多波束抛物面天线设计的若干问题

多波束抛物面天线设计的若干问题
X
Some Problems with the Design of
Multiple -Beam Parabolic Antenna
施浒立1,2
(1.杭州电子工业学院,杭州310037;2.国家天文台,北京100012)
SHI Huli 1,2(1.H ang z hou I nstitute of Electronic Engineer ing ,H angz hou 310037)
(2.N ational A stronomical Observ atory ,B eij ing 100012)
【摘要】　本文介绍了抛物反射面的聚焦特性,指出除了主轴点状聚焦以外,尚存在偏轴非点
状聚焦。

还讨论了抛物反射面的多波束天线有关设计中的几个问题。

最后介绍了典型的多波束抛
物反射面天线。

关键词:　反射面天线,多波束天线,聚焦
Abstract :　T his paper intr oduces focusing features o f a r eflecto r antenna .I t is point ed out
that besides t he fo cus o n t he a xis ,ther e are fo cusing off the ax is.So me pr o blems w ith the design
of mult iple-beam para bo lic antennas ar e discussed.Some mult iple-beam antennas ar e int ro duced at
the end o f the paper.
Key terms :　Reflect or ant enna ,M ult iple -beam antenna ,F ocusing
一、抛物反射面的聚焦特性分析
天线反射面是电磁能量汇集器,当进入口径平面的电磁波照射到凹形反射面后,电磁能量汇聚,最佳汇聚状态是所有能量汇聚到一个焦点,通常称为点状聚焦。

抛物反射面主轴聚焦具有这一特征。

当抛物反射面偏轴聚焦时,能量不能实现点状汇聚,只能汇聚到某一个小区域,这样的聚焦称为非点状汇聚。

非点状聚焦准则能否用于设计天线呢?
为此,我们定义了视在焦点。

所谓视在焦点就是反射能量非点状汇聚时的虚拟焦点,是非点状汇聚时焦点云的等价质心位置。

寻找视在焦点需要用优化方法,参照光学设计中的弥散度、相差度、匹配度〔1〕概念,将三
者加权组合后,建立性能评价函数
F =X ~1F 1+X ~2F 2+X ~3F 3
(1)其中X ~1,X ~2,X ~3为相应的权因子,满足:X ~1+X ~2+X ~3=1
(2)
由于F 2影响较大,X 2应取0.5以上。

第17卷第3期2001年9月 微　波　学　报JOU R NA L O F M I CROW A V ES Vo l.17N o.3　Sep.2001X 收稿日期:2001-03-14;定稿日期:2001-06-11。

对于如图1所示的给定天线系统,过馈源中心作一个与天线轴线垂直的平面。

此平面称为象平面。

当我们将象平面前后移动位置时,将得到不同的F 值,此时F 是象平面位置Z p 的函数。

当
图1　抛物反射面的聚焦特性
F 极小时,此时象平面为最佳象平面。

其优化数学模型如下:
{min F (Z p )ûF (Z p )=X ~1F 1+X ~2F 2+X ~3F 3}
(3)求解上述模型,可得最佳象平面的位置坐标Z 0,这时最佳象平面上象斑重心坐标就是视在焦
点坐标(X ′0,Y ′0,Z ′0),即为最佳馈源中心位置。

通过对抛物反射面的偏轴聚焦特性(图2)进行计算机模拟实验和分析,得到如下结论
:图2　抛物反射面的偏轴聚焦特性
(1)　当波束偏转角小于±5°时,对增益、旁瓣电平等天线性能影响极小。

(2)　当波束偏转角大于±5°,小于±8°时,天线性能会有一些影响,但影响不大,所以仍然具有实用价值。

(3)　随着入射角的变大,能量汇聚情况逐渐变差。

当波束偏转角大于10°以后,天线性能会受到明显影响,故一般不宜在工程中采用。

二、有关几个问题的讨论
2.1　斜射角对天线性能的影响
82微　波　学　报2001年9月
随着斜射角的变化,天线口径等效接收圆面变成椭圆面,当量接收面积减少,减少量为:
$S =P r 2-P r 2cos A
(4)其中r 为口面半径,A 为斜射角。

