高性能溅散板馈源天线分析与设计

刘明辉， 相 征， 许彤通， 任 鹏， 陈 云

(西安电子科技大学 通信工程学院，陕西 西安 710071)

高性能溅散板馈源天线分析与设计

刘明辉， 相 征， 许彤通， 任 鹏， 陈 云

(西安电子科技大学 通信工程学院，陕西 西安 710071)

为提升微波接力与点对点通信系统的传输距离及抗干扰能力，文中设计了一款口径为 0.3 m，中心频率为 15 GHz 的高性能溅散板馈源天线．通过采取对溅散板馈源介质支撑镜和副反射面赋形的方法，实现馈源E面和H面的方向图在主反射面照射角范围内等化，在照射角范围外迅速滚降; 然后，通过优化介质匹配塞完成天线的阻抗匹配；最后，对所设计的天线模型进行样件加工并测试．测试结果表明，该天线中心频点的增益达到 32.43 dBi，最大旁瓣电平抑制在 -21.89 dB，E面和H面的前后比均达到 59.57 dB．仿真与实测结果吻合良好，设计方法行之有效．

反射面;溅散板馈源;介质赋形;低旁瓣

反射面天线是利用光的透镜原理制成的，其采用曲面结构， 具有很强的方向性和高增益特性．在各式各样的反射面天线中，因旋转对称抛物面天线还具有设计简单、性能优良、制造方便并且易于维护调整等多方面的优点而受到人们的青睐，被通信、雷达、电子对抗、卫星通信和射电天文等领域广泛采用[1]．该类型的反射面天线主要包括卡塞格伦天线、格里高利天线和环焦天线．

由于这些反射面天线的副面支杆的遮挡效应会导致远场辐射方向图旁瓣和交叉极化电平恶化，从而降低反射面天线的辐射效率[2]．为解决这些问题，需要使用自支撑结构的高性能馈源，如环型馈源[3]、杯型馈源、帽型馈源、波束成形环馈源和溅散板馈源[4-6]等．笔者在新型卡塞格伦天线技术[7-8]的基础上，研究和设计了一种高性能的溅散板馈源反射面天线．文中通过采取对溅散板馈源介质支撑镜和副反射面赋形的方法，实现馈源的远场辐射方向图一定范围内等化，使反射面天线的主面口径场的幅度均匀分布，相位等相分布; 最后，通过对介质匹配塞优化来完成天线的阻抗匹配．仿真和测试结果表明，所设计的反射面天线性能优良．

1 溅散板馈源设计与仿真

图1 馈源横截面示意图

为了满足反射面天线高增益、旁瓣抑制好、低驻波和交叉极化的特性，在卡塞格伦天线的理论基础上，设计了一种由馈电圆波导、匹配介质塞、介质支撑镜及副反射面组成的新型溅散板馈源，其中的副反射面是在介质支撑镜的一侧涂敷上导电性能良好的涂层，其结构如图1所示．对匹配介质塞采用四分之一波长阶梯阻抗变换理论进行阻抗匹配设计，可通过调整匹配介质塞的长度(即图1中l1-l11)和阶梯高度(即图中r1-r10)，就能完成馈源介质塞与圆波导的阻抗匹配．由于波导管中匹配介质塞阶梯变换段的特性阻抗非常复杂，无法通过数学公式表示，通过高频结构仿真(High Frequency Structure Simulation，HFSS)软件，利用有限元数值分析方法进行仿真计算．

介质支撑镜的作用不仅用于连接波导与副反射面、支撑副反射面，而且可以调整天线的阻抗匹配，用于提高馈源的回波损耗．通过对副反射面和介质支撑镜赋形，可控制天线主面口径场的幅度和相位分布．当天线工作的频率为 14.40～ 15.35 GHz 时，为保证馈电波导主模TE11传输条件，根据波导理论确定圆波导的尺寸[9]，对应传输模式的截止波长λTEc和λTMc可表示为

其中，μmn为m阶Bessel函数导数的第n个根，νmn为m阶Bessel函数的第n个根．

将相应的数据代入式(1)和式(2)可知: 6.12 mm

在卡塞格伦天线中，为减少副反射面边缘能量漏失，需要适当增大副反射面尺寸．但是较大的副反射面会对主面口径有遮挡效应，同时被副反射面反射的能量会在主面的顶点部分更为集中，这样会导致天线的主面口径场幅度分布不均匀，影响反射面天线的口径利用率，使天线的增益受到限制．为解决副反射面边缘能量漏失和主反射面口径利用率之间的矛盾，文中采用副反射面的形状修正技术，将副反射面的顶点附近更凸起一些，从而使馈源辐射到天线主反射面顶点部分的能量适度向外扩散，使得主面口径场分布更均匀．按照卡塞格伦天线的设计理论，利用HFSS仿真软件进行分析优化后，取r9= 0.12D≈ 0.12× 300 mm= 36 mm，r10≈ 2.3 mm．

