多波束卡塞格伦天线及馈源阵列优化设计

李增科，张晓冲 ，吴 旭，付博实

(1.中华通信系统有限责任公司 河北分公司，河北 石家庄 050081；2.中国人民解放军32036部队，重庆 400054)

0 引言

多波束天线利用多个馈源形成多个并行的波束，以此来侦查和探测目标的具体位置，一般可以通过透镜天线[1]、阵列天线[2]、相控阵[3]和反射面天线[4]等来实现多波束。多波束反射面天线就是在反射面焦点附近由多个馈源来形成多个波束。多波束天线技术在移动通信、卫星通信和雷达探测等领域有极高的应用价值。尤其在测控领域，由于近地的高动态目标具有较快角速度和角加速度，要实现对其高概率快速捕获是比较困难的[5]。因此，各国均开展了多波束天线的研制和相关关键技术的攻关，并取得了重大进展[6-9]；另外，为了通信容量的扩展，多波束天线还要具有较低旁瓣，使多波束能够进行多次频率复用[10-11]。多波束天线设计的核心是馈源阵的设计，从而产生所需要的波束，因此天线的波束设计成为多波束天线很关键的技术之一。本文主要是在以往设计多波束天线的基础上进行总结和优化分析，从而为后续工程实践提供可靠的设计经验与优化方法。

1 天线模型和电气指标

天线采用卡塞格伦形式，由2.5 m口径抛物面天线、Ka频段主波束馈源、Ka频段偏焦波束馈源、天线座、天线驱动单元和天线控制单元等组成。主要几何参数如图1所示。馈源对副面的照射角为37°，焦径比F/D=0.35。

多波束天线的主要性能指标为：

① 工作频段：

上行：30～31 GHz；

下行：26～28 GHz。

② 主波束增益：

Gr≥53 dBi，(f0=28 GHz，E≥5°)；

Gt≥54 dBi，(f0=31 GHz，E≥5°)。

③ 主波束宽度：

θr：0.3×(1±10%)°，(f0=28 GHz)；

θt：0.27×(1±10%)°，(f0=31 GHz)。

④ 偏馈波束覆盖范围：

方位：-2°～+2°，俯仰：-2°～+2°。

⑤ 偏馈波束增益损失：≤2 dB。

⑥ 主波束第一旁瓣电平：≤-14dB。

2 馈源设计

利用多波束馈源阵来实现2.0°×2.0°的波束覆盖范围。综合考虑天馈系统的相关技术参数及系统对各波束交叠情况的实际需求，最终组合馈源的外围阵列为12×14方阵，中心4个馈源位置空出用于放置主馈源。多波束馈源外围采用方喇叭密集排列，实现大的波束覆盖范围；中心馈源采用波纹喇叭形式，提高天线主用信道性能，主通道馈源配置有TE21模单脉冲跟踪网络，以实现单脉冲跟踪功能，可同时接收左、右旋圆极化信号。

在成像跟踪基带配合下，偏馈多波束具有捕获、跟踪目标能力；同时具有对主波束的自引导功能；多波束馈源在主波束周边，呈对称分布，单元一般采用方喇叭或圆喇叭形式。研制成功的多波束馈源外形如图2所示。其中，外围阵列馈源利用隔板移相器实现圆极化。

主用单脉冲跟踪馈源由波纹喇叭、TE21模跟踪网络、圆极化器、正交模耦合器和频率双工器等组成，如图3所示。

图3 单脉冲跟踪馈源结构示意Fig.3 Structure of monopulse tracking feed

选用波纹喇叭是由于其具有良好的电气性能，例如，旋转轴对称的主极化方向图、极低的交叉极化峰值电平以及具有低旁瓣的特性和良好的匹配特性。

3 天线的优化设计

3.1 天线口径确定

天线口径D的大小取决于子波束的波束宽度和副瓣电平要求，其关系为[12]：

D=(33.2-1.55SL)·λ/θ3 dB，

(1)