对天线增益的影响量为:
$G =10(log G P r 2K -lo g G ′P r 2K
co s A )(5)
其中,G 为天线效率;G ′为斜射时天线效率;r 为天线口面半径;K 为波长。

斜射时使增益减小的原因还有:天线口面上场的照射分布改变,口面对馈源照射能量截获的口径效率变小,从而影响增益下降,增益下降程度与馈源方向图及f /D 之值有关,当f /D 较大时,方向性系数下降小些,为此多波束天线应选择较长焦距。

经某些天线的计算和实验,偏转角在±5°以内时,增益下降不会超过0.5dB 。

分析表明:斜射造成的散焦也是影响偏轴接收增益的主要因素,当斜射角较小时(A <5°),主要是横向散焦,主面反射线汇聚成一条靠近主焦点的直线。

当斜射角较大时(A >10°),将产生大范围横向、纵向散焦,这时偏轴接收增益损失较多,接收效果也将明显恶化。

另外斜射接收时,天线的波瓣形状改变,当馈源偏焦不大时,方向图变化尚不明显,但可以看到旁瓣一边增大,一边减小;当馈源偏焦较大时,旁瓣电平升高很
多,有时一边的旁瓣就与主瓣融合;当天线横向偏焦达到0.1K 时,旁瓣升高1.97dB 〔6〕,旁瓣电
平升高会增加接收噪声,使S /N 变坏,这是偏轴接收中的一个问题。

2.2　馈源安置方式
多波束天线馈源安置方式有两种,一种为主偏安置方式,即把一个馈源安置在主轴焦点上,其它馈源安置在偏轴焦点上,安置在原主轴焦点上的馈源性能无变化,可以作为主接收器,其它馈源偏轴安置,性能会有些影响;另一种安置方式为偏轴安置方式,即馈源均放置在偏轴焦点上,这时馈源接收的质量都有影响。

馈源偏置时,必须计算偏斜角和偏置量(图3),初步确定馈源安放位置,然后采取必要的技术措施进行细调,最后确定馈源最佳位置,馈源位置的计算可以分两步进行考虑。

第一步,运用波束偏转因子,记为K
K =
A H (6)其中A 为波束偏转角;H 为馈源偏转角
H =tg -1D x f (7)
其中f 为焦距;D x 为斜轴焦点横偏量。

波束偏移因子与抛物面边缘照射电平和焦比f /D 有关,图4画出了这种关系曲线。

由图4可见,f /D 较大时,波瓣偏移因子接近1,因为f /D 越大,口径相位偏差越接近于线性。

第二步,可以借用射线光学及反射定理,计算得到斜轴焦点
x =x O +2y O tg (2H -A )+tg (2H +A )y =tg(2H -A )-tg(2H +A )tg(2H -A )+tg(2H +A )y O (8) 解上述方程,可得斜射角为A 时,斜轴焦点集(x ,y )。

根椐天线汇聚区能量分布,确定视在焦点(x ′O ,y ′O ),
(9)
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第17卷第3期 施浒立:多波束抛物面天线设计的若干问题
图3
　馈源偏斜有关量示意图图4　波束偏移因子〔
1〕(x ′O ,y ′O ,H )即为斜轴馈源安置的数据。

2.3　座架型式的选择
单波束天线可以选择方位-俯仰座架、极轴(时角-赤纬座架)座架、x -y 座架、
斜轴座架,甚至也可以选择非正交轴座架。

因为指向空间一个目标时,只要有两根转轴即可。

但是,当多波束天线接收两个或多个目标时,仅靠座架的两根转轴就不够了,如同时接收多个同步卫星的多波束天线(图5)。

座架调整是使一个波束(主波束)精确地指向目标,对另一个目标的精确指向须通过调整对应馈源位置实现,馈源的调整包括x ,y ,z 向的线性移动量和绕x ,y 的转动量。

