卫星便携站馈源喇叭天线的研究和设计

吴　迪，李长勇，郑　勇

(重庆通信学院 信息工程系，重庆 400035)



卫星便携站馈源喇叭天线的研究和设计

吴迪，李长勇，郑勇

(重庆通信学院 信息工程系，重庆 400035)

摘要：对卫星便携站的馈源喇叭进行了研究，并设计了一款新结构的介质加载馈源喇叭天线，以替代该卫星便携站原有的波纹喇叭馈源。该介质加载馈源喇叭天线的特点是结构简单、组装简易、成本低廉。通过比较和分析，该天线具有增益高、反射小、交叉极化低、波束对称及波瓣尖锐的优点，尤其是天线的口径效率最高可达到95.7%。可见介质加载馈源喇叭非常适用于卫星便携站的馈源以及卡塞格伦天线的初级辐射器。

关键词：卫星便携站；馈源喇叭天线；波纹喇叭；介质加载

0引言

卫星通信具有通信距离远、容量大、质量好、可靠性高、保密性强及灵活机动等特点，在民用通信、军事通信以及应急通信中都起着重要的作用[1]。卫星便携站得到了广泛的应用，它具有配置灵活、体积小、重量轻和便于携带的优点，特别适用于复杂环境下的通信联络，是重要的通信手段之一。常见的卫星便携站馈源喇叭为Ku波段波纹喇叭天线，该馈源不仅价格昂贵，其结构相对复杂，加工精度要求较高，从而制约了卫星便携站的发展。因此，研究一种可替代波纹喇叭的新型馈源喇叭天线势在必行。

结合一个卫星便携站馈源的性能和尺寸，设计了一种新结构的介质加载圆锥喇叭馈源，以替代原有的波纹喇叭馈源。本文对天线的性能进行了比较和分析，验证了该馈源喇叭天线性能的优越性和可行性。

1天线的结构和原理

1.1卫星便携站馈源的工作原理

在卫星通信中，要求馈源喇叭要具备低交叉极化、较小的漏溢和较大的口径效率[2]。普通主模工作的喇叭，其口径场相位成平方律分布，波束对称性差，且E面和H面的相位中心差异较大，电磁波不能均匀的照射在反射面上，受口径场相位偏差的影响，天线波束呈椭圆形截面[3]，所以不能够直接用作卫星便携站的馈源。波纹喇叭已成为当代高性能卫星通信、卫星电视和其他微波天线中照射器的主要模式，它波瓣对称性好、交叉极化电平和副瓣电平低，频带较宽。波纹喇叭的结构特点是在喇叭的内壁上开许多波纹槽，起扼流圈的作用，达到改善喇叭天线波瓣对称性并降低交叉极化的目的[4]，其缺点是加工困难，费用昂贵，特别是在毫米波以上的频段内，波纹喇叭加工更加复杂。

介质加载喇叭天线具有结构简单、原理简明、易加工及成本低的优势，因此得到了人们广泛关注。大量关于介质环、介质棒、介质透镜加载喇叭天线的研究不胜枚举。SatohT在喇叭内壁加载薄介质片以引入不连续性，改变喇叭内部电场分布方式，从而改善了喇叭天线的辐射特性[5]。PhilipsB和ClarkPR研究在馈源喇叭内部填充锥体介质[6]，该结构的馈源虽然改善了波束对称性、降低了交叉极化，但是由于天线等效口径减小，增益明显下降。可见，合理的加载介质体可以校正喇叭辐射场的相位分布，得到新结构的馈源喇叭天线。在圆锥喇叭内部加载带有空气缺口的圆锥体介质，并在圆锥底部连接一块双曲透镜介质，即构成了新的介质加载圆锥喇叭天线，其结构如图1所示。

图1　介质加载圆锥喇叭天线结构示意图

当天线工作频率较高时，喇叭内部的电磁场向圆锥体介质汇聚[2]，从而导致喇叭E面和H面的场分布趋于对称，两主平面的相位中心也趋于重合。相位中心位置取决于喇叭的尺寸和张角。口径面上平方律相差增加，相位中心向喇叭顶点方向移动[7]，故该喇叭相位中心可近似为顶点位置。双曲透镜介质的作用是把射入的球面波前在口径前方校正为平面波前，使得喇叭方向性得到增强。

1.2喇叭形状和介质材料

由某卫星便携站的接收和发射频率，可以确定馈源喇叭天线的上行工作频率范围为14.0～14.5 GHz，下行工作频率范围为12.25～12.75 GHz。为保证反射面的均匀照射，更准确的与卫星便携站的波纹喇叭馈源进行比较，本文设计的介质加载喇叭口径和张角与原波纹喇叭馈源保持一致。喇叭口径D=2b=90 mm，总长度为67.2 mm，其中波导段长度24 mm，扩张段长度43.2 mm，张角θ=80.4°。选用国家标准型号波导BY120[8]，内径中间值2a=17.475 mm的圆波导作为喇叭前端。该尺寸波导工作频率为11.6～15.9 GHz。波导对各模式的截止频率为：TE11模10 GHz，TM01模13.1 GHz，可见波导内只能传输主模TE11模和TM01模13.1 GHz以上的频率，仿真时考虑3个高次模即可。该天线采用波导馈电，圆锥喇叭壁厚为1 mm。

1.3介质透镜表面方程的设计

(1)

把最大张角点P2(0,b1)带入上式，可计算出介质透镜的厚度为d1。对式(1)简化，最终推导出双曲线方程式(3)如下：

d1=n(R1-L1)/(n-1)。

(2)

