S／X／Ka三频段天线电轴不一致性对天线性能的影响❋

2013-06-27毛南平段玉虎潘高峰梁盛

电讯技术 2013年7期

关键词：电轴指向波束

毛南平，段玉虎，潘高峰，❋❋，梁盛

（1.中国卫星海上测控部飞行器海上测量与控制联合实验室，江苏江阴214431；2.中国电子科技集团公司第三十九研究所，西安710065）

S／X／Ka三频段天线电轴不一致性对天线性能的影响❋

毛南平1，段玉虎2，潘高峰1，❋❋，梁盛1

（1.中国卫星海上测控部飞行器海上测量与控制联合实验室，江苏江阴214431；2.中国电子科技集团公司第三十九研究所，西安710065）

为满足测量船未来深空探测测控任务的需求，设计了三频段合用的波束波导天线。通过计算各频段在4种情况下的波束不一致及增益损失，分析了多频同时工作时电轴不一致对天线性能的影响，提出了天线尽量跟踪在高频段的使用建议，对实际应用具有极大意义。

测量船；三频段天线；电轴不一致性；波束波导；极化波束；增益损失

1 引言

目前，波束波导天线技术在陆基测控天线方面的研究已有成功先例，但在船载测控天线动态条件下的应用尚处于研究阶段［1］。波束波导天线技术在船载平台应用具有诸多优点：例如，波束波导天线系统允许天线射频组件放置在天线座架下的高频机房中（船舱室内），这样便于对馈源网络和前置放大组件进行冷却处理，较大程度地降低系统噪声温度，提高系统G／T值；减小了馈源与发射机之间的馈线损耗，有利于提高系统的上行EIRP值；射频组件和各种高频设备放置于机房内，温度、湿度等工作环境能很好控制，系统的幅相特点、零点稳定性等性能受环境影响较小，也便于设备维修；高频滑环、中频滑环基本可以不用，低频滑环的路数也可大大减少等，因此需要进行波束波导天线技术在船载平台的应用研究。

经理论分析，根据应用环境特点，拟设计S／X／Ka三频段合用的波束波导天线。三频段同时工作时不同频段电轴会有差别，本文通过天线波束不一致及增益损失的分析计算与仿真，对电轴不一致对性能影响进行了研究，给出了多频段天线同时工作的使用建议，为工程实际应用提供了必要的理论基础。

2 波束波导馈电系统的设计

2.1 馈电系统设计

经过分析和对多个波束波导方案的比较［2］，我们选择图1所示的波束波导馈电系统。它由8个反射镜组成，M1、M4、M6、M7和M8为平面镜，M2和M3为抛物面反射镜，M5为椭圆面反射镜。为了保证S、X和Ka三频段同时工作，平面镜M6、M7采用了频率选择面，M6反射S频段信号、传输X和Ka频段信号、M7反射X频段信号、传输Ka频段信号。

图1 波束波导馈电系统Fig.1 Beam waveguide feed system

2.2 分析方法

为了分析多频段工作时电轴不一致对天线性能的影响，首先要分析计算天线各频段和方向图峰值和差方向图零点位置，再计算天线的指向跟踪时不同频段天线和方向图的峰值位置差值和TE21模跟踪时差波束零点与和波束峰值之间的差值［4］。天线增益损失可按下式计算：

其中，P＝0.345 837 76，Δθ为波束位置差值，θ0.5为半功率波束宽度。

当圆极化馈源照射非对称或偏置反射面时就会发生波束倾斜。在波束波导馈电的35 m天线中，3个偏置馈电的镜面M2、M3和M5是波束倾斜的主要贡献源。频率选择面M6和M7也对波束倾斜有小的贡献，在计算中未考虑镜面变形引入的波束倾斜。分析表明波束位置是天线方位、俯仰角的函数，按两种工作状态分析，一是指向跟踪方式时波束位置不一致及引入的增益损失，二是TE21模跟踪工作方式时波束位置不一致及引入的增益损失。

