双镜天线的主副镜扩展研究与设计

刘胜文，杜　彪，2，伍 洋，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)



双镜天线的主副镜扩展研究与设计

刘胜文1，杜彪1，2，伍 洋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)

摘要：为了解决现有设计方法在设计天线副镜为中小电尺寸时，天线性能难以达到预期的问题，并进一步提高天线G/T值的目标，研究了反射镜感应电流在副镜、主镜边缘截断对天线辐射性能的影响，分别提出了副镜边缘扩展和主镜边缘扩展2种设计方法，并对2种方法设计的天线进行仿真计算。计算结果显示，2种设计方法有效地改善反射镜边缘电流的连续性，其中副镜扩展设计可用于提高天线的增益，主镜扩展设计可用于提高天线G/T值。

关键词：双镜天线；反射镜扩展；天线效率；G/T值

0引言

双镜天线作为高增益天线，在卫星通信、射电天文、雷达和无线电监测等众多领域获得了广泛的应用。目前，双镜天线的设计主要基于射线寻迹，其主镜和副镜一般设计为光路完全对应的，即由馈源发出的射线，经副镜反射后，均被主镜截获，再经主镜反射后沿天线轴向射出，该方法设计出的天线能够充分利用主副镜的面积，具有良好的电性能[1]。但该方法未考虑电流在副镜和主镜边缘截断造成的影响，因此当反射镜(主要是副镜)电尺寸较小时，难以达到最优的性能。

本文分析了反射镜边缘电流被截断对天线辐射性能造成的影响，据此分别提出了扩展副镜和主镜以提高天线性能的设计方法，仿真结果表明，新的设计方法提高了天线辐射的性能，达到了预期效果。

1副镜散射场的研究

反射面天线的设计主要基于射线寻迹，其假设入射波照射到的反射面电流与入射波强度成正比，而入射波照射不到的地方电流为零[2]。对于副镜边缘，存在电流截断效应，尤其是副镜电尺寸较小时，边缘绕射和电流截断效应更为明显，故导致原有的设计无法实现天线的最优性能。以标准卡式天线副镜为例，针对现有设计方法和本文提出的副镜扩展设计方法，分别计算了副镜散射方向图和天线效率[3](包含口面锥销效率、漏失效率和遮挡效率)。副镜散射方向图如图1所示，副镜的尺寸为6、10和20个波长，照射电平取-12 dB。2种设计方法的天线效率如表1所示。由图1和表1可以看出，随着副镜电尺寸缩小，副镜散射方向图主瓣变窄，副瓣升高，降低了主镜的照射效率和截获效率，影响了整个天线的辐射性能[4，5]；采用了本文提出的副镜扩展设计方法与原有方法相比，天线效率有明显提高，且随着副镜电尺寸缩小，天线效率提高更为显著。

图1　卡式天线副镜散射方向图随频率的变化

副镜电尺寸(λ)天线总效率/(%)扩展前扩展后效率提升/(%)661.4572.4310.981069.7377.858.122072.8879.066.18

下面将针对主、副镜扩展的设计方法和扩展后的实际效果进行研究，给出主、副镜扩展的设计方法，并通过计算验证其有效性。

2副镜扩展研究与设计

2.1　副镜扩展的概念

双反射镜天线设计时，副镜直径大于最大工作波长的20倍，才能把副镜绕射影响忽略，但是在工程应用很难做到[6]。当副镜直径波长比小于20时，副镜就会产生绕射现象，造成了天线性能难以达到预期。针对这种情况，本文提出了副镜扩展设计，如图2所示，该设计缩小了副镜与主镜对应的区域，增加了一个与主镜不对应的区域，保证了副镜边缘电流的连续性，提高了副镜的截获效率，减少了副镜边缘的漏失和绕射。

图2　副镜扩展示意图

2.2　副镜扩展的设计方法

① 根据工程需要选取双镜天线的几何参数：照射角θm、主镜直径D、主镜焦径比F/D和副镜尺寸Ds。

② 根据天线最低工作频率，确定副镜扩展的环形区域的宽度0.5 d，令：

d=k×λ0,

λ0为双镜天线最低工作频率对应的波长，k为实数。

③ 由副镜直径Ds和副镜扩展的环形区域宽度0.5 d，得到副镜与主镜对应区域的直径Dsc，即：

Dsc=Ds-d;

④ 由天线的照射角θm、主镜焦径比F/D、副镜与主镜对应区域的尺寸Dsc，按照几何关系，得到副镜与主镜对应区域的母线。对于赋形天线，可以对主镜母线和与主镜对应区域的副镜母线进行赋形。

⑤ 将副镜与主镜对应区域的母线沿垂直于旋转对称轴方向延伸0.5 d，得到副镜扩展区域的母线，进而得到扩展后的副镜母线。

2.3　设计实例与计算结果

根据2.2节中给出的副镜扩展方法，对标准卡式天线进行副镜扩展，天线主镜直径30 m，焦径比0.3，照射角13°，照射电平-12 dB，副镜直径3 m。k取0~5，利用GRASP[7]软件进行仿真，分别计算不同频率时天线效率(包含口面锥销效率、漏失效率和遮挡效率)如图3所示。

由图3可以看到，天线效率随着副镜扩展逐渐增高；但到达一定值以后呈下降趋势这是因为随着副镜的扩展，与主镜对应区域物理尺寸过小造成的。当d=2.3λ0时，副镜扩展对天线效率的提高效果最好，尤其是在电尺寸较小的天线效率提升明显。

