一种新赋形数传天线的工程设计研究

白向龙，符建明

（1.上海航天电子技术研究所，上海 201109；2.上海宇航系统工程研究所，上海 201109）

0 引言

我国境内的低轨道卫星地面接收站受卫星经过中国上空时间限制，星地间连续数据一次可传输时间最多仅十多分钟。为尽可能延长传输时间，要求低轨道星载数传天线波束覆盖卫星在地球上的整个可视范围。但受地球曲率影响，信号至星下点的距离与至覆盖边缘的距离相差较大，路径引起信号的空间衰减各异。若用一般辐射球形波束天线，为保证覆盖边缘有足够的信号电平，会造成星下点信号能量的巨大浪费。因此，低轨道星载数传天线要求具有与地球形状匹配的波束，有效利用和节约星上能量。目前，已出现多种星载赋形数传天线，但使用条件和适应范围不同。如由螺旋天线制成的数传天线一般只能配备给工作频率在X波段以下、工作带宽窄和输出功率十多瓦的发射机，不适于作为高速数传天线；波导喇叭和裂缝阵形成的赋形数传天线，周向辐射不均匀，轴比大、加工复杂，用作高速数传天线时不能令人满意。随着平台天线的尺寸、布局、电性能的要求愈发严格，设计了一种新赋形数传天线，由圆波导辐射器和电流环天线组成，结构简单，尺寸小，电性能好，但其结构尺寸参数需由实验摸索而得，缺乏理论支撑，推广应用受到一定限制。国外对处在均匀场中的环天线的感应电流进行了理论推导，但未与圆波导辐射器结合分析。针对这种新赋形数传天线的分析方法，本文对该天线的工作原理进行了分析，并讨论了波瓣宽度、增益与天线结构尺寸间的关系。

1 圆波导辐射器辐射远场分析

对圆波导辐射器的研究主要基于对圆波导辐射器辐射远场的解析表达式的分析推导。圆波导辐射器如图1所示。通过已知波导内场，转换成求解波导外的电磁辐射场问题。通常，圆波导中选择TE11模为工作主模，即圆波导作为辐射器其内场是确定的，利用等效原理得到圆波导辐射器外部的辐射场。设圆波导内电磁场为E1，E2，圆波导壁和口径面组成封闭面S。若将内场源取消，内场V1存在一个任意无源场E，H，在S面外空间V2中保持原来场E1，E2，这时S面两侧的场不连续，S面上必定存在面电流和面磁流。E，H＝0时，等效场源为

式中：N为法向矢量。此即LOVE等效原理，假设圆波导外壁上无电流或电荷，只认为圆波导口径面上的电流、磁流为激励外空间场的等效激励源，由口径面上等效电流、磁流分布可推导出辐射远场解析表示式［1］。圆波导辐射器的辐射远场解析表达式为

2 环天线辐射远场分析

新赋形数传天线中，圆环中心置于圆波导轴线上，用圆波导辐射远场作为环天线的激励源，环天线上每点所在的电磁场强度相同，引起的感应电流等幅同相，电流被束缚于导线环上，其矢量位只有Aφ（沿导线环切向分量），其他分量Aθ＝Ar＝0。将导线环视作由无限个小偶极子构成，为便于分析，取环直径两端的两段为一对偶极子，经积分推导可得环天线辐射远场

图1 圆波导辐射器Fig.1 Circular waveguide radiator

式中：任意半径a的圆环辐射至很远距离r处的电场；μ为自由空间的磁导率；w为电磁波频率；I为环上电流的幅值；J1（βasinθ）为贝塞尔函数［3］。

3 圆波导和圆环组合天线

3.1 辐射远场表达式推导

在圆波导口径面上方放置一共轴金属圆环，如图2所示。圆波导中传输TE11模，可视为一圆波导辐射器，在输出口上半部空间形成辐射，处在圆波导辐射场中的圆环本身不加载电流，而是在圆波导辐射场中感应生成电流，电流沿圆环流动，形成一圆环天线。圆波导辐射器的辐射场和圆环天线的感应辐射场在空间叠加，从而形成赋形天线的辐射方向图。

图2 圆波导辐射器与环天线组合Fig.2 Combination of circular waveguide radiator and ring antenna

3.1.1 环电流计算

电流环处在圆波导辐射器辐射场中产生散射场，设r1为电流环半径；d1为圆环中心至圆波导口径面中心的直线距离；θ为电流环上任意点在球坐标中θ轴的坐标；Eφ为此点处电场的φ分量，该分量为沿电流环的切向分量。根据圆波导辐射场，可算得