通过在副反射面与波导之间引入介质支撑镜来改善天线的阻抗，介质支撑镜选用介电常数为2.55的聚四氟乙烯介质材料．金属圆波导TE11主模经过介质波导渐变段逐渐耦合过渡为介质圆波导的主模H11波，当介质波导的直径大于波长时，其主模绝大部分经过逐渐变粗和台阶突变的介质波导传输到副反射面，然后经过副反射面反射形成心形辐射的E面和H面等化方向图．根据阻抗变换理论和渐变线理论设计好各段介质波导的锥角、过渡阶梯和介质匹配塞的尺寸，完成馈源辐射头与圆波导的阻抗匹配．

图4 溅散板馈源的反射系数S11仿真结果

利用HFSS仿真软件建立如图1所示的溅散板馈源模型，对模型中的馈源采用上述设计思路进行介质支撑镜和副反射面赋形，并对副反射面的顶点处进行修正优化，最终得到如图2所示的馈源远场辐射平面方向图、如图3所示的三维辐射方向图和如图4所示的匹配性能．仿真结果表明，馈源E面和H面的远场辐射方向图在照射角120°左右范围内等化，在该范围外迅速滚降，照射角边缘电平约为 -12 dB．

2 天线的仿真设计与测试结果分析

当馈源对反射面天线的主面边缘照射时，若边缘照射电平过高时，会引起馈源辐射电磁波的泄露，造成整个天线的副瓣电平过大；但是，若边缘照射电平太低，则必然会引起主面口径场的幅度分布不均匀，造成天线的口径利用率降低．根据反射面天线的辐射方向图包络等级要求、可以综合出口径场所需的锥销电平，再由锥销电平和馈源远场辐射方向图确定主反射面的焦径比．

当天线工作在中心频率f0=14.875 GHz时，天线的增益和焦径比[10]分别为

其中，f为主反射面的焦距，D0为主反射面的直径，λ为天线的工作波长．

通常高性能反射面天线的口径效率一般在50%～60%之间，现假设溅散板馈源天线的口径效率η= 50%，为使天线的增益达到 31.5 dBi，通过式(3)可得到天线主面口径的初始尺寸D0≈ 340 mm．依据图2馈源的远场辐射方向图可得，当边缘照射电平为 -12 dB 时，此时照射边缘的夹角ψ0≈ 124°．由式(4)可知，f≈ 45.2 mm．

依据上述设计思路，利用Feko建立图5所示的溅散板馈源天线的仿真模型，其中，U、V和N表示的坐标系是Feko仿真中的一种局部坐标系，并进行了优化，得到天线主面口径直径为 330 mm，焦距为 57.3 mm．最后，仿真得到如图6和图7所示的天线E面和H面远场辐射增益方向图，如图8所示的匹配性能．

图5 溅散板馈源天线仿真模型图6 E面增益方向图

图7 H面增益方向图图8 天线的驻波仿真结果

天线的仿真结果汇总如表1所示．仿真结果表明，溅散板馈源天线的中心频率点增益达到 32.64 dBi，交叉极化鉴别率达到 50.51 dB，第1旁瓣电平抑制在 -19.63 dB; 在 14.40 GHz～ 15.35 GHz 的频段范围内 ， 最大驻波比为1.17 ， 理论上满足了设计要求 ， 天线达到了良好匹配 ， 性能优良．目前由于Feko仿真软件算

表1 天线的仿真结果汇总

图9 天线在低、中和高频点下的主极化方向图

图10 天线在低、中和高频点下的交叉极化方向图

图11 溅散板馈源天线驻波比的测试结果

法自身的局限性，对于电大尺寸的反射面天线还只能在最大辐射方向 ±120° 范围内提供较为可靠的远场辐射分析，所以仿真方向图的后瓣部分可以不作分析．

将所设计的天线进行样件加工，并利用高架测试场对其进行增益和方向图测试，得到天线的主极化方向图如图9所示，交叉极化方向图如图10所示．图9和图10中的折线为满足欧洲电信标准化协会(European Telecommunications Standards Institute，ETSI)Standard Range1 Class3标准的包络线．驻波比的测试结果如图11所示，电性能参数测试结果如表2所示．

表2 电性能参数测试结果

仿真与实测结果之间的误差可归因于天线的制造工艺和测试场的精度，两者基本吻合．所设计的反射面天线具有高增益、低旁瓣、前后比抑制较好、口径效率高，以及远场方向图满足ETSI Standard Range1 Class3标准等优良性能，设计方法行之有效．