分析表明，天线在某仰角下，天线方位在360°范围内旋转时，左右旋极化峰值位置的变化规律是相同的，峰值位置绕半径为R1、圆心位置为（az0，el0）的圆周运动，并随（AZ-EL）的增加按顺时钟旋转，如图2所示。

图2 波束倾斜位置与方位俯仰角的变化关系Fig.2 Relationship between beam inclined position and azimuth-pitching angle change

圆心位置在半径为R0的圆周上按顺时钟旋转，可用下式拟合出其峰值位置的变化规律：

峰值位置偏离天线光轴的距离为

其中，az、el为波束峰值（或零点）在方位俯仰坐标系中的位置；EL为天线俯仰角；AZ为天线方位角；R0为圆心位置半径；φ0为圆心位置的初始角；R1为峰值位置半径；φ1为峰值位置的初始角。

按照建立的GRASP天线仿真模型［5］，分别计算了仰角为45°、方位0°～360°时各频段天线和方向图峰值和差方向图零点位置，假设某频段跟踪频率为f0GHz，其和波束峰值（或差波束零点）位置坐标为（az0，el0），另一接收（或发射）频率波束峰值位置为（az1，el1），则两波束之间的空间距离为

知道两波束之间的空间距离后，可按式（1）计算增益损失。

3 仿真结果

本文分别计算了各频段在以下4种情况下的波束不一致及增益损失，即左旋圆极化指向跟踪时的波束不一致及增益损失、右旋圆极化指向跟踪时的波束不一致及增益损失、左旋圆极化TE21模跟踪时的波束不一致及增益损失、右旋圆极化TE21模跟踪时的波束不一致及增益损失。

3.1 Ka频段跟踪时各频段、极化波束不一致及增益损失

计算条件如下：跟踪频率为Ka频段；跟踪极化为左旋和右旋圆极化；俯仰角为45°；方位角为0°～360°，步长45°。

表1给出了Ka频段左右旋指向跟踪和TE21模跟踪时，各频段收发波束峰值与跟踪波束的最大空间距离及对应的增益损失。

表1 Ka频段跟踪时各段波、各极化波束位置及增益损失Table 1 The S／X／Ka-band gain loss to the different polarization-beam position tracking on Ka-band

3.2 X频段跟踪时各频段、极化波束不一致及增益损失

计算条件如下：跟踪频率为X频段；跟踪极化为左旋和右旋圆极化；俯仰角为45°；方位角为0°～ 360°，步长45°。

表2给出了X频段左右旋指向跟踪和TE21模跟踪时，各频段收发波束峰值与跟踪波束的最大空间距离及对应的增益损失。

表2 X频段模跟踪时各段波、各极化波束位置及增益损失Table 2 The S／X／Ka-band gain loss to the different polarization-beam position tracking on X-band

3.3 S频段跟踪时各频段、极化波束不一致及增益损失

计算条件如下：跟踪频率为S频段；跟踪极化为左旋和右旋圆极化；俯仰角为45°；方位角为0°～ 360°，步长45°。

表3给出了S频段左右旋指向跟踪和TE21模跟踪时，各频段收发波束峰值与跟踪波束的最大空间距离及对应的增益损失。

表3 S频段模跟踪时各段波、各极化波束位置及增益损失Table 3 The S／X／Ka-band gain loss to the different polarization-beam position tracking on S-band

3.4 仿真结论

仿真计算结果表明：不论Ka频段采用哪种跟踪方式，波束不一致引入的增益损失小于0.03 dB，X频段增益损失小于0.11 dB，S频段增益损失小于0.01 dB；X频段指向跟踪时，S频段增益损失小于0.005 dB，X频段增益损失小于0.022 dB，Ka频段增益损失小于1.56 dB；X频段TE21模跟踪时，S频段增益损失小于0.006 dB，X频段增益损失小于0.05 dB，Ka频段增益损失小于2.2 dB；S频段指向跟踪时，S频段增益损失小于0.009 dB，X频段增益损失小于0.068 dB，Ka频段增益损失小于1.85 dB；S频段TE21模跟踪时，S频段增益损失小于0.11 dB，X频段增益损失小于1.0 dB，Ka频段增益损失小于29 dB。

