卫星环焦天线波纹馈源筒的设计与仿真

蒋志遥

（电信科学技术第一研究所，上海 200032）

卫星环焦天线波纹馈源筒的设计与仿真

蒋志遥

（电信科学技术第一研究所，上海 200032）

本文针对Ku波段小型环焦动中通天线目前的主流设计，分析了馈源筒附近反射对天线性能的影响，并设计了一种具有波纹结构的馈源筒，可以减少此类电磁波并提高天线整体增益。通过仿真软件模拟，验证了该设计具备提高天线增益的能力。

VSAT动中通；环焦天线；HFSS软件仿真；馈源设计

1 引言

环焦天线在国外通常称为抛物线焦轴偏移轴对称双镜天线，它在卫星通信地球站天线中有独特的地位。特别是在中小型卫星通信地球站天线中，用这种天线可以克服作为初级馈源的波纹喇叭所引起的遮挡大于副镜所造成的次级遮挡的缺点，从而开辟了中小口径天线低旁瓣化和高极化鉴别率的新途径。

环焦天线常用于小型VSAT地面站和动中通天线中，在天线面较小的情况下，相对于前馈以及其他双反射面天线，环焦天线具有以下优势：较低的旁瓣功率，较小的驻波比，较高的增益和G/T。

小型Ku波段环焦天线经常采用帽形馈源。帽形馈源天线概念首先在1986年由挪威人Per-Simon Kildal提出，帽形辐射体最初的模型是由溅散板天线演化而来的[1]。帽形馈源反射板较小，辐射方向图波束很宽，适用于小焦径比的反射面天线，使得结构紧凑。此外，这种天线馈电波导和副反射面直接由介质相连，可以自支撑副反射面，消除支杆遮挡，降低近轴旁瓣，提高天线效率[2]。

目前，我国VSAT通信和小型动中通天线属于较新兴的领域，此方面研究较少，中国电科54所的孙立杰等人设计了一种适用于小口径环焦天线的帽型馈源，给出了该设计的仿真结果[3]。本设计借鉴了该文的设计，并在其基础上加以改良，对于波纹的参数通过遗传算法而不是理论分析加以优化，获得了更好的仿真结果。

环焦天线分为两类：一类是副反射面母线为椭圆形的，另一类是副反射面母线是双曲面形的。我们选用了具有广阔应用前景的副反射面母线为椭圆形的环焦天线反射面天线，如图1所示。

图1中，源为馈源喇叭的相位中心，是椭圆的一个焦点，它位于环焦天线的对称轴AA上；BP是主镜抛物线的母线；O＇是该线的焦点，又是椭圆的另一个焦点；K1是馈源喇叭的口面中心；D是环焦天线的口面直径；O＂是以AA为轴、与抛物线BP对称的另一抛物线B＇P＇的焦点；T是副反射面的顶点（在AA轴上）；DS是副面的直径；θV是抛物线BP上任一点与O＇的连线与BO＇的夹角；θvm是与PO＇与BO＇的夹角、是θV的最大值；θ是副面母线上任一点与馈源喇叭相位中心O的连线AA轴的夹角；θ＇m是副面母线边缘M与O的连线与AA轴的馈源喇叭波纹槽的内半径ah[4]。

图1 副反射面母线为椭圆形的环焦天线结构

2 目前馈源筒存在的问题

一般的馈源筒外壁会传导干扰性的反射电磁波，方向与主波束相近。我国卫星天线入网标准中的旁瓣性能要求主要针对主波束20度内的性能，馈源筒（如图2所示）反射干扰对其影响不能忽略。在同样的口径下，影响环焦天线性能的因素以及其和近馈源筒反射电磁波的影响如下：

（1）副反射面遮挡。自天线面的反射波在副反射面投影之下的部分，都会受到副反射面的遮挡，从而不能汇入主波束。这部分被遮挡的能量将以旁瓣的形式发散出去，导致天线旁瓣升高，主波束变宽。

