基于微扰法的低驻波比反射面天线设计

陈毅乔

(中国电子科技集团公司 第十研究所，四川 成都 610036)

0 引 言

反射面天线是一种主瓣窄、副瓣低、增益高的微波天线，目前在雷达、通信、射电天文中获得了广泛的应用［1－3］.在一些特定的应用领域中，如微波中继通信、连续波体制的雷达，往往需要反射面天线具有极低的驻波比，如VSWR≤1.1，以满足收、发共用天线系统的隔离度的要求，如连续波体制雷达一般要求收、发隔离度小于－85 dB［4］.

反射面天线通常由馈源和反射面组成，由馈源产生电磁波，并通过反射面的反射形成定向辐射.同时，反射面的一部分散射波又返回到馈源，从而引起馈源的失配.通过在反射面顶部加入一个或多个金属顶板，使该部分的反射与反射面的反射相消，可有效地降低天线的电压驻波比.但是，该方法对天线的副瓣会带来较严重的恶化，因此应用较少［5］.此外，通过改变馈源的匹配设计，使馈源反射与反射面的反射相消，从而减小天线的驻波比.该技术已在Ka 波段的反射面天线进行了验证，并得到了工程应用［6］.这种方法虽不影响天线的辐射性能，但是其能够实现低驻波比带宽较窄，其电压驻波比小于1.1 的相对带宽仅为1%左右，从而限制了其应用范围.

本研究分析了一种反射面微扰设计的方法，通过改变反射面的外形，可有效降低天线的电压驻波比，同时对天线的辐射性能也基本不减弱.在此基础上，本研究以Ka 波段的反射面天线为例，采用该方法实现了对该天线的低驻波设计.

1 基本原理

反射面天线匹配主要有2 个方面，一是馈源的匹配，二是反射面反射失配的匹配.对于馈源的匹配，可通过在馈源喇叭中加入调谐螺钉的方式来实现;对于反射引起的失配，则要通过改变反射面顶面区域的形状来实现，也就是通过反射面顶部轮廓微扰的方式，使这部分的反射波与反射面其他区域的反射波对消，从而实现匹配.

1.1 反射面驻波比计算

对于反射面引入的驻波比，可通过数值分析进行计算.如图1 所示，源场为球面波Et和Ht，反射面为S，反射点处法向矢量为ntds，则反射系数R 的表达式可表示为［6］，

图1 反射系数计算示意图

若馈源的方向图接近轴对称，E 面和H 面的方向图基本相同，即f1(θ)≈f2(θ)，可用fpr(θ)来表示，此时，反射系数R 的公式可简化成为，

式中，θ0为反射面的照射角，fpr(θ)为空间衰减因子校正后的方向图，

式中，f(θ)为计算的或实测的馈源球面波方向图，r0为常数，则反射面反射系数表达式为，

在已知源场的情况下，即可由上述公式计算出反射面的驻波比为，

1.2 反射面微扰结构设计

在保持反射面的外形(S)基本不变的条件下，对反射面顶部区域引入外形的微扰(S1)(见图2).且该微扰与反射面原形应为平滑的变化，以减小对辐射特性的影响，该微扰结构可设计为，

图2 反射面微扰结构示意图

式中，θa、θb为微扰的起止角域区域，U 为微扰系数.

通过式(5)可迭代计算出，并优化出满足驻波比及电性能要求的微扰结构参数.

2 设计与分析

运用上述微扰设计方法，本研究对一工作中心频率为35 GHz 的低驻波比单反射面天线进行了设计.

天线的反射面采用标准抛物面，其焦距F 为96 mm，口径D 为240 mm，其在旋转面的极坐标表达式为，

天线馈源采用矩形喇叭，口径尺寸为9.00 mm×7.13 mm，该喇叭馈源的E、H 面3 dB 波束宽度均为59 °，边缘照射电平为－12.5 dB，且方向图的E、H面基本一致，如图3 所示.

图3 馈源喇叭增益方向图

运用馈源喇叭的方向图和式(3)、(4)、(5)对微扰设计前的抛物反射面的驻波比进行计算，得到工作频带的驻波比如图4 所示.

图4 微扰设计前反射面驻波比分析图

对反射面的外形进行微扰迭代分析，并从驻波与电能性综合考虑，优化出了最佳的微扰设计参数，微扰设计的反射面结构如图5 所示，该反射面仍为轴对称结构.微扰之后的极坐标方程为，

其中，△ρ 如公式(6)所述，且各微扰参数为θa=11 °，θb=20.5 °，U=0.6.

图5 微扰反射面结构图

运用馈源喇叭的方向图和式(3)、(4)、(5)对微扰设计后的抛物反射面的驻波比进行计算，得到驻波比如图6 所示.

图6 微扰设计后反射面驻波比分析图

通过反射面微扰设计，天线反射面引入的驻波比在34 GHz ～36 GHz 的工作频带内，从1.15 左右下降到1.02 以下，从而有效地改善了天线的驻波特性.

3 仿真验证

在仿真验证中，本研究采用电磁仿真软件FEKO，并应用多层快速多极子方法(Multilevel Fast Multipole Method，MLFMM)对所设计的Ka 波段低驻波比反射面天线进行全波仿真，仿真实验模型如图7 所示.

图7 低驻波比反射面天线仿真模型图

通过全波仿真，得到在低驻波比反射面天线在工作频带内的驻波比情况，将其与微扰设计前的驻波比进行对比，结果如图8 所示.

图8 天线驻波比对比图

从仿真结果可见，在较宽的频宽内反射面回波均未引起天线驻波的恶化，微扰设计后的天线驻波比与馈源的驻波比基本一致，其驻波比小于1.1 的相对带宽达到了6%左右.

同时，计算得到该天线中心频率35 GHz 的天线增益方向图与微扰设计前的增益方向图对比结果如图9、10 所示.

图9 天线E 面增益方向图对比图

图10 天线H 面增益方向图对比图

从仿真结果可看出，H 面的副瓣由－31.42 dB变为－29.61 dB;E 面的副瓣由－30.94 dB 变为－27.67 dB，增益由37.09 dBi 下降为37.07 dBi.

仿真验证结果表明，通过反射面的微扰结构设计，该Ka 波段低驻波比反射面天线辐射特性的影响相对较小，保证了天线良好的辐射性能.

4 结 论

本研究利用反射面微扰设计的方法成功地设计出了一毫米波段低驻波比反射面天线.该反射面天线在保证天线的电能性的前提下，有效降低了天线电压驻波比.该天线与传统的馈源对消设计天线相比，其驻波比小于1.1 的相对带宽从1% 展宽到6%，从而扩展了反射面天线在低电压驻波比要求下的应用范围，具有较高的工程应用价值.

［1］徐晓非，孙磊，郭先松，等.0.3 THz 紧凑型反射面天线［J］.现代雷达，2014，36(1):52－54.

［2］彭树生，吴礼，李向芹.300 mm 口径W 波段辐射计偏馈反射面天线设计［J］.红外与毫米波学报，2013，32(6):545－549.

［3］孙博，邱景辉，林澍，等.基于指数渐变馈电结构的超宽带抛物面天线设计［J］.系统工程与电子技术，2010，32(10):2072－2075.

［4］王永华，赵迎超.毫米波段连续波雷达天线隔离度设计［J］.火控雷达技术，2014，43(1):98－100.

［5］田车辇.高性能微波中继天线设计技术［J］.移动通信，1997，20(3):49－52.

［6］田车辇.驻波比的设计与匹配技术［J］.微波与卫星通信，1997，27(1):42－44.