3 总 结

对比文献[2，5]及文中所设计的反射面天线，将中心频点处的性能指标汇总，如表3所示．

表3 反射面天线的性能及参数对比

经过对比可知，文中所设计的反射面天线具有高增益(不同天线的对比看口径效率)，较低的旁瓣电平，前后比抑制较好，口径效率高等特性．

仿真分析和实测结果表明，所设计的反射面天线在14.40～15.35 GHz整个通带拥有较小的电压驻波比，天线增益不低于 31.5 dBi，远场方向图能满足ETSI Standard Range1 Class3标准，同时在同等效率要求的前提下，与现有同类型的反射面天线相比，有更好的近旁瓣和后瓣抑制，具有优良的性能．

参考文献：

[1] CHEN Z, YANG J, KILDAL P S. Design of Sector Antenna with Wideband 2D Hat-fed Reflector for Wireless Communications[C]//Proceedings of the 2015 International Symposium on Antennas and Propagation. Piscataway: IEEE, 2015: 7447340.

[2] LIU C, YANG S W, NIE Z P. Design of a Parabolic Reflector Antenna with a Compact Splash-plate Feed[C]//Proceedings of the 2013 Cross Strait Quad-regional Radio Science and Wireless Technology Conference. Piscataway: IEEE, 2013: 241-244.

[3] MAKAR G, TRAN N, KARACOLAK T. A High-isolation Monopole Array with Ring Hybrid Feeding Structure for In-band Full-duplex Systems[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2017, 16: 356-359.

[4] YAVUZ A, EREN C, YEGIN K, et al. Improved Splash-plate Feed Parabolic Reflector Antenna for Ka-band VSAT Applications[C]//Proceedings of the European Microwave Week 2016: Microwaves Everywhere. Piscataway: IEEE, 2016: 1283-1286.

[5] 张文涛, 李明杰, 曹卫平, 等. 一种新型溅散板馈源天线[J]. 桂林电子科技大学学报, 2015, 35(2): 93-97.

ZHANG Wentao, LI Mingjie, CAO Weiping, et al. A New Type of Splash-plate Feed Antenna[J]. Journal of Guilin University of Electronic Technology, 2015, 35(2): 93-97.

[6] MA C, QU S W, YANG S W. Subreflectarrays for Ring-focus Reflector Antenna[C]//2017 10th Global Symposium on Millimeter-Waves. Piscataway: IEEE, 2017: 137-139.

[7] LIU H, DENISOV A, QIU J H, et al. A Novel Cassegrain Antenna with an FSS Sub-reflector and Cylinder Matcher[C]//2016 International Symposium on Antennas and Propagation. Piscataway: IEEE, 2016: 830-831.

[8] 苏道一, 傅德民, 杨华. 一种快速分析毫米波反射面天线的新方法[J]. 西安电子科技大学学报, 2009, 36(2): 289-293.

SU Daoyi, FU Demin, YANG Hua. Analysis of Millimeter-wave Reflector Antennas Using a Novel Fast Method[J]. Journal of Xidian University, 2009, 36(2): 289-293.

[9] 梁昌洪, 谢拥军, 官伯然. 简明微波[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006: 133.

[10] 斯塔兹曼蒂尔. 天线原理与设计[M]. 2版. 北京: 人民邮电出版社, 2006: 274.

Analysisanddesignofhighperformancesplash-platefeedantenna

LIUMinghui，XIANGZheng，XUTongtong，RENPeng，CHENYun

(School of Telecommunications Engineering, Xidian Univ., Xi’an 710071, China)

In order to improve the transmission distance and anti-interference ability of the microwave relay system and point-to-point communication system, we design a high performance splash-plate feed antenna with the diameter of 0.3m and the center frequency of 15 GHz. By shaping the dielectric supporting mirror and sub-reflector of the splash-plate feed, we realize the far field radiation pattern equalization and roll-off of the E plane and H plane within and outside the scope of the main reflector irradiation angle, respectively. Then, the impedance matching of the antenna is realized by optimizing the media matching plug. Finally, the design model is processed and tested, with the test results showing that the gain at the antenna center frequency point is 32.43 dBi, that the maximum sidelobe level can be suppressed to 21.89 dB and that the front to back ratio in the E plane and H plane is significantly improved to be 59.57 dB. The good agreement of measured data with simulation results verifies the proposed design.

reflector; splash-plate feed; shaped dielectric; low sidelobe

2017-05-31

时间：2017-07-26

中国博士后科学基金资助项目(2017M610644)

刘明辉(1987-)，男，西安电子科技大学博士研究生，E-mail: liumh9@qq.com．

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20170726.1749.002.html

10.3969/j.issn.1001-2400.2018.01.028

TN820

A

1001-2400(2018)01-0156-06

(编辑： 齐淑娟)