波束波导馈电的新型偏置近场卡塞格伦天线
一种W波段低副瓣卡塞格伦双极化天线设计
• 112•本文设计了一种W 波段双极化卡塞格伦天线。
天线口径为1.0m ，由主反射面、副反射面和馈源喇叭组成。
为降低加工难度和成本，馈源喇叭采用双模喇叭，通过优化各种结构参数，实现天线的低副瓣和高交叉极化特性。
经暗室测试， 天线增益达到56dBi ，副瓣电平小于-25dB ，交叉极化达到30dB 以上，在气象雷达产品中得到良好的应用效果。
毫米波因更易于实现高增益、低旁瓣及更好的角探测精度和分辨力，在气象雷达领域得到飞跃的发展。
云目标往往对不同极化电磁波具有不同的散射特性，为了提离云相态信息的探测能力，毫米波气象雷达需具备双极化工作模式。
作为雷达的关键部件，研制高增益、低副瓣、低交叉极化的双极化天线已成为研究的热点。
由于卡塞格伦天线具有增益高、低交叉极化、馈线波导短、口径效率高等优势，已广泛应用于雷达领域。
特别是在W 波段，因其可以大大改善馈线损耗，更是天线设计者的首选。
本文根据总体项目技术要求，采用正馈圆口径卡塞格伦天线，通过优化馈源、副反射面、支杆等关键部件，实现了在W 波段的高增益、低副瓣、低交叉极化的天线性能。
1 天线设计1.1 天线参数设计卡塞格伦天线是双反射面天线中最为常见的一种结构形式，主反射面为抛物面，副反射面为双曲面，馈源的相位中心位于双曲面的一个焦点，而双曲面的另一焦点与抛物面的焦点重合。
正是由于馈源喇叭的后置，大大缩短了馈线长度，降低馈电网络损耗，且便于安装于维修。
对于卡塞格伦天线设计来说，其遮挡主要来源于副反射面口径，因此副面的大小选取显得尤为重要。
根据最小遮挡条件：式中， k w 为馈源波束宽度常数，为减少副面遮挡，D S 取值应尽量小，同时为避免副面的绕射影响，副面取值至少＞7λ。
考虑到天线口径312l （94.58GHz ）左右，副面与主面相比可以很小，副面可以选择D s / D =0.0816。
焦径比的选择要综合考虑馈源系统的尺寸，交叉极化分量等因素。
在本天线设计中，焦径比F /D =0.275，馈源照射角度（相对副面半张角）为25°，照射电平取-20dB ，则双曲面的离心率e =1.8342，双曲面两焦点之间的距离为f =91.306mm 。
卡塞格伦天线
（4）由于双曲面反射是扩散型的，所以，双镜面系统中，返回馈源的能量较单镜面天线要小，从而减弱了对 馈源匹配的影响。
但是，因为卡塞格伦天线是一个双反射面的天线系统，从GO方法而言，副反射面、副反射面的支杆以及馈源 必然会在主反射面上带来遮挡影响，这使得卡塞格伦天线副瓣抬升、增益降低，这是卡氏天线的缺点。
卡塞格伦天线与普通抛物面天线相比，其主要优点在于：
（1）因为有副面和主面两个的先后反射，便于设计得使主面口面场分布最佳化，以提高口面利用系数，改善 天线增益。
（2）由于照射器是放置在靠近主面顶点处，可方便地从主面后面伸出，大大缩短了馈线长度，不仅使得结构 紧凑，而且使得接收机高频部分可以直接放在主面后面成为可能，这在低噪声系统中有重要意义；
分析实际卡氏天线系统的机械结构变形状态,对于主、副反射器前言,可以分解为两部分:一部分是整个反射 器的刚体运动(移动和转动)及相应曲面参数的变化;另一部分是反射器表面各点相对于新曲面的偏差。
因此,可以作一新的曲面,它相对于原曲面有移动和转动,同时相应的曲面参数有微量的变化,这样的曲面有无 穷多个,其中有一个变形后的曲面对它的均方根值偏差(或法向的,或轴向的)最小,此新曲面称为“最佳吻合抛物 面”或“最佳吻合双曲面”。
正因为副面遮挡消除，一般将副反射面设计的比较大，而且使用双曲线旋转面的凹面，与主反射面合为一体， 这样也就没有了副反射面支杆，支杆遮挡也就消除了。又因为副反射面很大，所以同样的边缘照射电平，馈源辐 射口面就很小甚至是缩口波导的形式，这样馈源遮挡也就大大减小了。
