X/Ka双频段宽带极化扭转卡塞格伦天线设计

马世娟，王　建，李　敏，刘华涛

(电子科技大学 电子工程学院，　成都 611731)



X/Ka双频段宽带极化扭转卡塞格伦天线设计

马世娟，王建，李敏，刘华涛

(电子科技大学 电子工程学院，成都 611731)

摘要：针对标准卡塞格伦天线因馈源口径、副反射面以及支杆遮挡而导致的增益较低和副瓣电平较高的问题，文中设计了一种极化扭转变形卡塞格伦天线，通过副反射面的波选择功能、主反射面的90°极化扭转功能最大限度地降低了副反射面及支杆的遮挡效应。针对主、副反射面结构复杂的情况，采用等效介电常数的方法简化仿真模型。首先，利用电磁仿真软件CST对副反射面的反射率和透射率、主反射面的极化扭转特性进行仿真分析。然后，利用电磁仿真软件FEKO对天线主、副反射面进行总体设计仿真优化分析。最后，实测的天线工作绝对带宽为2 GHz，上、下边频以及中心频点和方向图的副瓣均小于-20 dB，且实测结果与理论计算及FEKO仿真结果较为一致。

关键词：双频段；宽频带；极化扭转；卡塞格伦天线

0引言

卡塞格伦天线是一种双反射面天线，因其增益高、口径效率高、波束窄、噪声低、设计灵活、结构简单等特点被广泛应用于雷达系统中[1]。但由于其副反射面、馈源以及支杆遮挡效应，导致副瓣电平上升、增益下降。双频段极化扭转技术在一定程度上解决了卡塞格伦天线副反射面遮挡问题，改善了因抛物面反射波引起的馈源失配的问题[2]。

文献[3]利用极化扭转反射器对传统卡塞格伦天线做了改进；文献[4]采用模式匹配的方法将入射波分成TE波和TM波模式，对栅条的反射和透射进行了分析，实现了90°极化扭转；文献[5-6]利用填充介质的方式对卡塞格伦天线进行分析，在考虑介质损耗的情况下，给出了W波段天线方向图，其副瓣电平约为-15 dB；文献[7]设计了3 GHz与9.5 GHz双频段极化扭转的反射板结构，并未提及工作带宽；文献[8-9]设计了工作在93 GHz，直径为200 mm的扭转极化反射面天线；文献[10]设计了工作于3 mm波段的天线系统。

根据极化扭转卡塞格伦天线的基本原理，本文设计了X/Ka双频段、宽频带极化扭转变形卡塞格伦天线。利用电磁仿真软件CST对设计的卡塞格伦天线进行仿真分析，其副反射面对水平极化波的反射率为98%、对垂直极化波的透射率为98%，主反射面对水平极化波的极化扭转效率为99%。鉴于主、副反射面结构复杂的情况，在仿真优化时，采用等效介电常数的方法简化仿真模型，并利用电磁仿真软件FEKO对天线主、副反射面进行总体设计优化分析。天线实测结果与理论计算结果以及仿真分析结果基本一致，该天线的工作带宽为2 GHz，和方向图副瓣电平小于-20 dB，差方向图零深小于-30 dB，零点漂移为0°。

1天线结构

为了降低卡塞格伦天线副瓣电平，利用双曲线的右半支作为副反射面对标准卡塞格伦天线副反射面结构进行改进，设计了极化扭转变形卡塞格伦天线，主反射面由45°斜置金属栅条、全反射面、蜂窝、蒙皮等组成，其中，45°斜置金属栅条用于实现极化扭转。副反射面由水平放置金属栅条、蜂窝、蒙皮等组成，其中，水平放置的金属栅条用于实现极化选择，其结构如图1所示。

图1　极化扭转变形卡塞格伦天线结构

来自馈源的水平极化波被由金属栅条组成的副反射面反射后到达主反射面，然后经过极化扭转辐射到空中。水平极化波经副反射面反射后，在主反射面分解为与金属栅条呈水平与垂直的两个相等分量，垂直分量经全反射面反射后引入λ/2波程差，从而与水平分量合成垂直极化波，并透过副反射面辐射到空中。

2副反射面结构

副反射面由金属栅条、蜂窝、蒙皮等组成。其中，金属栅条水平放置，使其与馈源辐射的电磁波的极化方向一致，用于实现极化选择，即极化方式与金属栅条平行的电磁波将被反射回去实现全反射，极化方式与栅条垂直的电磁波将透过副反射面实现全透射。副反射面的结构如图2所示。

