新型宽带馈源的设计方法

刘 超，赵东贺，耿京朝

（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.射电天文技术联合实验室，河北 石家庄 050081）

新型宽带馈源的设计方法

刘 超1，2，赵东贺1，2，耿京朝1，2

（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.射电天文技术联合实验室，河北 石家庄 050081）

提出了一种新型宽带馈源的建模方法，利用此方法能方便地对各个频段的宽带馈源建立仿真模型。利用该建模方法设计了2－15 GHz宽频带馈源，并利用Ansoft HFSS仿真软件对设计的馈源进行了仿真，给出了馈源在2 GHz，8 GHz和15 GHz的仿真方向图，方向图等化很好，并且具有几乎相等的10 dB波束宽度。加工实物并进行了测试，测试结果良好，验证了设计方法的正确性。该馈源已经应用在射电日像仪CSRH-II期工程中，天线性能优良，满足设计技术指标要求。

宽带馈源；建模方法；仿真模型；方向图等化；波束宽度

0 引言

射电天文学对宽频带天线提出越来越高的要求［1］，不仅要求辐射方向图随频率变化不大，还要求相位中心随频率变化尽可能小。本文设计了一种新型宽带馈源，具有剖面低、频带宽、能实现双线／双圆极化工作、E／H面波束宽度等化好和相位中心不随频率变化等优点，适合应用于射电天文望远镜中［2］。

新型宽带馈源目前在国外、国内均有成功的应用范例，比如瑞典Chalmers大学的Per-Simon Kildal和杨坚课题组研制的Eleven馈源［3］，国内研制的宽带馈源［4］等。鉴于新型宽带馈源的诸多优点，有必要对其特性进行深入研究，同时给出一种快速建模方法也是很有意义的。

1 设计理念

新型宽带馈源采用对数周期结构为单元，与对数周期天线不同的地方在于集合线。采用大张角设计，缩短单个馈源的纵向尺寸，最大限度地减小馈源对反射面天线口径的遮挡。新型宽带馈源保留标准对数周期天线的非频变特性，即当频率f连续变化时，天线的电特性随着频率的对数作周期性变化。对数周期天线由N根折合振子周期性的平行排列在集合线上构成。天线各振子的尺寸和位置与振子的序号有关，按照结构比例因子τ设计排列，满足：

式中，n表示振子的序号，n＝1，2，3…N－1；sn为第n根与第n＋1根振子间的距离，n＝1，2，3…N－1；ln为第n根振子的长度［5］。其中l1为最长振子。

对数周期天线可以在很宽的频带内获得几乎不变的阻抗、方向图和增益值，具有十分优良的宽频带特性。但是，小张角天线的纵向尺寸过大，做反射面馈源使用时往往对反射面天线造成严重的口径遮挡，限制了它在反射面馈源方面的应用；对数周期天线的有效工作区随着频率沿天线的轴向单调地移动，因此对数周期天线宽频带工作时不具有确定的相位中心。

为了克服对数周期天线宽频带工作时，天线的纵向尺寸过大，且相位中心随工作频率的变化而移动等不适合于反射面馈源应用的缺点，设计了以大张角倒置对数周期天线为单元的天线阵列，构造出新型低剖面宽带双极化反射面天线馈源。

2 建模方法

新型宽带馈源的建模分以下几个步骤进行：①选择一组结构周期常数τ和间隔因子σ，根据要求的频率范围以及对数周期天线的计算方法，得到一组振子参数；②调整结构周期常数τ和间隔因子σ使振子间距和距地板高度满足要求；③确定折合振子宽度等其他参数。下面对这几个步骤简要介绍：