但跟踪某些特定目标时,如天体目标、同步卫星目标时,调整可以简化,有时只要有一个回转调整环节即可,如图5
所示。

图5　方位俯仰座架中馈源调整示意图
2.4　消光程差问题〔
1〕要提高偏轴聚焦后的天线接收质量问题,必须减小和消除光程差。

可以在馈源喇叭口面前加电磁赋形透镜,这样,电磁波通过透镜后可以修正光程差,使到达馈源相位中心的电磁波达到同相要求,还能改善口径平面电磁波的分布,所以能有效地提高天线的电性能和效率。

三、典型的多波束抛物反射面天线
3.1　北京双星多波束抛物面天线
84微　波　学　报2001年9月
北京双星天线技术公司利用抛物面的偏轴非点状聚焦理论,研制了利用一个抛物面可以
同时接收2～3个同步卫星信号的多波束天线,并申报了专利〔5,6〕。

图6是双星多波束抛物面天
线的原理图,图7
是馈源结构示意图。

图6　双星多波束抛物面天线原理图
图7　阵列馈源结构示意图
当来自与主轴成H 角的目标信号时,电磁能量汇聚到A 处,在那里放置另一个馈源可同样收到良好的电视收视信号。

当同步轨道上卫星相隔2.5°,5°,7.5°时均能良好应用。

这种天线特别适合城市空间紧张、空间位置价位较高的地方(如香港)。

3.2　日本的甚长基线干涉仪
日本在2001年3月研制了观测致密河外射电源的甚长基线干涉仪,并将在2002年投入观测。

天线阵由四面双波束射电天线组成,双波束天线是口径20m 的卡塞格伦系统,配有S 、X 、K 、Q 波段接收系统。

它在观测一个目标源的同时,能观测一个参考的致密河外射电源,两者相差2°。

图8为模拟和试验的天线示意图,使用了双波束配置后,能减少大气影响,达到10L rad
精度。

图8　模拟和试验的天线示意图
3.3　澳大利亚13波束射电天线
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第17卷第3期 施浒立:多波束抛物面天线设计的若干问题
图9　馈源喇叭平面图
澳大利亚天文学家为了研究21cm 波长的
中性氢发射线,正在研制具有13个波束的射电天线,馈源喇叭阵由13个波纹圆嗽叭组成排列成对称性好的六角形。

图9为该馈源喇叭口径平面图。

单喇叭孔径为240mm ,馈源阵总口径为1290mm ,馈源阵位于天线主焦平面上。

该系统性能表明:中心波束效率为
69.3%,六角形最边缘波束效率为59.8%,边缘波束的慧形旁瓣电平的峰值低于14dB 。

多波束天线由于空间分集,能同时接收多
个目标信号,近年来受到人们的关注。

多波束反射面天线也应该是智能天线的基本形式之一,解决多波束天线中存在的反射面聚焦的光程差问题是多波束天线发展的症结所在。

参　考　文　献
〔1〕　杨劲东.高性能天线系统中的透镜修正方法:
〔学位论文〕.中国科学院北京天文台,1987.9.
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T hirt een Beam,21cm R eceiver F ro nt End.
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(AT N F ),2001.
〔3〕　H .Jasik .A ntenna Eng ineering Handboo k .
M cg raw -Hill Bo ok Com pany Inc.,1982.
〔4〕　叶尚辉,李在贵编.天线结构设计.西安:西北
电讯工程学院出版社,1986.
〔5〕　施浒立,余庆,王鹏.大视场多星电视接收天
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研究方向为太阳射电物理和天文技术方法、电子机械和机电一体化等。

86微　波　学　报2001年9月。