系统
卡塞格伦反射面天线
2
主要内容及要求： 一、卡塞格伦天线的工作原理和几何结构 二、卡塞格伦天线的分析方法 三、卡塞格伦天线的增益 四、影响反射面天线方向性的因素 五、赋形波束反射面天线 六、其它型式的双反射面天线
3
远望六号测量船
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一、卡塞格伦天线的工作原理和几何结构特性
1、天线（抛物面天线——双反射面）
卡塞格伦天线
2 Mf 1 cosq
fe Mf
18
二、卡塞格伦天线的分析方法
偏心率e愈小，M愈大。通常 M 3 所以等效抛物面是一个长焦距 抛物面。
f e Mf
e 1 f e 1
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二、卡塞格伦天线的分析方法
用射线管的概念说明它们的口径场分布是相同的。
Q2 Q1 Q’2 Q’1 等 dΨ F’ dθ
F
rபைடு நூலகம் F P
r FP
ρ =FQ
虚馈源法
Ei rq sin q 1 Er r sin
60 Pr Gr
rq
Fr (q )
60 Pr Gv
r
Fv ( )
Fr (q ), Fv ( ) 分别是实、虚馈源的归一化方向图函数
23
Gr , Gv 分别是实、虚馈源的增益
二、卡塞格伦天线的分析方法
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两类常见的反射面天线
主抛 反物 射锥 面面 主抛 反物 射锥 面面
馈源
馈源
副双 反曲 射面 面
抛物面天线
卡塞格伦天线
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与抛物面天线相比，卡塞格伦天线具有以下的优点： （1）以较短的纵向尺寸实现了长焦距抛物面天线的 口径场分布，因而具有高增益，锐波束； （2）由于馈源后馈，缩短了馈线长度，减少了由传 输线带来的噪声； （3）设计时自由度多，可以灵活地选取主反射面、 反射面形状，对波束赋形。 卡塞格伦天线存在着如下缺点：卡塞格伦天线的 副反射面的边缘绕射效应较大，容易引起主面口径 场分布的畸变，副面的遮挡也会使方向图变形。
卡塞格伦天线的工作原理
标准卡塞格伦天线的组成标准卡塞格伦天线由主反射面、副反射面和馈源组成。
为了获得聚焦特性，主反射面必须是旋转抛物面，副反射面是旋转双曲面，馈源可以是各种形式，但一般用喇叭作馈源，安装在主、副反射面之间，其相位中心应置于旋转双曲面的焦点上，双曲面的安装应使双曲面的虚焦点与抛物面的焦点重合，如图所示。
卡塞格伦天线整个就是一个轴对称结构。
副反射面通常置于喇叭馈源的远区。
如果喇叭辐射的球面波方向图是旋转对称的，侧卡式天线就具有轴对称性能。
卡塞格伦天线的工作原理卡式天线的工作原理与抛物面天线的相似，抛物面天线利用抛物面的反射特性，使得由其焦点处的馈源发出的球面波前，经抛物面反射后转变为在抛物面口径上的平面波前，从而使抛物面天线具有锐波束、高增益的性能。
卡式天线在结构上多了一个双曲面。
天线作发射时，由馈源喇叭发出的球面波首先由双曲面反射，然后再经主反射面(抛物面)反射出去。
根据双曲面和抛物面的性质，由F'发出的任意一条射线到达某一口径面的波程相等，即，则相位中心在F'处的馈源辐射的球面波前，必将在主反射面的口径上变为平面波前，呈现同相场，即S0面为等相位面，使卡式天线具有锐波束、高增益性能。
天线作接收时的过程正好相反，外来平面波前经主、副反射面反射之后，各射线都将汇聚到馈源所在点F'，由喇叭接收。
卡氏天线的优缺点：优点：（1）馈线短（2）空间衰减SA小（3）减小漏溢（4）等效焦距长（3）设计灵活（7个参数）等缺点：（1）副反射面的遮挡大，但对要求G很高的天线来说，主反射面很大的话，这个遮挡相对就小。
