一种格里高利型卫星通信天线的设计

李印涛 张义坡

【摘要】    小型卫星通信车载天线要求具有高效率、低副瓣和小型化的特点。采用格里高利型双偏置天线形式对于单偏置天线更有优势，更容易实现紧凑的结构，满足小型卫星通信车载站的要求。在天线设计时进行了赋形设计，并使用商用仿真软件进行了仿真计算，利用该方法设计了一种双偏置卫星通信天线。经实测结果表明，设计的天线电气性能优良，具有良好的实用性。

【关键词】    格里高利型双偏置天线    赋形设计    仿真计算

ABSTRACT  Small satellite communication vehicle antenna should have the characteristics of high efficiency， low sidelobe and miniaturization. The form of Gregory double offset antenna is more advantageous for single offset antenna， and it is easier to achieve compact structure， which can meet the requirements of small satellite communication vehicle station. At the time of antenna design， the shaping design is carried out， and the simulation calculation is carried out by using commercial software. A double offset satellite communication antenna is designed by using this method. The experimental results show that the designed antenna has excellent electrical performance and good practicability.

Key words  Gregorian Antenna， Shape design， simulation calculation.

引言：

隨着科技发展，卫星通信车载站以其机动灵活的特点在卫星通信领域得到广泛的应用，而车载站要求天线具有小型化、高增益、低副瓣的特点。目前国内外小口径的车载天线的形式大多采用单偏置前馈天线[1][2][3]。单偏置抛物面天线的出现为单反射面天线的旁瓣特性、电压驻波比的改善开辟了新径，目前已得到了广泛的工程应用。但是其圆极化使用引起的波束倾斜及线极化使用时交叉极化的上升限制了它的在某些领域的应用。人们经过多年的研究，在对称双反射面天线的启示下，开拓了双偏置反射面天线这一领域。为了克服和缓解单偏置抛物面的固有缺点，通过合理配置主、副反射面的偏置状态或修正主、副反射面的形状达到以下目的：

1.消除或降低了对口面的遮挡，提高了天线效率;

2.改善了近轴旁瓣特性和驻波比特性。

卡塞格伦型反射面天线和格里高利型反射面天线做双偏置反射面天线最典型的两个代表，两型天线其主面均为抛物面。对比两种天线的副反射面，格里高利型的副反射面是椭球面的一部分，较卡塞格伦型更容易实现紧凑的结构，若设计参数选取得当，可在初级馈源和副反射面之间产生易于实现的远场条件。

根据格里高利型双偏置反射面天线的特点，对天线进行了赋形设计和仿真计算。最终设计了一种Ka频段格里高利型卫星通信天线，给出了实测结果，并结合实测和仿真数据进行了分析。

一、 参数设计

1.1反射面参数设计

赋形双偏置天线是以标准双偏置天线的几何参数为基础，所以必须选好标准双偏置天线的几何参数，为赋形双偏置天线提供必要的边界条件[4]。

格里高利型双偏置反射面天线的主要参数如图1所示。

其中，主面等效直径定义为DM;副面等效直径定义为DS;馈源口面直径定义为Dh;FM主反射面母抛物面的焦距定义为FM;反射面母椭球面的焦距定义为FS;主反射面的焦点定义为FM0，与副反射面的一个焦点共点;副反射面的另一个焦点定义为FS0，与馈源的相位中心共点。主反射面的偏置角定义为θ0;主反射面边缘对焦点FM0的半张角定义为θ*;副反射面的偏置角定义为φ0;馈源相位中心对副反射面的照射角定义为φ*：副反射面椭球面的离心率定义为e;主反射面母抛物面的对称轴与副反射面母椭球面对称轴间夹角定义为β;主反射面对副反射面的净距定义为H;副反射面上、下边缘点依次为Q和W，Q点在FM0FS0连线上的垂足为M点;主反射面母抛物面对称轴与副反射面母椭球面的交点G在FM0FS0连线上的垂足为P点。

标准格里高利型双偏置天线的设计过程列举如下：

1.将DM、H、φ*作为设计初步参数。

2.确定主反射面的焦距FM。

3.确定主反射面的偏置角θ0和主反射面边缘对焦点FM0的半张角θ*。

求解式（2）就得θ0和θ*值。

4.确定离心率e和夹角β。

将上式（3）分别代入到式（4）和（5）中，得到可求得离心率和夹角。

研究表明[5]，假如主、副反射面的边缘照射电平值都不小于15dB，则天线交叉极化指标就主要取决于副面的绕射效应，取Ds/λ数值接近20，才能使副反射面的方向图不受绕射效应的影响，但是这种情况会造成横向尺寸偏大，结构上不易实现。通过研究得到可以忽略副反射面的绕射影响的数值为Ds/λ≥7。如果我们计算得到的Ds/λ数值不满足上述要求，那就需要重新选择DM、H、φ*等原始参数进行复验直至满足数值条件。