图2　副反射面结构示意图

副反射面的蜂窝结构是一种周期性介质材料，为简化仿真分析，将蜂窝结构等效为一种均匀介质，并根据自由空间法介电常数测试理论来计算蜂窝介质等效成等尺寸的均匀平板时的介电常数[11]。蜂窝结构的等效介质板介电常数为ε=1.065(1-j0.002 5)，蒙皮的等效介质板介电常数为ε=3(1-j0.03)。

根据工程设计要求，副反射面的蜂窝厚度为6 mm，内蒙皮厚度为0.4 mm，外蒙皮厚度为0.2 mm。考虑到加工工艺以及金属栅条直径对垂直极化波透射率的影响，金属栅条半径为0.01 mm。各介质材料尺寸参数如表1所示。

表1　各介质材料参数及尺寸

根据表1所示的副反射面各介质材料尺寸参数，建立简化的CST仿真模型，如图3所示。

图3　副反射面CST仿真模型

利用CST仿真的金属栅条间距d对X/Ka波段中心频点的反射率与透射率关系如图4所示。

图4　X/Ka波段中心频点电磁波的透射率和反射率

由图4可以看出：X/Ka波段水平极化波的反射率和垂直极化波的透射率变化较为平缓，金属栅条间距在此范围内的极化选择效果比较理想。当金属栅条间距为0.5 mm时，副反射面对X/Ka波段水平极化波的反射率分别为99.8%与98.2%，副反射面对X/Ka波段垂直极化波的透射率分别为98.5%与97.9%。由此可见，设计的副反射面对电磁波的极化选择效果较好。

3主反射面

3.1主反射面结构

主反射面由金属栅条、全反射面、蜂窝、蒙皮等组成，其中，金属栅条与馈源辐射水平极化波呈45°夹角放置，用于实现极化扭转，其结构如图5所示。

图5　主反射面结构示意图

3.2极化扭转仿真分析

极化扭转效率Pc定义为极化扭转波功率与入射波功率的比值。金属栅条与其后面的金属导体平面之间的距离决定水平极化电场入射前后相位差的大小，直接影响极化扭转效率，选择合适的蜂窝厚度至关重要。利用CST仿真软件对主反射面的极化扭转特性进行仿真优化分析，主反射面中的蜂窝结构仍等效为均匀介质，入射波用水平极化的平面波。

利用如图6所示的模型作为能够产生极化扭转仿真模型，同时建立一个与图6尺寸完全一致，仅将模型中的两层金属栅条去掉的对比模型，用以比较两个模型在入射波均为水平极化波的情况下，在输入口所得到的极化波波形情况。其中，不含金属栅条模型所得仿真结果如图7所示，含有金属栅条模型所得仿真结果如图8所示，图中虚线表示输入水平极化波经过反射面反射后在入射口得到的垂直极化波；实线表示输入水平极化波经过反射面反射后在输入口得到的水平极化波。

图6　主反射面CST仿真模型

图7　不含金属栅条时模型的极化扭转效率

图8　含金属栅条时模型的极化扭转效率

由图7所示的不含金属栅条模型的仿真结果可以看出，入射到模型表面的水平极化波经金属反射面反射后，在输入口的水平极化波的量约为98%，垂直极化波的量约为2%。而由图8所示含有金属栅条模型的仿真结果可以看出，极化扭转效率变化较大。以中心频点为列，入射到模型表面的水平极化波经金属反射面反射后，在输入口的水平极化波约为4%，垂直极化波的量约为96%。由此可见，含有金属栅条的极化扭转模型可以实现极化扭转功能，且极化扭转效率较为理想。

经过仿真优化后的X/Ka波段水平极化波的极化扭转转化比如图9所示，其中，入射角度表示水平极化波偏离水平面的角度。

图9　X和Ka波段极化扭转化比

由图9可以看出，当入射角为0°，即水平极化波与金属栅条呈45°时，X和Ka波段水平极化波的极化扭转效果最好，分别达到98.4%与95.8%。

4仿真与测试

为简化FEKO软件仿真模型，根据等效抛物面法，利用如图10所示的单反射面天线结构等效图1所示的双反射面天线结构，此时天线馈源置于等效抛物面单反射面天线的焦点O处。根据图11所示的反射面直径为1 m的实际卡塞格伦天线，计算的等效抛物面的焦距为561 mm，馈源采用X/Ka波段宽频带的馈源。