（2）造价高。
卡塞格伦天线的几何参数卡式天线的几何参数关系如图所示：双曲面的四个参量：抛物面有三个参量：(1) 双曲面直径(1) 抛物面直径dD(2) 双曲面焦距fc (2) 抛物面焦距f(3) 双曲面半张角ϕ0 (3) 半张角ψ0(4) 双曲面顶点到抛物面焦点距离Lv在这七个参量中，只有四个是独立的，其余三个可根据抛物面和双曲面的几何关系求出。
一种典型的卡塞格伦光学天线的设计与分析
塞格 伦 光 学天 线的 结 构 、 模型、 优 缺 点 以及
在 空 间通信 中的应 用 ， 分 析 了点 光 源 在卡 塞
格 伦 光 学 天 线 中的 传输 特 点 ， 同时 还讨 论 了
由于点 光 源偏 离焦 点 对 天 线 效率 的 影 响 ， 以及 对 空 间光通 信 中目标 成像 质量 的 影 响 。
的光 学 天线 系统 ［ Ｊ ］ ． 现 代电信科 技 ， ２ ０ ０ ３ ， ３ （ ３ ） ： ２ ４ － ２ ７ ．
【 ２ 】Ｃｈｏ Ｙ Ｍ ， Ｋｏ ｎｇ Ｈ Ｊ ａ ｎ ｄ Ｌ ｅ ｅ Ｓ Ｓ． ０ＰＴＩ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ［ Ｍ】 ．
Ｂｅ ｌ ｌ ｉ ｎｇｈａ ｍ ， ｌ ９ ９４： ３ ３ －１ ００． ｝ ｌ Ｉ ｍ
时Ｉ 蜊（ 毒 ）
图３ 涡桨６ 发动机转 速变化曲线
５ 结语
该 文 仅 限 于 Ｗ ＤＺ一１ 涡 轮 发 电装 置 起
动涡桨６ 发 动 机 时 的起 动 特 性 分析 ， 实 际 应 用 中， 多应 用地 面 ７ ０ Ｖ电源 或 ２ ４ － ４ ８ Ｖ电
５ ８
科技 创新导报 Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｉ ｎ ｎ ｏ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｈ ｅ ｒ ａ ｌ ｄ
幅 ∞ 常大 ， 比如 成像不 清 晰、 目标 图像变 形等 等 。
卡塞 格 伦 光 学 天 线 的 辐 射 具 有 极 强 的 方 向 性 ， 增 益 因 子 随 着 指 向 角度 因 子 变化 较 为
明显 ， 那 么 光 束 的发 散 将 会 影 响 增 益 因 子
的变 化 ， 从 而影 响 天 线 的 增 益 ， 最 终 影 响 天
常用卫星通信天线介绍
常用卫星通信天线介绍（一）寇松江(爱科迪信息通讯技术有限公司，北京，100070)E -mail:天线是卫星通信系统的重要组成部分，是地球站射频信号的输入和输出通道，天线系统性能的优劣影响整个通信系统的性能。
地球站与卫星之间的距离遥远，为保证信号的有效传输，大多数地球站采用反射面型天线。
反射面型天线的特点是方向性好，增益高，便于电波的远距离传输。
反射面的分类方法很多，按反射面的数量可分为双反射面天线和单反射面天线；按馈电方式分为正馈天线和偏馈天线；按频段可分为单频段天线和多频段天线；按反射面的形状分为平板天线和抛物面天线等。
下文对一些常用的天线作简单介绍。
1．抛物面天线抛物面天线是一种单反射面型天线，利用轴对称的旋转抛物面作为主反射面，将馈源置于抛物面的焦点F上，馈源通常采用喇叭天线或喇叭天线阵列，如图1所示。
发射时信号从馈源向抛物面辐射，经抛物面反射后向空中辐射。
由于馈源位于抛物面的焦点上，电波经抛物面反射后，沿抛物面法向平行辐射。
接收时，经反射面反射后，电波汇聚到馈源，馈源可接收到最大信号能量。
图1 抛物面天线抛物面天线的优点是结构简单，较双反射面天线便于装配。
缺点是天线噪声温度较高；由于采用前馈，会对信号造成一定的遮挡；使用大功率功放时，功放重量带来的结构不稳定性必须被考虑。
2．卡塞格伦天线卡塞格伦天线是一种双反射面天线，它由两个发射面和一个馈源组成，如图2所示。
