一种多波束抛物面天线的设计与分析

收稿日期:2002-06-13

作者简介:雷 娟(1979-),女,西安电子科技大学硕士研究生.

一种多波束抛物面天线的设计与分析

雷 娟,万继响,傅德民,傅 光

(西安电子科技大学天线与电磁散射研究所,陕西西安 710071)

摘要:应用物理光学方法对用于卫星通信的多波束抛物面天线进行了设计与分析,提出了任意形状口

径面的处理思想,可方便、有效地计算口径面形状任意、馈源数目任意、馈源放置位置任意的多波束抛物

面天线的方向图.最后,用波束优化思想对馈源尺寸及位置进行不断调整,从而使各波束半功率波瓣宽

度及偏焦角度达到设计要求,并给出了各组波束方向图.将给定馈源尺寸的抛物面天线的计算结果与

GRASP 软件仿真结果比较,具有良好的一致性.

关键词:多波束;多馈源;任意口径形状;抛物面天线

中图分类号:TN823+127 文献标识码:A 文章编号:1001-2400(2003)03-0399-04

Design and analysis of a mult-i beam parabolic reflector antenna

LEI juan,W AN Ji -xiang,FU De -min,FU Guang

(Research Inst.of An tennas and E M Scattering,Xidian Univ.,Xi c an 710071,China)

Abstract: A desi gn and accurate analysis of a mult-i beam parabolic reflector has been made for satellite

communication by the physical optics method (PO method).An idea for treating the arbitrary reflector aperture is

presen ted,which is convinient and efficient to calculating the radiation characteristics of the mult-i beam parabolic

reflector antenna with the mult-i feed and arbitrary reflector aperture.Finally,based on the concept of beam

opti mization,the size and position of reflector feeds are modified to meet the requirements.The radiation patterns of

each beam are also given.The results obtained are in good agreement with GRASP software p s simulated values.

Key Words: mult-i beam;mult-i feed;arbitrary reflector aperture;parabolic reflector antenna

为了获得高增益,在通信、雷达及射电天文等设备中广泛采用反射面天线.标准反射面天线的基本分析方法以物理光学方法[1]为理论基础,文献[2,3]给出其远区场计算公式及馈源场的计算公式.然而,在实际应用中,为了形成多波束且各波束E 面方向图及H 面方向图有不同的半功率波瓣宽度,需用馈源阵列来照射截割抛物面天线[4].为了设计这种类型的天线,笔者介绍了一种口面形状任意、采用多组馈源以形成多组波束的抛物面天线的设计与分析方法[5].通过对馈源尺寸及安放位置进行设计及调整,可准确计算口面形状任意、馈源数目任意、馈源位置任意的单反射面天线的方向图,因而可满足实际需要.

1 理论基础

馈源辐射的电磁波投射到抛物面内表面,在其上感应面电流,所以抛物面内表面的每一面元都成为辐射单元.要计算抛物面天线的辐射场,须先求出馈源辐射场在反射面上激励的面电流密度分布,再求出抛物面的辐射场.在求抛物面面电流密度时,须作一些假设:反射面位置处于馈源场的远区;不考虑反射面背面电流分布影响;忽略反射面对馈源的影响等.

考虑图1所示反射面天线:馈源处于空间内任意位置,其相位中心与反射面上任意一点M 的夹角为H f ;远区场点坐标为(R,H ,<).则此反射面天线远区辐射场为

E (H ,<)=-j k G exp(-j k R )4P R ( I -R R)k

s c J(r)exp(j k Q c #R)d s c ,(1)2003年6月

第30卷 第3期 西安电子科技大学学报(自然科学版)JOURNAL OF XIDIAN UNIVERSITY Jun.2003

Vol.30 No.3

图1 馈源处于任意位置的抛物面天线示意图式中J(r)为反射面上的电流密度.

抛物面积分面元

d s c =4F 2

(1+cos H f )2cos (H f /2)

#sin H f d H f d

当反射面尺寸远大于工作波长时,馈源发

出的电磁波在抛物面上任意点激励起的电流,

可看成是电磁波在与该点相切的导体平面上

激励起的电流,即反射面上的面电流密度矢量

J =n @(H f +H r )=2n @H f ,(3)

又H f =(1/G )Q @E f ,

(4)

将式(4)代入式(3),则抛物面上电流密度

J =(2/G )n @(Q @E f )=

(2/G )[(n #E f )Q -(n #Q )E f ]=

(2/G )[Q E f H sin (H f /2)+

cos (H f /2)E f ] ,(5

)图2 馈源示意图

其中n =-cos (H f /2)Q +sin (H f /2)H f 为抛物面的单位法线.Q =QQ =

[2F /(1+cos H f )](sin H f cos

源入射电场,H f 为馈源入射磁场.则抛物面远区辐射场分量为

E H =-j k G exp(-j k R )4P R k s c (J (r)#H )exp(j k Q c #R )d s c ,E <=-j k G exp(-j k R)4P R k

s c (J(r)#<)exp(j k Q c #R )d s c .(6) 抛物面天线的方向性依赖于馈源,馈源方向图应与抛物面张角配合,

尽可能减小越过抛物面边缘的能量漏失,使口径照射均匀.而且,馈源应有

固定的相位中心,否则将引起方向图相位畸变.笔者以N 个喇叭阵列作为

馈源,见图2所示,其口径较小,口径场相位偏差不大,可近似认为馈源口径

有同相场.N 个馈源阵列的入射总场为

E =E N i=1

j k E 0P R 2(i)k 1/24a(i)P exp(-j k r )4P r exp j k 2R 2(i)v 2#1+cos H f 2cos ka(

i)u 21-ka(i)u P

2

{c[r 2(i )]-c[r 1(i)]-j s[r 2(i)]+j s[r 1(i)]}(H f sin

图3 抛物面口径面平面图

式中u =sin H f cos

r 1(i)=k P R 2(i)1/2-B (i)2

-R 2(i)v , r 2(i)=k P R 2

(i)1/2B(i )2-R 2(i)v . R 2(i)为各组E 面喇叭的轴长,B(i )为其E 面的宽度,a(i)为其H 面高度.

抛物面天线的口径面可用N 边形近似模拟.

在极坐标系中x f =Q sin H f cos

y f =Q sin H f sin

400 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第30卷