背腔天线相位中心的分析计算_苏晓莉

-10
-15 -20 -25
-30
-35
-40 -10
相心和焦点重合 相心和焦点不重合
-5
0
5
10
[deg]
度为 0，即平板反射器时，仍按上述模型计算，由相 位曲线看出，相位起伏很大，可见相位中心发生变 化，根据公式（2）计算得到相位中心位置在现坐标 原点下方 0.316λ即平板上方 0.16λ处。通过计算得
这样一个参考点使得在主瓣某一范围内场的相位保持
相对恒定，则这个参考点称之为“视在相位中心”[3]。 这些计算相位中心的方法相对复杂，要求天线
远区辐射场有明确解析式，平时工程应用中可以利 用 ANSOFT 公司的三维仿真软件 HFSS 计算天线的 相位中心，计算相对简单，计算结果的精度也满足 工程需要。
由图 1（c）可以看出，边缘照射角（取 68°） 与 0°之间相位差最大，为-117.22°，理想情况下为 0，一般相位起伏 10°内即可认为相位中心位置正 确。如图 2 所示，假设相位中心在 P 处，则点 B 和
点 O 之间相位差应在 10°内，点 A 与点 B 均为θm 方 向远处一点，点 A 与 O 之间相位差记为ϕ AO ，点 B 与 O 之间相位差记为ϕBO ，ϕBO 与ϕ AO 的差值对应 O、P 两点的波程差 Δ ，则有
作者简介： 苏晓莉，女，硕士、工程师，主要研究领域为线天线、阵列天线理论研究与设计。
·1106·
·1104·
2 背腔天线相位中心计算
关于如何确定天线相位中心问题的研究，早期
Baur、Hu、Ujiie 和 Muehldorf 等人做了一些工作， 采用求天线远场最大辐射方向上相位面曲率中心的
方法来确定喇叭天线的相位中心，并对具体的天线
结构如圆口径、矩形口径的角锥喇叭给出了计算相
位中心的解析表达式。文献[2]介绍了移动参考点法
200.00
ang_deg(rETheta)[deg]
100.00
0.00
-100.00
-200.00 -200.00
-100.00
0.00 Theta[deg]
c 相位方向图
100.00
200.00
图 1 仿真计算结果
kΔ(1 − cosθ m ) = ϕ BO − ϕ AO
（2）
其 中 ， k = 2π / λ ， 将 数 据 带 入 上 式 得 Δ = 0.476λ ，即点 P 离开圆心 O 距离为 0.48λ ，为
4 结论
图 4 天线实测方向图
3 其他形式腔式天线相位中心
除做馈源外，背腔天线经常被用作阵列天线单 元，或单独使用，阵列天线中用平板发射器较多， 也可用曲面反射器，单独使用时可加大腔体直径以 提高天线增益。若保持腔体直径不变，改变腔体高
这些计算结果表明，我们不能简单的认为背腔 天线的相位中心在其几何中心或边缘位置。背腔天 线的馈电可以想象为两个源的组合：中心的偶极子 和寄生激励的外腔，存在两个辐射模：属于偶极子 的和属于激励腔开口孔径的，当两个源以合适的幅 度和相位合成时，才能得到最佳的辐射效果。
计算天线的相位中心，只要天线的远区辐射场有确
定的表达式，就可以采用这种方法。
对任意天线，其远区辐射场的某个分量可写作
如下形式：
( ) E
=
uˆEu
θ ,φ
e jψ (θ ,φ )
e − jkr r
(1)
式中，
为幅度方向图函数，
为
相位方向图函数，
。这个使
为常
数的参考点称为天线的相位中心。但是，许多天线有
该馈源照射抛物面进行实测，图 4 给出了两组 测试结果，其一是计算的相位中心和抛物面焦点重
·1105·
合时的结果，其二为馈源的相位中心不在焦点位置 时的测试结果，从方向图得出，馈源相位中心和焦 点重合时，天线增益高约 0.6dB、旁瓣电平低 1.1dB， 从而验证了相位中心对天线性能的影响。
dB
0 -5
了检验所求相位中心是否正确，把坐标原点移到 P 处重新计算天线 E 面的相位方向图，结果如图 3 所 示。
dB(GainTotal)[db] an g _d eg (rE Theta)[ deg ]
20.00 10.00
0.00
-10.00 -20.00 -30.00
-200.00
a 模型示意图
-100.00wenku.baidu.com
1 引言