总的原则就是以上述设计过程为基础，反复的验证和计算分析进一步确定各项参数。整个分析过程也为双偏置反射面天线的赋形技术选择合理的初始参数提供了依据。

综上所述，依据初始确定参数DM、H、φ*、τ经反复验算得到标准格里高利型双偏置反射面天线主要参数如下：

DM（主面等效口径）：2400mm;

τ（主面焦径比）：0.21;

H（净空距）：104mm;

φ*（馈源对副面照射角）：22°;

φ0（副反射面的偏置角）：29.5°

θ0（主反射面的偏置角）：43.7°

θ*（主反射面边缘对焦点FM0的半张角）：39.5°;

β（副面轴与主面轴间夹角）：13.15°

1.2赋形设计

赋形双反射面天线是在满足等光程条件下，通过改善优化口面场的幅度分布，以实现所要求的辐射方向图和辐射性能。它与未赋形天线相比，可以更灵活的实现高增益和优良旁瓣等辐射特性[6]。在卫星通信、射电天文等应用领域中，赋形双反射面天线已获得广泛应用。

反射面天线赋形设计流程可以用图2简单描述，通过赋予反射面特定的形状，最终实现真实的馈源辐射方向图到期望的天线口面场分布函数的转换，进而实现满足需求的天线辐射方向图。

众所周知，口面场分布函数作为赋形依据，决定着天线的效率和旁瓣特性[7]，其主要影响如下：

1.直接影响天线效率，以往人们一般都会选择等幅、等相的口面场分布函数为了追求天线效率最大化，技术发展到现阶段，大家已经不再是单纯的追求高效率指标;

2.口面场分布函数影响天线旁瓣特性，针对此特性，本次项目需考虑口面场分布函数对天线远旁瓣的影响，满足入网包络要求。

此选用幂函数分布口面场函数，分布函数表达式为：

馈源方向图采用高斯分布逼近法来逼近馈源辐射场。

在Ka接收和发射频段对副面的照射电平依次为-11dB和-15dB。为了使天线效率均达到较高的水准，按-13dB对天线赋形，并计算天线的性能分布情况。

二、分析与验证

格里高利型双偏置反射面天线进行赋形设计，求取天线主、副反射面坐标，从而得到主、副反射面形状，如图3所示。

将设计的天线主、副反射面曲面坐标代入仿真计算软件GRASP中，仿真计算天线辐射性能，仿真辐射方向图如图4所示。

仿真结果表明，赋形后天线在工作频带内天线均有良好的辐射性能。

根据天线仿真参数加工出的天线，依据天线测试方法[8]进行了指标测试，测试结果如图5所示。

天线仿真与测试结果见表1。

三、结束语

根据格里高利型双偏置反射面天线的特点，对天线进行了赋形设计，并结合商用仿真软件Grasp进行了设计仿真，最终给出了一种具有高效率、低副瓣的双偏置天线。测试结果表明，天线电性能优良，实测结果与仿真结果吻合良好，旁瓣包络满足卫星通信天线入网要求，效率能够达到60%。该设计已经应用到某2.4米卫星通信车载站中。

参  考  文  献

[1] A.W.Rudge：“Offset Parabolic Reflector Antenna：A Review” PIEEE， Vol.66.No.12，December，1978，pp.1592-1605.

[2]杨可忠 偏置抛物面天线，电子信息技术，1982，3，pp.11-22.

[3]章日荣，王文中，偏置抛物面反射镜天线，无线电通信技术，1986，4，pp.24-47.

[4]郝文倩. 基于光学原理的车载卫星通信双偏置格里高利夫天线的研究与设计[D]. 南京：南京理工大学， 2012.

[5] Adatia.N.A.Diffraction effects in dual offset cassegrain antenna[J].International IEEE/AP—S Symposim Digest，Seattle，1978.

[6]林昌禄， 陈海， 吴为公. 近代天线设计[M]. 北京：人民邮电出版社，1990.

[7]张立军，史振起.高效率低旁瓣天線口面场分布函数研究[J].天线与伺服技术.2010.

[8]秦顺友 许德森.卫星通信地面站天线工程测量技术[M].北京：人民邮电出版社，2006：67-79.