在电流环的表面满足切向分量为零，即

式中：为环上感应电流产生的散射场。感应电流束缚在电流环上，故感应场只有切向分量。根据对称性，环上电流满足

式中：（φ）为环上产生的感应电流［4］。

由文献［5］，推导可得

求解（9），得

式中：C1，C2为任意常数；Ps为特殊积分函数。根据边界条件，得

3.1.2 组合天线辐射场和增益

当圆波导辐射器前方加入电流环后，圆波导辐射器与环互相耦合，圆波导辐射器将部分能量传递给电流环。圆波导辐射器的口径面电流分布必发生变化，圆波导的辐射场也随之而变。为方便分析，对圆波导辐射器的辐射场作一个近似处理。设圆波导辐射器的总入射功率为P0，加入电流环后，电流环从圆波导辐射器分得散射功率为P1，则圆波导辐射器的辐射功率

前后圆波导辐射器辐射功率比值

根据场叠加原理将叠加圆波导辐射器、环天线的辐射远场，得组合天线辐射远场和增益分别为

式中：U（θ，φ）为辐射强度；η为自由空间的特性阻抗。

3.2 Ansoft仿真与理论值比较

根据组合天线增益公式，在圆波导半径a＝13.9mm，圆环半径r1＝λ／4，电流环距离圆波导口径面为λ／4，λ／2条件下用 Matlab软件计算组合天线增益，并与HFSS仿真软件分析结果比较。此处：λ为工作波长。结果分别如图3、4所示。

图3 计算与仿真增益结果（d1＝λ／4，r1＝λ／4）Fig.3 Results of calculated and simulated gain（d1＝λ／4，r1＝λ／4）

图4 计算与仿真增益结果（d1＝λ／2，r1＝λ／4）Fig.4 Results of calculated and simulated gain（d1＝λ／2，r1＝λ／4）

由图3、4可知：Matlab仿真的天线增益方向图的主瓣与HFSS仿真结果吻合较好，但旁瓣差异较大。这是因为天线HFSS仿真考虑了支撑电流环的介质骨架对天线增益方向图的影响。

3.3 实测与理论值比较

为验证推导出的解析式正确性，在C，X波段设计制造了两个模型天线。C波段模型天线由端射式同轴转圆波导、标准圆波导段、聚酰亚胺骨架、电流环组成，电流环固定在聚酰亚胺骨架上。为便于验证，电流环与圆波导口径面垂直距离d1设计为可调，圆波导段内径a＝26mm，圆环半径r1＝λ／4，圆环导线直径2mm。X波段模型天线由端射式同轴转圆波导、标准圆波导段、聚酰亚胺骨架、电流环组成，电流环固定在聚酰亚胺骨架，d1设计为可调，a＝13.9mm，r1＝λ／4，圆环导线直径1mm。两副天线增益方向图的测试结果分别如图5～7所示。

图5 计算与实测增益结果（d1＝λ／4，r1＝λ／4）Fig.5 Results of calculated and measured gain（d1＝λ／4，r1＝λ／4）

由图5～7可知：两副天线增益的实测曲线同理论计算曲线的主瓣吻合较好，但旁瓣的差异较大，表明介质骨架对天线的远场辐射特性产生一定影响。

3.4 规律分析

综上所述，对不同环径和距离的辐射方向图进行计算分析，根据不同的赋形波束要求快速确定此类天线设计参数和调试方法，规律归纳见表1。

表1 规律归纳Tab.1 Rule concluded

图6 计算与实测增益结果（d1＝λ／2，r1＝λ／4）Fig.6 Results of calculated and measured gain（d1＝λ／2，r1＝λ／4）

图7 计算与实测增益结果（d1＝3λ／4，r1＝λ／4）Fig.7 Results of calculated and measured gain（d1＝3λ／4，r1＝λ／4）

4 结束语

本文对圆波导辐射器和电流环的组合天线进行理论分析，讨论此类天线的性能与结构参数间的变化规律，为工程设计和性能调试提供参考。但理论计算中忽略骨架对天线电性能的影响，实际天线设计中还需考虑骨架对组合天线电性能的影响。

［1］ 楼仁海，符果行，袁敬闳.电磁理论［M］.成都：电子科技大学出版社，1996.

［2］ 朱守正，安同一.天线理论与设计［M］.北京：人民邮电出版社，2006.

［3］ 魏文元，宫德明，陈必森.天线原理［M］.北京：国防工业出版社，1985.

［4］ CHEN K M.Minimization of backscattering of a loop by impedance loading-theory and experiment［J］.IEEE Trans Antennas and Propagation，1968，AP-16：299-304.

［5］ J L L.The backscattering from two identical circular loops［J］.IEEE Trans Antennas and Propagation，1969，AP-17：817-820.

［6］ CHEN K M，LIN J L，VINCENT M.Minimization of backscattering of a metallic loop by impedance loading［J］.IEEE Trans Antennas and Propagation，1967，AP-15：492-494.