一种双频段偏焦反射面天线设计

金秀梅 李运志 侯艳茹 胡卫东

0 引言

自2017 年4 月中星16 号卫星在西昌卫星发射中心成功发射，我国拥有了首颗高通量通信卫星，开启了我国自主通信卫星的宽带应用，标志着未来通信卫星可以随时随地实现宽带上网。

基于中星16 号卫星的应用需求，本文设计了一种双频偏焦反射面天线，应用于Ka频段。介绍了双频偏焦反射面天线组成和设计过程，即首先选择合适的馈源和与馈源匹配的宽带圆极化器，找准馈源相位中心；其次确定反射面的焦径比，反射面口径等参数，设计反射面；再次将馈源按照相位中心和反射面焦点重合，进行整体模型的三维电磁仿真；最后是实验验证[1-2]。

1 天线设计

1.1 反射面天线参数设计

反射面采用单偏置反射面，馈源采用竖波纹喇叭。单偏置反射面由于避免了馈源遮挡，有效口径面积效率高、低旁瓣等优点，广泛应用于移动卫星通信领域。

如图1 所示，母抛物面的顶点为O，焦距为F，即母抛物面是以O 为焦点，F 为焦距，z 轴为对称轴旋转对称抛物面，单偏置抛物面就是在母抛物面上用以O 为顶点的圆锥面截取的一部分[2]。

图1 常见偏置反射面天线的几何关系

图1 中，F 为抛物面的焦距，D 为单偏置抛物面天线的口径。H 为单偏置抛物面的下边缘的偏置高度。

图中θ1为抛物线的上边缘和下边缘夹角的平分线与坐标轴z 的夹角，θ2为抛物线的半张角，θ0为馈源的相位中心到反射面中心连线与坐标轴z 的夹角，他们与D 和H 的相对关系如下[2]：

偏置高度H 的选择原则是以馈源对反射面下边缘的反射线不遮挡为出发点，H 要尽可能地取小一些。本文中取H=0，D=750 mm，F=614 mm。

经计算可得馈源轴指向反射面的中心与Z 轴夹角θ0=33.96°。

1.2 馈源喇叭设计

馈源是反射面天线分析中的关键部分，馈源的辐射特性直接影响反射面天线的性能。

图2 馈源模型

本文喇叭选取-12dB 照射角，半张角为36°，与同频段径向槽波纹喇叭相比，轴向槽波纹喇叭具有结构紧凑、口面直径较小，也容易实现双频共用的特点故选择轴向槽形式的波纹圆锥喇叭，也即竖波纹喇叭作为馈源。

设计的馈源在±36°范围内，需要交叉极化良好，配上宽带移相器后可以实现很宽的轴比带宽。

1.3 反射面设计

按照1.1 节的理论计算，在主面上截取口径为D 的反射面，馈源通过支架安装在反射面上，反射面通过枝杆支撑，反射面设计相应的俯仰机构，方便用户使用时对星。

馈源后端外接宽带圆极化器便可完成圆极化功能，宽带圆极化器可选隔板移相器或膜片移相器。

2 实物加工与测试

为检验天线的最终电性能指标，我们在暗室进行了近场测试，其测试环境及测试数据如图3～5 所示。接收频段±1dB 带宽内交叉极化大于27dB，发射频段±1dB 带宽内交叉极化大于24dB。

3 结论

根据Ka 频段卫星通信的应用需求，通过合理选择双频馈源以及偏焦反射面天线的设计参数，精密加工和高精度装配技术等手段，完成了双频偏焦反射面天线的设计生产，并通过暗室测试。实验结果表明，天线的性能指标完全达到设计指标要求，对于同类型的天线设计，具有一定的参考价值。

图3 暗室测试环境

图4 接收频段实测方向图

图5 发射频段实测方向图