主反射面是一个旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面，馈源置于旋转双曲面的实焦点F1上，抛物面的焦点与旋转双曲面的焦点重合，即都位于F2点。
从从馈源辐射出来的电磁波被副反射面反射向主反射面，在主反射面上再次被反射。
由于主反射面的焦点与副反射面的焦点重合，经主副反射面的两次反射后，电波平行于抛物面法向方向定向辐射。
对经典的卡塞格伦天线来说，副反射面的存在遮挡了一部分能量，使得天线的效率降低，能量分布不均匀，必须进行修正。
修正型卡塞格伦天线通过天线面修正后，天线效率可提高到0.7—0.75，而且能量分布均匀。
高功率近场卡塞格伦天线的设计
高功率近场卡塞格伦天线的设计
龚云峰;谢拥军;岳亮;王元源
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2009(32)13
【摘要】系统地给出了高功率近场卡塞格伦天线的设计.刺用内壁光滑的指数型多模喇叭满足高功率微波天线对馈源高功率容量和良好辐射特性的要求,并将介质透镜加栽于喇叭馈源口面,以保证对天线副面进行平面波照射.通过优化设计,得到X频段高功率近场卡塞格伦天线的结构尺寸,使其理论功率容量大于600 mW.实测结果与仿真结果吻合良好,证明该设计方案的可行性.
【总页数】4页(P1-4)
【作者】龚云峰;谢拥军;岳亮;王元源
【作者单位】西安电子科技大学,天线与微波技术国家重点实验室,陕西,西
安,710071;西安电子科技大学,天线与微波技术国家重点实验室,陕西,西安,710071;西安电子科技大学,天线与微波技术国家重点实验室,陕西,西安,710071;西安电子科技大学,天线与微波技术国家重点实验室,陕西,西安,710071
【正文语种】中文
【中图分类】TN823
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1.基于口面场方法的W波段高口面效率单脉冲卡塞格伦天线 [J], 郑沛;赵国强;金城;孙厚军
2.波束波导馈电的新型偏置近场卡塞格伦天线 [J], 谷胜明;刘少斌;张凤林;刘昊
3.面向卡塞格伦伞状天线的主副面同步展开机构设计及分析 [J], 韩晓童;王晓凯;邢永涛;张树新
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一种改进型的椭圆波束卡塞格伦天线
一种改进型的椭圆波束卡塞格伦天线陆晓家;李文锴;何山红【摘要】本文提出了一种变焦距、变照射角、大轴比椭圆波束卡塞格伦天线.并给出了一种简单而有效的设计方法,同时也介绍了反射面天线辐射方向图的计算原理.在此基础之上,制作了一款天线轴比为1.37的天线模型,并结合馈源的辐射方向图,主面口面场,给出了仿真和测试的反射面天线的辐射方向图等性能.结果表明,在宽频带范围内,该天线不仅可以实现大轴比的椭圆波束,而且在考虑馈源支杆遮挡效应的情况下,依然具有合适的副瓣电平和天线效率.【期刊名称】《中国电子科学研究院学报》【年(卷),期】2018(013)002【总页数】5页(P186-190)【关键词】卡塞格伦反射面天线;椭圆波束;轴比;副瓣电平;天线效率【作者】陆晓家;李文锴;何山红【作者单位】安徽工业大学,安徽马鞍山243032;安徽工业大学,安徽马鞍山243032;安徽工业大学,安徽马鞍山243032【正文语种】中文【中图分类】TN8230 引言椭圆波束天线特别适用于装载在某些空间受到限制，辐射口通常又是矩形的通信系统中。
无疑以椭圆的长短轴作为椭圆波束天线的长轴边和短轴边是理想的选择。
虽然利用切割抛物面天线形成的椭圆波束天线可以充分利用安装空间，但是在副面边缘和主面边缘泄漏的能量较多，导致天线效率不高，而且也很难用于圆极化场合。