近馈源筒反射波基本沿馈源筒外侧传播，反射角小，最终会被副反射面遮挡，造成以上后果。

（2）馈源照射效率。馈源能量被主天线面接收到的效率，照射到天线面外的辐射能量不能被利用。

（3）主反射面功率分布不均。主反射面功率分布过于集中，而一些部分的功率过低，其效果相当于一部分主反射面没有得到利用，间接减小了天线的口径。

近馈源筒反射如果功率很大，就会导致功率集中于天线面中央，加剧了主反射面功率分布的不均。

（4）驻波。一般的天线都要求较低的驻波比。驻波比为1时表示能量全部被天线辐射出去，而无穷大则为全部反射回馈源。驻波比直接地显示了天线的品质，而较差的驻波比性能不仅降低了辐射功率，而且会造成干扰。

近馈源筒反射的一部分功率会反射返回馈源，会造成驻波比增大。

（5）主副反射面的精度。可见，其中（1），（3），（4）都与近馈源筒反射相关，所以减少近馈源筒辐射理论上可以提高天线的性能。

图2 一般卫星环焦天线馈源筒（以及副反射面）

由图2中的普通馈源筒仿真得其功率分布如图3，图3中，X轴为副反射面的反射波和馈源之间反射角度，Y轴为辐射场强。黑线之间的部分为±10度之间，这部分电磁波靠近馈源筒，可见这部分场强较强，功率较集中。这部分电磁波处于副反射面阴影之下，不能被天线面利用，还会对反射后的功率主瓣产生干扰。

图3 普通馈源筒近场（至天线面）场强分布图，

3 波纹结构馈源筒的设计与仿真

在本设计中，模拟的应用为Ku波段交叉极化双向通信。Ku频段为12GHz-18GHz。在仿真和测试中，采用14GHz作为模拟频率，为实际卫星通信应用中发射频率的最低值（14GHz-14.5GHz）。由微波的频段特性可知，频率越高，指向和增益都呈会显著提高故，本实验中模拟的是实际应用中最糟糕的情况，理论结果应好于本次实验的仿真结果。

针对传统环焦天线馈源筒反射产生回波的问题，我们为馈源筒加入数个波纹状吸波结构，可以从理论上减少副反射面阴影下反射的电磁波。通过遗传算法，我们对波纹的宽度、厚度和两个波纹之间的厚度差三个变量进行优化。优化的参考值为驻波比和几个反射角的功率谱，分别取适当的权重。由于VSAT天线的规定中对于VSWR要求较高，设置VSWR必须小于1.3。通过仿真得到结果进行修正设计的波纹馈源筒如图4。

图4 波纹馈源筒波纹设计

图5 波纹结构馈源筒的局部电场仿真与普通馈源筒对比图

图5中蓝线为波纹馈源筒馈源筒近场（至天线面）场强分布图，红线为图3中普通馈源筒近场（至天线面）场强分布图。X轴为副反射面的反射波和馈源筒之间角度，Y轴为辐射场强。黑线之间的部分为±10度之间。可见与普通馈源筒相比，波纹结构馈源筒在黑线之间，也就是副反射面遮盖的部分场强较小，而在10度以上的角度场强较高，这一部分天线面没有遮挡，可以最大地利用其功率。

但是，只有馈源筒的电场仿真还不能说明天线的性能得到了改善，因为虽然到达天线有效面积（角度为10～90度）的电磁波能量提高了，仍需要证明有多少电磁波可通过反射面成为主波束。因此，我们通过一个小型天线面进行天线的仿真验证。

4 天线的仿真验证

我们使用波纹结构馈源筒和传统的馈源筒在同一个天线面下进行仿真测试，其副反射面和其他部分都相同。该天线面为一环焦抛物面，如图6所示。

图6 采用的环焦天线面，设其为PerfectE表面

图7 波纹馈源筒和普通馈源筒在仿真软件中测试的结果

表1 有波纹和无波纹的馈源比较

表1是有波纹和无波纹的馈源比较，图7为波纹馈源筒和普通馈源筒在仿真软件中测试的结果。直观可见在0度时，波纹馈源筒的发射增益高于普通馈源筒；而在±2.5度内，波纹馈源筒随着偏离中心衰减更快，所以主波束更窄，对临星干扰更小。

但是结果也显示虽然波纹馈源筒可使主波束更窄、增益更高，但是在偏离轴向7.5度左右的位置产生的第二旁瓣略高于普通馈源筒，可能对临星干扰性能造成影响，在将来的研究中将寻求进一步的改进。

