射面天线偏焦问题的解决方法分析

张 旺,王黎莉,闫 丰

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081;2.中国交通通信信息中心,北京100011)

0 引言

大型双反射面天线在卫星通信、深空探测和射电天文等领域有着广泛的应用,同时这些领域对天线的性能有着较高的要求,然而天线馈源偏焦会导致天线性能的恶化,因此解决天线馈源偏焦现象就成了一个迫切的问题。文献[1]中提出,寻找天线变形曲面的最佳吻合反射面需要将馈源移动到新的焦点处来形成新的天线系统,这就需要采用自动调焦机构,然而对于大型反射面天线而言,馈源一般位于中心体套筒上,而中心体套筒较重,这样就会导致移动馈源采用的自动调焦机构会比较庞大、复杂;不采用自动调焦机构,馈源就不能移动到新的焦点位置而仍在原焦点处,这样使得新的天线系统存在偏焦现象[2]。

1 横向偏焦分析

如果馈源沿着垂直于轴线的方向移动,即天线焦点发生变化,就会造成反射波的波阵面对口径倾斜及方向图主瓣最大值偏离口径平面法线方向,这种移动称为馈源的横向偏焦[3]。

馈源横向偏焦如图1所示。

图1 馈源横向偏焦

设横向偏焦量为Δx,从图1可见,射线1到抛物面口径上的路程长度F′MM′为:

偏焦不大时,Δx＜＜f,α角很小,有下述关系:

将式(2)、式(3)代入式(1),并忽略小项可得:

根据抛物面的性质,从焦点F到抛物面口径上任一点的光程为常数(f+z10),则偏焦引起的相位偏差为:

在抛物面边缘其值最大,即

同样可以求得射线2在抛物面边缘的最大相位偏差为:

为了使方向图畸变不大,限定最大相位偏差不得超过π/4,则所允许的馈源最大偏焦为:

2 横向偏焦对天线性能的影响

以65 m射电望远镜天线为模型,文献[1]中计算的结果发现馈源的偏焦主要是横向偏焦,焦点最大偏移量为200 mm。通过GRASP软件分别计算了X频段天线的理论方向图及偏焦方向图,计算结果对比如图2所示。

图2 X频段理论与偏焦辐射方向图

通过X频段理论与偏焦辐射方向图的计算结果对比发现:天线馈源偏焦导致了天线主瓣指向发生偏移,与理论设计指向偏差0.068°;导致了天线第一旁瓣电平发生变化,一侧的电平降低,另一侧电平升高,由理论设计的(-23.72,-23.72)变为(-19.14,-29.32);导致了天线增益降低,与理论设计相比损失了0.14 dB。

产生上述现象的原因是由于馈源偏焦造成了天线口面上出现线性相位偏差和立方律相位偏差。线性相位偏差使方向图主瓣向与馈源偏焦方向相反的一侧偏移;立方律相位偏差使方向图主瓣向另一侧偏移一个较小的角度。合成的结果是使方向图主瓣向与偏焦方向相反的一侧偏移一个角度,同时方向图变的不对称,在主瓣偏移一侧副瓣电平降低,另一侧电平升高[4]。

计算65 m天线不同工作频段在馈源最大偏焦时的第一旁瓣和增益损失,计算结果如表1所示。

表1 偏焦方向图的变化结果

由表1偏焦方向图的变化中可以发现:随着天线工作频段的不断提高,馈源偏焦所引起的增益损失越来越大,同时第一旁瓣不对称性也越来越大。

3 偏焦问题解决方法分析

3.1 寻找新的吻合面

除了最佳吻合反射面外,在变形曲面附近还有无穷多个满足等光程条件的吻合面,只不过其与变形曲面的偏差较大,即主面精度较差。因此要在主面精度和馈源偏焦量之间做一个折衷处理,通过计算寻找了馈源偏焦35 mm的吻合面,此时主面精度恶化了0.2 mm。分别计算了天线工作于X频段时在2种偏焦情况下及理论设计的辐射方向图,计算结果如图3所示。

计算结果表明:新的吻合面第一旁瓣为(-22.75,-24.83),相比最佳吻合反射面第一旁瓣(-19.14,-29.32),其对称性改善较大;新吻合面波束偏移0.012°,相比最佳吻合反射面波束偏移0.068°有所改善;考虑馈源偏焦和主面精度对天线增益的影响,通过计算发现新吻合面较最佳吻合反射面增益损失大0.08 dB,相对较小。因此,该方法可以改善馈源偏焦过大的问题。

图3 X频段2种偏焦及理论设计方向图

3.2 偏转副反射面

馈源横向偏焦造成了主副反射面同轴而与馈源不同轴,可以将副面向馈源方向偏转一个角度,同样也可以改善天线的辐射方向图。

馈源偏焦200 mm时,将副反射面偏转一个角度,通过GRASP软件计算了此时X频段的辐射方向图并与理论设计辐射方向图、馈源偏焦辐射方向图做了对比,仿真计算结果如图4所示。

图4 偏转副反射面的辐射方向图

计算结果表明:馈源偏焦时主波束偏移0.068°,第一旁瓣电平(-19.14,-29.32),增益损失0.14 dB;在此基础上偏移副反射面后主波束偏移0.077°,第一旁瓣电平(-22.97,23.23),增益损失0.11 dB。因此,通过偏转副反射面的方法,第一旁瓣电平对称性改善较大,增益损失减少,可以改善馈源偏焦过大的问题。

4 结束语

通过对横向偏焦问题的分析,较为详细地推导了馈源横向偏焦的表达式。结合65 m天线实例仿真了馈源偏焦对天线电气性能的影响,并提出了解决馈源偏焦问题的2种方法,为65 m天线工程设计提供了理论依据和指导,必将大幅减少天线调试的工作量。

[1]闫 丰,杜 彪.赋形卡式天线最佳吻合反射面的计算方法[J].无线电工程,2011,41(3):38-40.

[2]朱钟淦,叶尚辉.天线结构设计[M].北京.国防工业出版社,1998:210-214.

[3]魏文元,宫德明,陈必森.天线原理[M].西安:西安电子科技大学出版社,1985:262-267.