双偏置椭圆波束天线[1-3]不但能实现椭圆波束并且具有较高的天线效率，其利用对称转换原理可以消除由于偏置结构所引起的线极化工作时的交叉极化上升和圆极化工作时的波束倾斜现象，但是由于双偏置结构造成纵向尺寸和横向尺寸增大，不适合应用在一些对尺寸限制比较严格的场合。
变焦距环焦椭圆波束天线[4]具有对称的结构，和切割抛物面天线类似可以充分利用安装空间，但椭圆波束的轴比增加时，会存在反射面区域交叠的现象，导致制造困难、副瓣电平增加、天线效率降低、交叉极化电平上升等结果。
变焦距椭圆波束卡塞格伦天线[5]可以实现大轴比椭圆波束，但当轴比较大时，在主反射面的中心区域，长轴平面和短轴平面的顶点相差较远，利用过渡函数设计的反射面在中心区域变化比较急剧，呈现为凹点过深的马鞍状，这样不但结构上不易实现，还会由于其斜率变化过快，导致天线的辐射方向图等也会随反射面的制造误差变的相当敏感。
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波束波导馈电的新型偏置近场卡塞格伦天线作者：谷胜明,刘少斌,张凤林,刘昊来源：《现代电子技术》2010年第09期摘要:提出一种新型偏置近场卡塞格伦天线,天线的主副镜均由具有圆口径的抛物面镜构成,给出了主副镜的几何参数和设计方程。
采用非传统且适应高功率应用的波束波导进行馈电,天线系统(含波束波导)采用了几何光学和去极化的设计方法。
根据照射锥削角和高斯束腰设计了方向图圆周对称的波纹喇叭馈源。
在此馈源喇叭的基础上,根据高斯波束法得到波束波导各镜面尺寸。
采用物理绕射理论对一个设计实例的方向图进行分析,证明该天线系统具有极低的交叉极化电平和旁瓣电平。
关键词:偏置近场卡塞格伦天线; 波束波导; 波纹喇叭; 馈电中图分类号:TN823+.28 文献标识码:A文章编号:1004-373X(2010)09-0041-04New Offset Near-field Cassegrain Antenna Fed by Beam WaveguideGU Sheng-ming1, LIU Shao-bin1, ZHANG Feng-lin2, LIU Hao2(1.Nanjing university of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, China;2.Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China)Abstract: A new offset dual nearfield Cassegrain antenna is presented, its main and sub reflectors are parabolic reflectors and both have circular apertures, the geometric parameter and design equations are given in this paper. The new antenna is fed by an unconventional beam waveguide which suits for high-power application, geometrical optics procedure and depolarization method are used for designing the whole antenna system (including beam waveguide). According to the illustration taper angle and Gaussian beam waist, a corrugated horn with circular symmetry radiation