5 结束语

由以上实验结果可以得出以下结论：

（1）馈源筒外侧的波纹可以改变副反射面反射波在天线面上的分布，场强分布角度显著增大，而靠近馈源柱附近的反射波减弱。仿真实验结果和理论分析一致。

（2）根据天线理论认为，减小馈源柱附近的反射波可以减少遮挡的无用反射，并将部分能量分布于反射角较大的天线面区域，使得能量在反射面的分布更均匀，可以提高主反射面的利用率，从而提高天线的增益。实验结果表明，馈源筒外侧的波纹结构可以提高小型环焦天线的增益，馈源筒外侧的波纹结构可以使主波束更窄。

（3）采用波纹馈源筒的天线第二旁瓣增高，不利于天线的临星干扰性能。在天线设计中，主瓣性能和旁瓣性能往往是相互矛盾的变量：当降低旁瓣时，能量被挤向主瓣，导致主瓣变宽。在未来的研究中，可能需要将主反射面和馈源作为一个整体进行优化解决，这将大大增加仿真的工作量。

（4）采用波纹馈源筒的馈源可用于提高船载动中通等小型天线的增益，在同等增益性能的情况下减小口径，缩小体积。■

[1] P.-S. Kildal,--The hat feed: A dual-mode rear-radiating waveguide antenna having low cross polarization,‖ IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 35, no. 9, pp. 1010-1016, Sep. 1987.

[2] 孙立杰，张文静，杜彪，董忠文．一种Ku波段帽型组合馈源设计分析．天线与伺服技术

[3] 付光宇，寇松江，开敏．一款Ku频段帽形馈源馈电环焦天线的设计

[4] 伍捍东，王英英，李科娟，王立志，潘云飞．Ku波段静中通环焦反射面天线的设计

[5] 林昌录．天线工程手册．北京：电子工业出版社，2002.pp.608-610

首届中以科技创新投资大会在北京举行

2016年1月6日，由以色列经济部、中国科技部、以色列驻华使馆、英飞尼迪集团共同发起的首届中以科技创新投资大会在北京召开。以色列国家基建、能源及水资源部长Yuval Steinitz、中国科技部副部长阴和俊、以色列驻华大使Matan Vilani（马腾）等出席了本次大会并致辞。

这场旨在促进中以科技、创新、投资领域的企业合作对接的大会共吸引了来自以色列的优秀企业和中国投资机构的决策者与思想领袖等共计2,000余人。据悉，参与本次大会的以色列企业共计130余家，参会中国企业共计1,000余家，涉及智慧城市、医疗器械、农业科技、清洁技术、互联网、移动通信等领域。众所周知，以色列以其人才资本、颠覆性技术、世界级企业而闻名全球市场。基于以色列市场的高度创新，已吸引了英特尔、阿里巴巴、谷歌、中国化工集团公司等众多跨国企业进行深度投资。近年来，中国对以色列的投资迅速增长，各市场领域的并购活动迅猛增加，此次大会引领中以双方投资与合作进入了新的局面。

在开幕式的现场，以色列国家基建、能源及水资源部长Yuval Steinitz热忱地表达了对中国投资方的欢迎。中国科技部副部长阴和俊表达了对以色列这个国家创新创业精神的高度认可并提出了进一步加强中以创新合作的相关建议。以色列驻华大使Matan Vilani（马腾）也表示此次大会对于中以双方企业而言都是非常难得的机会。以色列经济部外国投资及工业应用部主管Ziva Eger对于中国作为世界第二大经济体的实力与前景非常认同，并称要更深层次地与中国建立合作。

值得一提的是，以色列国家基建、能源以及水资源部长Yuval Steinitz还分别与中国科技部副部长阴和俊、国家能源局副局长张玉清进行会面，就加强中以双方在科技与能源方面的合作，建构双方的经济纽带进行了深入交流。

Design and Simulation for the Ring Focus Antenna with Corrugated Feed Tube

Jiang Zhiyao
(The First Research Institute of Telecommunications Technology, Shanghai, 200032)

According to current popular design of small ring focus satellite communication in ku band, we analyzed reflection influence on antenna’s performance near the feed tube, and designed a corrugated feed tube, which can reduce the return influence meanwhile increasing overall antenna gain. The design effect, which can increase antenna gain, has been proved through software simulation.

VSAT Satellite communication; Ring focus antenna; HFSS software simulation; Feed design.

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.01.003

TN828.5

A

1672-7274（2016）01-0013-04