2.1 选择τ和σ确定一组振子参数

首先选择一组τ和σ，根据要求的频率范围，根据下列公式确定一组振子参数：

上述式子中的参数分别表示：σ：振子间距因子；τ：周期比；α：振子对于顶点的半张角；Bar：带宽参数；BS：结构带宽；l1，ln：第1根、第n根振子长度；fmax：最高频率；fmin：最低频率；

f0：中心频率；L：集合线长度。对数周期的结构如图1所示。

通过上述公式能确定一组振子长度、集合线长度和间距的参数。

图1 对数周期结构示意图

2.2 调整τ和σ

根据仿真计算分析，在拼阵振子间距取相对应频率的0．5 λ，振子距离地板高度取相对应频率的0．16 λ，低频端振子长度取0．46 λ时，能够保证天线的相位中心位于地板中心［6］，因此新型宽带馈源可以在很宽的频带内实现对称的E、H波瓣宽度、优良的交叉极化特性等，很好满足了反射面天线对馈源指标要求［7］。

为了满足以上尺寸要求，取相对的一对振子组的集合线、地板中心线、高度线所在的平面得到图2［8］。振子与地板的夹角为β，从图2中可以看出tanβ＝0．16／0．25＝0．64，从而得到β＝32．60。集合线的长度为：0．25 λ高频／cosβ。接下来要做的就是通过调整τ和σ使2.1节中计算的L与本节中计算的L相等，则建模的基本参数确定。

图2 截面尺寸图

2.3 建模示例

根据上述建模步骤，建立2～15 GHz的馈源模型，首先根据式：

求得集合线长度为56.6 mm，再调整τ和σ，最后取τ＝0．81，σ＝0．057 5时计算得到L＝56.6 mm。确定了τ和σ后，并有得到的各振子长度、振子间距，选择合适的折合振子的宽度可以建立模型。

3 馈源仿真结果

应用Ansoft HFSS软件对建立的新型宽带馈源模型进行了仿真计算，结合工程应用，计算了圆极化情况下馈源的方向图［9］。图3给出了馈源在频率f＝2 GHz、f＝8 GHz和f＝15 GHz下的仿真方向图。

图3 部分频点仿真方向图

从图3中可以看出，馈源在f＝2 GHz、f＝8 GHz和f＝15 GHz下的10 dB波束宽度变化很小，有良好的宽频带特性。不同频率的10 dB波束宽度如表1所示。

表1 不同频率的10 dB波束宽度

4 馈源实测结果

根据仿真模型，加工了馈源实物，并对其进行了测试。实物如图4所示，部分频点实测方向图如图5所示。

图4 馈源实物图

图5 部分频点测试方向图

从图中可以看出，测试结果和仿真结果基本吻合，验证了建模方法和仿真的正确性。

5 结束语

设计并加工了2－15 GHz宽频带馈源，测试结果良好［10］并得到了工程应用验证；根据介绍的建模方法能够快速准确的建立馈源模型，有着较高的借鉴价值；介绍的设计方法在平方公里阵（SKA）等国际重大项目中都有着广泛的应用，有较高的应用价值。

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Design Method of a New Wideband Feed

LIU Chao1，2，ZHAO Dong-he1，2，GENG Jing-chao
（1.The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China 2.Joint Laboratory for Radio Astronomy Technology，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

A modeling method for a new wideband Feed is presented in the paper.The 2－15GHz wideband feed is designed using this method and it is simulated using Ansoft HFSS software.The simulated patterns for f＝2GHz，8GHz，15GHz are given.The equal E and H pattern they have have almost the same 10dB beam width.At last we manufactured it and tested it，the test result was satisfactory. The feed is used for China Spectral Radio Heliograph（CSRH）array and The performance fulfills application requirement.

Wideband feed；Modeling method；Simulation model；The equal E and H pattern；Beamwidth

TN82

A

1003－3114（2015）06－54－4

10.3969／j.issn.1003－3114.2015.06.14

刘 超，赵东贺，耿京朝.新型宽带馈源的设计方法［J］.无线电通信技术，2015，41（6）：54－57.

2015－07－10

国家重点基础研究发展规划项目计划（973计划）（2013CB837900）；国家自然科学基金国际合作与交流项目（11261140641）；国家国际科技合作专项项目（2012DFB00120）

刘 超（1982―），男，工程师，主要研究方向：线天线设计、宽带馈源设计等。耿京朝（1964―），男，研究员，主要研究方向：天线理论研究、宽带天线、特种天线设计等。