patterns is designed. Based on the horn, the size of reflectors in the beam waveguide is gained by Gaussian beam method. Radiation patterns of an example are calculated by physical theory of diffraction method, the simulation results prove that the new antenna system has very low cross polarization and side lobe level.Key words: offset near-field Cassegrain antenna; beam waveguide; corrugated horn; feed0 引言在深空探测和气象测量领域,往往要求天线具有高增益、高极化纯度和低旁瓣性能,有时甚至要求天线在高功率环境下工作。
采用波束波导馈电的反射面天线是常见的选择 [1-3]。
波束波导由一系列反射镜规则排列构成,目前主要应用于传输线馈电网络和受控核聚变的等离子体加热中[4-5]。
反射面天线采用波束波导馈电具有低损耗、易维护等优点,但传统反射面天线采用波束波导馈电会出现波束在主镜附近聚焦的情况,这就限制它在高功率情况下的应用[6]。
近场卡塞格伦天线虽然具有高功率应用的能力,却存在大副镜遮挡的问题 [7]。
本文首次提出了偏置近场卡塞格伦天线的概念,通过主副镜结构的偏置避免了副镜及支架的遮挡,可以有效提高天线的口径效率,降低近轴旁瓣电平和电压驻波比[8];同时副镜尺寸的选择也不再受遮挡效率因子的限制,将更加灵活。
由于采用单抛物面波束波导馈电,波纹喇叭馈源辐射出的波束在传输过程中将不再聚焦,因此偏置近场卡塞格伦天线具有高功率应用的能力。
1 几何参数和设计方程图1给出了偏置双抛物反射面天线的侧视图。
图1 偏置双抛物反射面天线天线的几何结构完全由图中标注的11个参数决定,所有参数的定义如表1所示。
在11个天线参数中,只有5个独立参数可以作为初始参数指定,剩余的6个参数可以根据设计公式计算得到。
表1 参数定义符号定义Dm主镜在XY坐标系下的投影口径Fm主镜焦距H主镜偏置高度θo主镜偏置角θL主镜非对称面顶端偏置角θU主镜非对称面底端偏置角Fs副镜焦距β主镜母线对称轴(Zm轴)与副镜母线对称轴(Zs轴)之间的夹角-s主副镜沿X轴最小的边缘间距Ds副镜在XsYs坐标系下的投影口径D整个天线沿Zm轴的最大尺寸天线的主副镜均由具有圆口径的抛物面镜构成,根据抛物面几何特性可以得到以下6个设计方程:θL=2arctan2H-Dm4Fm(1)θo=2arctanH2Fm(2)θU=2arctan2H+Dm4Fm(3)D=2Fmcos θL(1+cos θL)-2Fssin θL1+cos(β+θL)(4)Ds=2Fstanβ+θU2-tanβ+θL2(5)-s=2FmtanθL2-2Fssin θU1+cos(β+θU)(6)2 天线系统的设计2.1 去极化设计过程偏置双抛物面天线、波束波导和波纹喇叭共同构成波束波导天线系统。
其中,波束波导由抛物面镜和平面镜各一面构成,其结构如图2所示。
抛物面镜将波纹喇叭馈源辐射出的球面波转化为平面波,通过平面镜改变波束方向照射副镜完成馈电。
根据高斯波束法,为了减少波束波导馈电损耗,抛物面镜可以采用-25 dB的边缘照射电平,而平面镜不造成对副镜散射波束遮挡的情况下,可以采用更低的照射电平。
为消除反射面天线结构偏置引起的交叉极化,天线系统的设计需满足C.Dragone提出的去交叉极化原则。
图3为天线系统的去极化设计图,馈源由F1射出以向量为对称轴的球面圆锥波束,经过每个抛物反射面镜的两次反射后变为以向量′为对称轴的波束返回焦点F1处。