背腔天线[1]早在 60 年代就有人使用，因其特有 的良好性能被广泛应用到反射面天线的馈源或阵列 天线的单元。反射面天线的馈源不仅要求具有特定 的幅度方向图，而且对相位方向图也有要求，要求 馈源辐射球面波，有确定的相位中心，只有当馈源 的相位中心与反射面的焦点重合时，天线才具有最 大的口径利用效率和良好的方向图波瓣特性。阵列 天线波束的形成，主要是靠调整各个单元天线辐射 能量的幅度和相位，尤其是非平面相控阵天线，如 果单元天线的相位中心不确定，就会给移相带来误 差，从而降低天线效率。在跟踪、着陆以及空间飞 行器系统中，通常也希望所用天线具有确定的相位中 心。由此可见，背腔天线的相位中心问题无论在相位 测量应用、形成波束侦收应用、作为阵列单元还是作 为抛物面天线馈源使用都很重要。因使用要求和安装 方式的不同，所采用的背腔天线形式也不相同，本文 分析计算了几种不同腔体尺寸时的相位特性。
0.00 Theta[deg]
b 幅度方向图
100.00
200.00
图 2 相位中心计算原理图
200.00 100.00
0.00
-100.00
-200.00 -200.00
-100.00
0.00 Theta[deg]
100.00
200.00
图 3 E 面相位方向图
由图 3 看出，相位起伏在 10°内的波束宽度为 160°，由此可见，所求相位中心是正确的。
背腔天线相位中心的分析计算
苏晓莉
(中国电子科技集团公司第 54 研究所，石家庄 050081)
摘 要：背腔天线因其特有的良好性能被广泛应用到抛物面天线馈源或阵列天线的单元，无论做馈源还是阵 列天线单元，尤其是非平面相控阵时，确定其相位中心都格外重要，本文通过借助 HFSS 三维仿真软件计算 了背腔天线相位特性，分析了相位中心与腔体尺寸的关系，给出了几种常用腔式天线的相位中心。 关键词：背腔天线，相位中心，HFSS
现以工程中实际用到的馈源为例建模仿真计 算，根据指标要求该馈源采用偶极子激励λ/2 高的 圆柱腔实现，模型示意图见图 1（a），坐标原点在腔 体底部圆心处。图 1（b）、（c）给出了 E 面幅度方向 图和相位方向图，由图（c）可以看出，相位随角度 的变化而变化很大，由此可推断天线的相位中心并 非在坐标原点处，由相位关于 0°对称可知，相位中 心位于 z 轴上。
出，当腔体高度 h 满足 0.13λ ≤ h ≤ 0.25λ 时，相位
中心在振子平面中心处，腔体高度再降低一直到平 板时，相位中心都和平板反射器时一致。若保持腔 体高度为λ/2 不变，加大腔体直径到 1.5λ，通过计 算发现，相位曲线和平板反射器时一致，认为这时 相位中心也在振子和腔体底面之间。由此可见，不 同腔体尺寸的背腔天线在同一频率时对应相位中心 不完全相同。
An analysis on phase center of cavity antenna
SU xiaoli
(School of Information , Xxxxxxxxx University of China, Beijing 100000)
Abstract: Cavity antenna is widely used as feed or unit of array antenna, because of its better performance. Whether it is used as feed or unit ,especially for non-planar phased array antenna, its position of phase center is very important. In this paper ,the phase property of cavity antenna was calculated by HFSS ,the phase center moving with the size of cavity, and the phase center of several kinds of cavity antenna was given. Keywords: Cavity antenna; Phase center; HFSS
参考文献
[1] 王仁德译， 微波腔式天线[M]，信息产业部电子第十四研究所，1999.12 [2] 唐璞等，计算天线相位中心的移动参考点法[J]，电波科学学报，Vol.20,No.6 [3] 丁晓磊，王建，林昌禄，对数偶极子天线相位中心的分析和计算[J]，电子学报，2003，31（9）：1375-1377