计算的副镜截获效率和天线效率如表2所示。由表2可知，天线副镜扩展后改善了边缘电流的连续性，增加了副镜的截获效率和天线效率。因此，副镜边缘扩展设计可以提高双反射面天线的增益。

图3　副镜扩展后天线效率

频率/GHz副镜尺寸(λ)截获效率/(%)天线效率/(%)扩展前扩展后扩展前扩展后11091.0196.6972.1880.3222093.0498.0575.6981.922.52593.2898.1876.4981.4144093.5398.3377.7080.72

3主镜扩展研究与设计

3.1　主镜扩展的概念

在分米波和厘米波段，地面黑体是天线噪声温度最主要的贡献源[8]，主反射镜边缘的漏失和绕射提高了天线的远旁瓣，增加了天线吸收的地面辐射噪声[9,10]。针对这种情况，本文提出了主镜扩展设计，如图4所示，该设计缩小了主镜与副镜对应的区域，增加了一个与副镜不对应的区域，保证了主镜边缘电流连续，提高主镜的截获效率，减少主镜边缘漏失，以降低天线噪声温度。

图4　主镜扩展示意图

3.2　主镜扩展的设计方法

双镜天线的主镜扩展方法与副镜扩展方法大致相同，步骤如下：

①根据工程需要选取双镜天线的几何参数：照射角θm、主镜直径D、主镜焦径比F/D和副镜尺寸Ds；

②根据双镜天线的最低工作频率，确定主镜与副镜不对应的环形区域的宽度0.5d，令：

d=k×λ0，

式中，λ0为天线最低工作频率对应的波长，k为实数；

③由主镜直径D和主镜扩展的环形区域宽度0.5d，得到主镜与副镜对应区域的直径Dc,即：

Dc=D-d；

④由天线的照射角θm、主镜焦径比F/D、主镜与副镜对应区域的直径Dc，按照几何关系，得到主镜与副镜对应区域的母线，对于赋形天线，可以对副镜母线和与副镜对应区域的主镜母线进行赋形；

⑤保持馈源与副镜不变，将与副镜对应区域的主镜母线沿垂直于旋转对称轴方向延伸0.5d，得到主镜扩展区域的母线，进而得到扩展后主镜母线。

3.3　设计实例与计算结果

根据3.2节中给出的主镜扩展方法，对标准卡氏天线进行主镜扩展，天线主镜直径10 m，焦径比0.4，照射角13°，照射电平-12 dB，副镜直径1 m，K取0～5，利用GRASP软件分别计算不同频率时天线效率(包含口面锥销效率、漏失效率和遮挡效率)如图5所示。

图5　主镜扩展后天线效率

由图5可知虽然主镜扩展牺牲了一定的口径面积，但是由于主镜截获效率的上升，天线效率下降并不明显。当d=2.4λ0时，各个频点天线效率均处于波峰，天线效率略有下降，同时又计算了天线噪声温度与G/T值。假设接收机噪声温度为15 K，天线在各个频点上计算的G/T值如图6所示。

图6　主镜扩展前、后天线的G/T值

由图6可知，主镜扩展后减少了主镜边缘的能量泄露，降低了天线的噪声温度，进而提高了天线的G/T值。

4结束语

以保证反射面边缘电流连续为出发点，分别对副镜和主镜扩展进行了研究，提出的设计方法简单易行，适用于各型双镜天线。仿真结果表明，副镜扩展设计可以提高天线增益，有效改善天线低频时的性能，尤其适合中小电尺寸副镜的双镜天线；而主镜扩展设计在略微损失增益情况下降低了噪声温度，提高了天线G/T值。虽然只针对对称型天线进行研究，但是研究结论同样适用于偏置天线，并且在双偏置天线设计时，可以根据需要，灵活选择主、副镜扩展，以减小地面收到的馈源漏失能量,降低天线地面噪声温度[11，12]。

参考文献

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Research and Design on Main/Sub-reflector Extension for Dual-Reflector Antennas

LIU Sheng-wen1,DU Biao1，2,WU Yang1，2

(1.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China;2.Joint Laboratory for Radio Astronomy Technology,NAOC & CETC54,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：The current design method of dual-reflector antenna becomes less effective when the sub-reflector is electrically small.In view of this problem,the influence of reflector induced current truncation at sub-reflector and main-reflector edges on antenna radiation performance is studied in order to improve the G/T value of dual-reflector antennas.The two design methods such as sub-reflector edge extension and main-reflector edge extension are proposed,and the simulation calculation are implemented for the antennas designed with these two methods.The results show that these two methods can effectively improve the continuity of reflector edge current,the sub-reflector extension design can be used for improving the antenna gain,and the main-reflector extension design can be used for improving G/T value of antenna.

Key words：dual-reflector antenna;reflector extension;antenna efficiency;G/T

作者简介：刘胜文(1988—)，男，在读研究生，主要研究方向：电磁场与微波技术。杜彪(1962—)，男，博士，研究员，中国电子科技集团公司第五十四研究所首席专家、所副总工程师，主要研究方向：射电望远镜天线、卫星通信地球站天线、微波天线、馈源系统和阵列天线等。

基金项目：国家重点基础研究发展规划项目(973计划) (2013CB837902);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资助项目(2012DFB00120)；国家高技术研究发展计划(863计划)(SS2014AA122001)

收稿日期：2015-10-09

中图分类号：TN820

文献标识码：A

文章编号：1003-3114(2016)01-61-4

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.01.16

引用格式：刘胜文，杜彪，伍 洋.双镜天线的主副镜扩展研究与设计[J].无线电通信技术,2016,42(1):61-64.