(3)

2天线的仿真和分析

2.1天线仿真模型建立

使用HFSS14.0对天线仿真，模型如图2所示。馈源喇叭天线的下行工作中心频率为12.5GHz，离散扫频范围12.25～12.75GHz，上行工作中心频率为14.25GHz，离散扫频范围从14～14.5GHz。空气盒子为矩形，边界距离喇叭最近为λ/3，馈电端口类型为waveport。

图2　天线仿真模型

2.2增益和口径效率

介质加载喇叭馈源天线下行工作和上行工作时的增益变化曲线如图3和图4所示。可以看到，随着工作频率的升高，天线增益线性升高，增益最高可以达到22.4dB。这是因为频率越高，越适合用光学方法来分析介质透镜，分析结果也越准确。同时，频率越高，空气缺口里的电磁场向介质汇聚的能力就越强，可见介质加载馈源喇叭最适合工作在微波及以上的频段。

图3　上行工作时增益变化曲线

图4　下行工作时增益变化曲线

使用常规的馈源喇叭，反射面天线的口径效率约为50%～60%，而若采用波纹喇叭作为馈源可获得75%～80%的口径效率[12]。由式(4)可知[13]，天线口径效率主要受增益和工作频率的影响。在上行中心频率时，天线口径效率为95.7%，下行中心频率时，天线口径效率为89.9%。虽然在喇叭内部加载介质后，由于喇叭内壁与介质体之间具有空气缺口，使得天线的等效口径减小了2mm，但是由于喇叭天线在纵向长度得到补偿，其增益和口径效率均大幅度增强。由此可见，该介质加载馈源喇叭的口径效率比原波纹喇叭馈源更具备优势。

(4)

2.3交叉极化

馈源喇叭天线在接收和发射中心频率点时的归一化辐射波瓣图如图5所示。从图中可看到该天线交叉极化峰值电平均小于-50dB，旁瓣电平较低。天线主瓣较尖锐，且E面和H面波束几乎重合。该天线E面和H面主瓣宽度在12.5 GHz时分别为15.7°和16.3°，在14.25 GHz时分别为14.2°和14.4°。随着频率升高，波束对称性得到改善，主瓣更加尖锐。

图5　天线的辐射波瓣图

2.4电场分布

天线E面和H面的电场强度瞬时值分布图如图6所示。从图中可以看到喇叭内部电场在空气缺口中逐渐向介质体汇聚，使得E面和H面的辐射场分布趋于对称，两主平面相位中心趋于重合。由于在喇叭内部填充了介质，其电场逐渐向介质汇聚，空气缺口里的电场逐渐减小，在喇叭口径处完全消失。喇叭内部介质体中的电磁场传输到喇叭口附近时，E面电场和H面电场非常对称，使得2个面的相位中心趋于重合，波束对称性较好。经过介质透镜的折射，辐射出去的电磁场相位得到校正。并且在喇叭和透镜的结合处反射非常小，由仿真结果可知，天线的回波损耗在整个频带内均<-20 dB，满足卫星便携站的要求。

图6　介质加载馈源喇叭E面电场瞬时值

图7　介质加载馈源喇叭H面电场瞬时值

3结束语

结合一个卫星便携站馈源的性能和尺寸，设计了一款新结构的介质加载圆锥喇叭馈源天线，以替代原波纹喇叭馈源。该介质加载馈源喇叭天线结构简单、成本低，完全可以做到自主研发及生产。通过分析和比较，找到了介质加载喇叭天线性能随工作频率变化的规律。由此可见，通过在喇叭内部加载带有空气缺口的介质体，可以校正喇叭口径场相位，使得喇叭天线在口径处辐射平面波，天线的方向性和口径效率均得到大幅度增强。介质加载馈源喇叭天线还可以获得非常对称的辐射波瓣图，并且具备主瓣尖锐、副瓣较小、低反射及低交叉极化的优点。该天线在性能上可替代常见的波纹喇叭，且非常适用于卫星便携站的馈源以及卡塞格伦天线的初级辐射器。

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Research and Design on Feed Horn Antenna of Portable Satellite Station

WU Di,LI Chang-Yong,ZHENG Yong

(Information Engineering Department,Chongqing Communication Institute,Chongqing 400035,China)

Abstract：A type of portable satellite station feed horn antenna is studied.A novel feed horn antenna loaded with dielectric is designed in order to replace the original corrugated horn antenna.The feed horn antenna loaded with dielectric is characterized by simple structure,easy assembly and low cost.Through comparison and analysis,the proposed antenna has such advantages as high gain,small reflection,low cross-polarization level,symmetrical beam,and sharp lobe.In particular,the antenna aperture efficiency can be up to 95.7%.Therefore the feed horn antenna loaded with dielectric is a perfect candidate for portable satellite station and primary radiator of Cassegrain antenna.

Key words：portable satellite station;feed horn antenna;corrugated horn;dielectric load

中图分类号：TN 820.1

文献标志码：A

文章编号：1003-3114(2016)03-59-4

作者简介：吴迪(1984—)，男，硕士，教员，主要研究方向：微波通信与智能天线。李长勇(1970—)，男，博士，副教授，主要研究方向：超宽带无线通信技术、天线技术。

收稿日期：2016-01-20

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.16

引用格式：吴迪，李长勇，郑勇.卫星便携站馈源喇叭天线的研究和设计[J].无线电通信技术,2016,42(3):59-62.