其中O,F1分别为副镜和波束波导抛物面镜的焦点;B0和Bm为中心射线与波束波导抛物面镜的两个交点。
当向量与′共线时,满足去交叉极化条件。
由于平面镜仅起到改变波束方向的作用,在去交叉极化设计时可以不用考虑。
具体设计过程如下:图2 波束波导结构图图3 天线系统的去极化设计(1) 从11个参数中选取5个关键参数作为初始参数。
从结构限制和增益要求出发,本文选取Dm,Fm,H,Ds和β,然后根据设计方程计算得到剩余的6个参数值。
(2) 设波束波导中抛物面镜焦点F1在(0,Xs,Zs)坐标系下的坐标为(Xb,Zb+Fb),得到抛物面镜方程如下:Zs=(Xs-Xb)24Fb+Zb(7)式中:Fb为波束波导抛物面镜的焦距。
(3) 由向量与′共线(即F1B0//F1Bm),可以得到如下等式:2Fstanβ+θ02-Xb24Fb-Fb2Fstanβ+θ02-Xb=2Fstanβ+θ02-2Fssin β1-cos β-2Xb4Fb(8)式(8)是关于Xb和Fb的一个方程,给定Xb值即可以得到对应的Fb值。
2.2 波纹喇叭馈源的设计反射面天线设计中最重要的环节之一是馈源的选取,波纹喇叭具有低副瓣、宽频带、低交叉极化特性,且主瓣方向图旋转对称,高斯主模耦合效率极高(可达98%),是波束波导天线优良的馈源[9-10]。
本文选择两段结构的小张角波纹喇叭作为馈源,波纹喇叭结构如图4所示。
图4 波纹喇叭结构图根据照射锥削和高斯束腰要求进行设计,步骤如下:(1) 若将副镜看成波束波导的一部分,那么新的双抛物面镜波束波导将波纹喇叭放大映射到主镜的焦点形成虚馈源,放大倍率为Fs/Fb。
虚馈源的照射角为主镜的张角θU-θL,故波纹喇叭的照射角2α=2arctanFsFbtan(θU-θL2)]。
设主镜的边缘照射电平取-A dB,则波纹喇叭归一化增益方向图主瓣下降A dB对应的锥削角为α,空间因子u=kA0sin α。
(2) 估计合理的喇叭口面相差φ1,根据平衡混合下小张角波纹喇叭通用方向图和主镜边缘照射电平确定u值,从而计算出A0。
(3) 波纹喇叭口面波束半径ωz ≈0.644 A0,等效高斯束腰要求为ω0。
故束腰与口面距离h=πω20λ•(ωz/ω0)2-1,口面固定相位φz=arccos(ω/ω0),喇叭斜长L=A20+πω2zλtan φz,半张角θ=arcsin(A0/L),实际口面相差φ2=πA20/λL。
若φ1≠φ2,则修正φ1直到φ1=φ2。
(4) 合理地选取波纹喇叭的槽宽比w/t和槽深d。
为减小驻波和交叉极化电平,模式转换段长度。
3 设计实例及仿真结果本文给出了一个中心频率100 GHz(即波长的天线系统设计实例,分别采用增益为21 dB的理想高斯馈源和波纹喇叭馈电,通过物理绕射理论计算得到近轴增益方向图,其中天线系统各部分的详细参数如表2所示。
图5为波纹喇叭的仿真结果,可以看到设计的波纹喇叭带宽内驻波比小于1.1,最大交叉极化电平为-41.5 dB,且增益方向图具有良好的圆周对称性。
表2 设计实例的参数值-sXb600λ500λ400λ60λ20°41.8λ11.4°43.6°70.0°21.6λ0FbDbDpA0A1A2θL1L2Lh78.3λ60λ67λ2.27λ0.77λ0.47λ10.6°2.5λ8λ12.34λ2.86λ图5 波纹喇叭仿真结果图6为天线系统的近轴增益方向图。
图6 天线系统的近轴增益方向图从图中可以看到理想高斯馈源激励下天线系统的增益为64.1 dBi,口径效率为72.4%,第一副瓣电平为-29.1 dB,最大交叉极化电平值为-48.1 dB,且出现在φ=90°平面内。
波纹喇叭激励下天线系统的增益为63.9 dBi,第一副瓣电平值为-28.0 dB,最大交叉极化电平值为-41.9 dB且出现在φ=45°平面内。