图10　天线等效仿真模型

图11　天线实物

以X波段的下边频、上边频及中心频为例，利用如图11所示的极化扭转卡塞格伦天线，在距离天线100 m和200 m处，对天线的方向图进行测试分析。X波段三个频点的方位面与俯仰面的和波束归一化方向图如图12~图14所示。

图12　X波段下边频和波束归一化方向图

图13　X波段中心频点和波束归一化方向图

图14　X波段上边频和波束归一化方向图

下边频、上边频及中心频的天线测试增益分别为36.11 dB、36.34 dB与36.94 dB，满足天线设计指标要求。以中心频为例分析理论计算、FEKO仿真与实测结果，方位面的和波束3 dB波瓣宽度分别为1.90°、1.91°与2.27°，俯仰面的分别为2.10°、2.13°与2.53°。方位面的副瓣电平分别为-19.5dB、-19.0dB与-28 dB，俯仰面的副瓣电平分别为-25.0 dB、-24.0 dB与-30 dB。

X波段三个频点的方位面与俯仰面的差波束归一化方向图如图15~图17所示。

图15　X波段下边频差波束归一化方向图

图16　X波段中心频点差波束归一化方向图

图17　X波段上边频差波束归一化方向图

由图15~图17可以看出，X波段三个频点的方位面与俯仰面的零深测试结果均小于-30 dB，零点漂移均为0°。

由图12~图17可以看出，各频点和、差波束归一化方向图曲线的理论计算与FEKO仿真结果有一定的差异，这是由于FEKO软件采用基于高阶基函数的矩量法，且包含丰富的高频算法，而理论计算采用口径场法，从而导致理论计算与FEKO仿真的和、差波束归一化方向图具有一定的差异。并且，在FEKO仿真时，采用等效抛物面法将极化扭转卡塞格伦天线等效为单反射面天线，并将馈源模型与天线组合成整体进行仿真，此时馈源的遮挡效应也对方向图有一定的影响。

5结束语

本文设计的具有波选择功能的副反射面、90°极化扭转功能的主反射面最大限度地消除了副反射面及其支杆的遮挡效应。测试结果表明：设计的卡塞格伦天线X波段增益大于36 dB，绝对带宽可达2 GHz。和波束3 dB波瓣宽度方位面小于2.60°，俯仰面小于2.73°。副瓣电平小于-20 dB。差波束方位面与俯仰面的零深测试结果均小于-30 dB，零点漂移均为0°，与理论计算、仿真分析结果较为一致，各项指标满足天线设计要求。

参 考 文 献

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马世娟女，1989年生，硕士研究生。研究方向为天线理论分析与设计。

王建男，1956年生，教授。研究方向为天线理论与技术、计算电磁学、微波测量理论与技术等。

李敏男，1989年生，硕士研究生。研究方向为天线理论与设计、反射面天线的设计与研究。

刘华涛男，1989年生，硕士研究生。研究方向为天线理论分析与设计。

·电子对抗· DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.11.018

·收/发技术· DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.11.015

Design of X/Ka Dual-band and Wide Band Polarization-reversed

Cassegrain Antenna

MA Shijuan，WANG Jian，LI Min，LIU Huatao

(School of Electronic Engineering,

University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731 China)

Abstract：In order to solve low mainlobe gain and high sidelobe gain of the standard Cassegrain antenna, which is introduced by the feed aperture, vice-reflector and strut shielding effect, a polarization-reversion and deformational Cassegrain antenna is proposed in this paper. The shielding effect of vice-reflector and strut is greatly reduced by the polarization selection of the vice-reflector and polarization-reversed of main-reflector. Based on the effective permittivity method, a simple simulation model is established to reduce the structure of the main-reflector and vice-reflector. The reflectivity and transmittance of vice-reflector and polarization-reversed rate of main-reflector are analyzed by the electromagnetic simulation software CST. The design of main-reflector and vice-reflector are analyzed and optimized by the electromagnetic simulation software FEKO. Compared with the results of theoretical calculation and simulation, the test results of the designed polarization-reversed Cassegrain antenna has a similar performance that the bandwidth is 2 GHz, and the sidelobe level of sum pattern is below -20 dB.

Key words：dual-band; wideband; polarization-reversed; Cassegrain antenna

收稿日期：2015-07-24

修订日期：2015-09-30

通信作者：马世娟Email：msj111111@126.com

中图分类号：TN823+.28

文献标志码：A

文章编号：1004-7859(2015)11-0064-05