一种双频段卡塞格伦天线的设计

张占春

（甘肃长风电子科技有限责任公司，甘肃 兰州 730070）

1 概述

随着现代电子技术的发展，空间中的电磁环境越来越复杂恶劣，各个频段、各种信号相互影响相互干扰，对各类有用电磁信号造成了比较大的影响，为了在复杂电磁环境中获得目标信息，对天线性能的要求也越来越高，宽频带作为一种抗电磁干扰的手段被广泛用于各类天线系统中，文章介绍了一种双频段的卡塞格伦天线的设计方法。

双频段卡塞格伦天线也叫变态卡塞格伦天线，它由一个扭极化的抛物面的主反射体和一个双曲面的副反射体及一个双频段喇叭馈源组成，馈源放置在主副反射面的共焦点上，从馈源发出的球面电磁波经副反射面反射后到达主反射面上，经主反射面极化扭转后以平面波的形式发射出去，因为此天线系统为双频段天线系统，所以在设计时要兼顾两个频段的电性能指标，互有取舍。

2 天线系统的组成及原理

2.1 天线原理简述

如图1所示，从馈源点发出的球面波经双曲面板反射后到达抛物面上，经抛物面板扭极化后以平面波的形式发射出去，因为共焦点所以平面波是等相位的。O与O′为双曲线的两个焦点，其中O′也是抛物线的焦点，即O′点为双曲线与抛物线共同的焦点。

图1 天线系统原理示意图

由抛物线原理得：O′A+AB+BC=K′

由双曲线原理得：O′A-OA=K

由此可得从馈源发出的电磁波经两个反射面后到达C点平面上形成等相位面。

根据天线系统的结构尺寸及天线电参数指标要求，结合HFSS软件进行仿真计算，经过反复优化最终确定双曲面板的双曲线方程为：

抛物面板的抛物线方程为：

2.2 抛物面板的设计

栅网式扭转反射板的作用是实现极化扭转并反射电磁波。它的构造是由三层结构组成。前面表皮层中嵌有疏间距的平行金属导线，后面是一层金属板，中间层是介质损耗很小的聚苯乙烯泡沫塑料板。扭转反射板做成圆形，中间开一圆形孔，馈源可以从中穿过，由馈源口径和运动范围确定孔的大小。

电磁波极化扭转90°的条件是：将入射波分解为两个幅度相等的正交分量，同时经平行金属导线及金属板反射后，在两个正交分量之间引入一个180°的相差。

让入射波的极化与反射板前表皮层中的平行金属导线成45°夹角，即可分解为与金属导线平行和垂直的两个等幅正交分量。与金属线平行的分量被反射，与金属线垂直的分量则继续前行并到达金属板后被反射回来，那么反射板中间层的泡沫厚度刚好要满足180°相差的距离，考虑到宽频带特性及入射角有一定变化范围，在推导介质厚度L的公式中，需对Q角或波长作偏微分，利用等效法传输线的原理和实现90°极化扭转的要求，我们得到下列公式：

当λ=20mm，d取不同值时金属导线直径D对应的值见表1：

表1 金属导线直径D 对应值

根据以上参数值最后决定取d=4mm，D=0.1 mm，a=0.05mm 。

采用“高强度聚酯漆包圆铜线”Ф=0.1mm，其中漆有5丝左右厚度。

2.3 双曲面板的设计

透过—反射式双曲面板的作用是：从双曲面焦点处的馈源辐射的球面波经双曲面板反射后到达抛物面扭转板上（因双曲面虚焦点与抛物面焦点重合，此球面波等同于从抛物面焦点射出的），在抛物面扭转板上经极化扭转后以平面波形式再次透过双曲面板辐射出去。

双曲面板仍是三层结构，中间层聚苯乙烯泡沫塑料，这种材料除了损耗小、易于加工外，公差也比蜂窝玻璃钢容易保证。它主要起支撑作用，内外表皮用玻璃纤维增强塑料，其中嵌有相对波长是密间距的金属导线，当电波极化平行于其中的金属导线时，它就起和金属反射面一样的作用。当电波极化垂直于金属导线时，它应力求使电场的透过系数为1。

根据极化扭转实验及有关资料介绍，交叉极化特性优于20dB以上时，对天线单脉冲性能的影响不是很大的，在选择栅网导线的粗细及间距时，按一层栅网来设计。

平行栅网的反射系数rII：

当d取不同的值时满足上式的D值见表2：

表2 金属导线直径D 选取值

因D小了便于加工双曲面的凹面，故选d=1.5mm D=0.25mm，采用“高强度聚酯漆包圆铜线”。

2.4 天线整体结构仿真

将以上抛物面板、双曲面板及双频段馈源按天线原理图所示在CST软件中进行建模仿真，如图2所示。

图2 天线系统整体仿真结构图

在仿真过程中调整两个面板的厚度并对他们之间的位置距离进行调整可以有效的对天线电性能进行调试，因为此天线系统整体电尺寸较大，金属丝间的间距又很小，所以在整体仿真时占用内存大时间长对计算机的性能要求较高，最好使用专业服务器进行仿真计算。

3 天线系统电性能仿真结果

此天线系统经过CST仿真软件仿真计算，端口的电压驻波比在带内小于2，方位差零深和俯仰差零深均小于-25dB,Ku波段天线增益在28dB左右，X波段天线增益在25dB左右，波束宽度、旁瓣、端口隔离度等指标也都符合设计要求，在这里我们选择一组仿真结果如图3所示。

图3 Ku 波段中频仿真结果

4 结论

文章设计了一种工作在双频段的反射面天线系统，在复杂的电磁环境中用两个频段的天线系统可灵活切换需要的频段并有效降低电磁干扰，将几种常见的无源微波器件组合并用合适尺寸的波导进行微波信号传输，对反射面板的曲率和焦点进行微调，经过合理的调整匹配就可以达到双频段天线的设计指标，特别是在微波抗干扰工作模式下比较有优势。