根据仿真结果可得出以下结论：指向跟踪时，同极化增益损失小于正交增益损失；指向跟踪方式下天线增益损失小于TE21模跟踪方式下的增益损失；不论采用指向跟踪方式或TE21模跟踪方式，高频段跟踪时由于电轴不一致引入的增益较小，反之则较大；S频段TE21模跟踪时引入的Ka频段增益损失是不可接受的。也可得出：在低频跟踪时，特别是TE21模跟踪时，高频增益损失较大；但高频跟踪时，低频增益损失较小。

4 结束语

为船载三频段波束波导系统的天伺馈分系统设计与制定天线使用要求，对该系统的关键技术之一，即电轴不一致对天线性能的影响进行了研究。分析计算了波束不一致引入以及指向跟踪和TE21模跟踪方式下引起的增益损失。通过仿真明确了多频段天线的使用策略，即在选择天线跟踪频段时，应尽量选择在高频段跟踪，避免引入较大的增益损失；并为天伺馈分系统的设计提供了理论依据，为进一步系统优化提供了重要的参考价值。

［1］Barton D K.雷达系统分析与建模［M］.南京电子技术研究所，译.北京：电子工业出版社，2012.Barton D K.Radar System Analysis and Modeling［M］.Translated by Nanjing Electronic Technology Research Institute. Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2012.（in Chinese）

［2］张明友，汪学刚.雷达系统［M］.北京：电子工业出版社，2011. ZHANG Ming-you，WANG Xue-gang.Radar System Analysis and Modeling［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2011.（in Chinese）

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［4］杨可忠.特殊波束面天线技术［M］.北京：人民邮电出版社，2009：111－114. YANG Ke-zhong.Special Beam Surface Antenna Technology［M］.Beijing：People′s Posts and Telecommunications Press，2009：111－114.（in Chinese）

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MAO Nan-ping was born in Jinjiang，Jiangsu Province，in 1972.He received the M.S.degree in 2004.He is now a senior engineer.His research concerns aerospace TT＆C technology.

段玉虎（1958—），男，陕西西安人，1982年获学士学位，现为研究员，主要从事天线与微波技术方面的研究；

DUAN Yu-hu was born in Xi′an，ShaanXi Province，in 1958. He received the B.S.degree in 1982.He is now a senior engineer of professor.His research concerns antenna and microwave.

潘高峰（1972—），男，辽宁锦州人，1995年获学士学位，现为高级工程师，主要从事智能仪器、自动测试系统方面的研究；

PAN Gao-feng was born in Jinzhou，Liaoning Province，in 1972.He received the B.S.degree in 1995.He is now a senior engineer.His research concerns intelligent instrument and ATS.

Email：pgfzhy＠163.com

梁盛（1971—），男，江苏扬州人，2011年获硕士学位，现为工程师，主要从事航天测控总体技术方面的研究。

LIANG Sheng was born in Yangzhou，Jiangsu Province，in 1985.He received the M.S.degree in 2011.He is now an engineer.His research concerns aerospace TT＆C technology.

Impact of Electrical Axis Inconsistency on S／X／Ka-Band Antenna Performance

MAO Nan-ping1，DUAN Yu-hu2，PAN Gao-feng1，LIANG Sheng1
（1.Joint Laboratory of Ocean-based Flight Vehicle Measurement and Control，China Satellite Maritime Tracking and Control Department，Jiangyin 214431，China；2.The No.39 Research Institute of CETC，Xi′an 710065，China）

Shipborne tri-band beam waveguide antenna is designed to satisfy the need of deep-space TT＆C tasks. By computing beam inconsistency and gain loss for each band in four different conditions，the impact of electrical axis inconsistency on performance is analyzed in simultaneous operation at S／X／Ka-band.Suggestions for high frequency tracking are given，which is meaningful for practical applications.

TT＆C ship；tri-band antenna；electrical axis inconsistency；beam waveguide；polarized beam；gain loss

date：2013－01－22；Revised date：2013－04－15

❋❋通讯作者：pgfzhy＠163.comCorresponding author：pgfzhy＠163.com

TN953

1001－893X（2013）07－0927－05