Ku、Ka频段龙伯透镜馈源阵列技术研究

刘 璟 杨仕文 钟鸣海 王卓

(电子科技大学电子工程学院微波工程系,四川成都611731)

1.引 言

龙伯透镜具有多波束、宽频带等优点,近年来在卫星通信领域受到广泛关注[1]。用于收发同一颗卫星的龙伯透镜天线系统的多频段馈源已成为研究的趋势和热点[2]。在龙伯透镜馈电系统中将单个Ku、Ka馈源并排放置(如图1所示),其最大波束指向都会产生一定角度的偏移,无法实现收发同一颗卫星(假定卫星处于z轴方向)。

图1 Ku、Ka馈源偏焦示意图

为了实现Ku、Ka多频段馈源最大波束指向一致,在原馈源基础上进行了改进,辐射口面采用介质杆天线取代尺寸较大的喇叭,减小馈源的阵间距,以利于馈源组阵。采用将Ka馈源放置中间,四周摆放四个Ku馈源组阵的技术来实现Ku、Ka频段最大波束指向一致并跟踪同一颗卫星的目的。其中,Ku、Ka馈源均工作于双频段并可同时进行收发,具体工作频率为 Ku下行：12.25～12.75 GHz,Ku上行：14.0～ 14.5 GHz;Ka下行：19.7～ 21.2 GHz,Ka上行：29.5～31.0 GHz。

2.Ku、Ka频段馈源设计

馈源的设计在透镜天线系统或抛物面天线中都起到至关重要的作用,这里将文献[3-4]中的Ku、Ka馈源进行改进,馈源辐射口面采用介质杆天线取代喇叭从而减小馈源的横向尺寸,减小阵间距,以便于馈源组阵。其中改进后的Ku馈源单元模型如图2所示,两个端口分别用于接收和发射,将探针垂直放置可以同时实现收发正交线极化的目的。馈电部分采用标准的同轴探针,收发端口中间的金属杆对发射端口起到短路臂的作用,通过商用软件CST仿真得到两个端口之间的收发隔离度达40 dB以下。设计时为保证Ku接收和发射频段内圆波导只工作于主模TE11模,其半径尺寸须满足

图2 Ku馈源模型示意图

介质杆中传播的主模为HE11模,其具有良好的旋转轴对称方向图以及较低的交叉极化。设计时为避免激励起其他模式,须适当选择截面直径使它们工作在截止状态,一般只需避免产生非对称的HE12和EH12模式,需满足以下条件

式中：r为介质杆半径;εr为介电常数;λ为自由空间中的波长。通过商用软件CST仿真得到的 Ku频段馈源接收和发射中心频的归一化方向图分别如图3(a)、3(b)所示,其轴向的交叉极化低于40 dB。

高频Ka馈源模型如图4所示,它由正交模耦合器、圆极化器、辐射口面三部分组成。通过正交模耦合器将Ka上下行频段内的信号传输到公共波导中,然后通过介质片加脊圆极化器将这两个频段的信号分解为左旋和右旋圆极化,最后通过介质杆天线辐射出去。其中,圆极化器、正交模耦合器的设计可以参考文献[4],介质杆天线的设计按式(2),这里选取介电常数为2.1的聚四氟乙烯作为介质材料。这样,相比原辐射口面采用传统的喇叭而言就减小了馈源的横向尺寸,以利于馈源组阵。双频段正交模耦合器的隔离度可以达到50 dB以下。CST仿真得到的Ka馈源的接收、发射中心频方向图分别如图5(a)、5(b)所示,其轴向交叉极化低于30 dB。

3.馈源组阵实现收发同一颗卫星

利用上述设计的Ku、Ka馈源组成阵列作为龙伯透镜馈源(如图6所示),其中Ka馈源放置在阵列中间,四周摆放4个相同的Ku馈源,阵间距为20.5 mm。采用等幅同相馈电,组成阵列后的Ku接收和发射中心频方向图分别如图7(a)、7(b)所示。可以看出组阵后的-10 dB主瓣宽度比起单元要变窄50度左右。分析透镜方法可以按照矢量波函数展开法计算[5]。将馈源口面按十分之一波长离散成一个个小的惠更斯面元,并用等效电流和磁流来代替。将Ka馈源至于z轴正上方,四周摆放4个Ku馈源,将其作为透镜的馈源,此时Ka、Ku频段波束最大指向均为θ=180°,达到了收发同一颗卫星的目的。

下面以一个直径为500 mm,分10层的龙伯透镜为例进行分析。其分层方法采用传统的等厚度分层方法,具体半径及介电常数等参数如表1所示,这里假定介质损耗tanδ=0.001。

表1 龙伯透镜分层参数

通过矢量波函数展开法计算得到透镜在Ku、Ka接收、发射中心频的归一化增益方向图如图8(a)、8(b)所示,最大增益分别为30.4 dBi、29.7dBi、36.3 dBi、39.5 dBi。天线整体效率可以按以下公式计算

式中：R为透镜半径;λ为工作波长。通过式 (3)计算得到的Ku上下行、Ka上下行的效率分别为25%、19%、36%、34%。整体效率不高,究其原因主要是传统的等厚度分层不能达到最佳的效率,此外,介质材料在Ka频段的损耗以及Ku频段馈源的组阵导致波束过窄等因素都使得天线效率有所下降。可通过差分进化算法优化透镜每层的参数(透镜半径、介电常数以及馈源焦距等)达到改善龙伯透镜天线效率的目的[6]。

4.结 论

[3]WANG Zhuo,YANG Feng,NIE Zaiping.Dielectric rod Antenna for C band with changeable beamwidth and excellent radiation characteristics[C]//The 8th International Symposium on Antennas,Propagation,and EM Theory,2008.

[4]TARGONSKI S D.A multiband antenna for satellite communications on the move[J].IEEE Trans.On Antennas and Propagation,2006,54(10)：2862-2868.

[5]SANFORD J R.Scattering by spherically stratified microwave lens antennas[J].IEEE T rans.On Antennas and Propagation,1994,37(1)：690-698.

[6]ZHONG Minghai,YANG Shiwen,NIE Zaiping.Optimization of a luneberg lens antenna using the differential evolution algorithm[C]//Antennas and Propagation Society International Symposium,2008.