式中，D为天线口径；SL为副瓣电平(dB)；θ3 dB表示3 dB波束宽度。

如果给定增益要求，抛物面直径D可按式(2)近似计算：

G=(πD/λ)2(0.5～0.6)。

(2)

如果给定半功率波瓣宽度，则抛物面直径D可按式(3)计算：

2θ3 dB=λ(65～80)/D。

(3)

对天线的增益和半功率波瓣宽度的要求不是独立的，而是相互制约的。因为一旦天线的增益给定，它的波束宽度也就大致确定。本文中天线工作于28 GHz时，要求波束宽度为0.3°，则求出的天线口径大约为2.5 m。

3.2 焦径比的确定

焦径比对偏馈波束的覆盖范围没有影响，对偏馈波束增益有影响，随着焦径比的增大偏馈损失在减小，但是较大的焦径比会导致天线的轴向尺寸很大，尤其是在车载天线中，方舱对天线的收藏高度是有要求的，很大的轴向尺寸会严重超高，因此应该选择合适的焦径比。综合考虑，取焦径比F/D=0.35。

3.3 副面大小的取值确定

对于多波束天线来说，应考虑到馈源遮挡，若取馈源舱的直径dk=320 mm，记副面直径为ds，主面焦距f，副面实虚焦点间距为fc，则在主面的遮挡区域直径dx满足公式：

fc/f=dk/dx。

(4)

当天线主面确定后，副面的大小会对天线的主波束增益和旁瓣及偏馈损失等性能产生影响。副面变大，偏馈损失会降低，但副面过大时，主波束的增益会降低，旁瓣会变差。当副面过小时，偏馈损失会很大。因此，选择合适的副面在多波束天线设计中尤其重要。因此，要保证天线效率最大和偏馈损失较小，应满足：

ds≈dx。

(5)

本文中，fc=484.271 6 mm，f=875 mm，求得dx=578.2 mm，ds=580 mm。

3.4 波束覆盖区域确定

偏馈馈源位置P与偏馈波束覆盖区域W的对应关系为：

W=Pθ0/λ，

(6)

式中，θ0为天线中心波束宽度；λ为对应频率的波长。这里选取θ0=0.3，工作频率为28 GHz，偏离中心第6个馈源的位置P=72 mm，进而得到W=2.016°。偏离中心第7个馈源的位置P=84 mm，进而得到W=2.352°。

4 计算仿真结果与分析

采用商用Grasp10 软件建立了天线模型，并对其远区场的辐射性能进行了计算。计算模型如图4所示。

图4 计算模型Fig.4 Computational model

经计算，得到了中心波束，如图5和图6所示，多波束天线波束覆盖如图7所示。从计算结果可以看出，多波束天线覆盖区域方位和俯仰均大于±2.0°，满足设计需求。

图5 28 GHz中心波束Fig.5 28 GHz center beam

图6 31 GHz中心波束Fig.6 31 GHz center beam

图7 波束覆盖Fig.7 Beam coverage

利用所建模型计算了各单元的辐射方向图，31 GHz时主波束增益为56.09 dB，28 GHz时主波束增益为55.20 dB，第一旁瓣均小于-17.5 dB。由图7可知，波束覆盖范围大于2.0°，在偏馈波束覆盖范围内，从仿真结果得到31 GHz时偏焦天线最大增益损失为1.88 dB，28 GHz时偏焦天线最大增益损失为2.10 dB，略不满足偏焦天线增益损失不高于2 dB的设计需求。

5 馈源阵的进一步优化分析

为了进一步减小偏馈损失，需要对馈源阵列进行优化设计，抛开传统的平面馈源阵列设计，改为从外至内呈阶梯式的非平面馈源阵列设计，由于偏离中心第6个馈源的波束覆盖刚好在2.0°，因此重点研究了偏离中心第6个馈源在上下移动时，位移量对偏馈损失的影响，如图8所示。横坐标的负值表示向下移动，正值表示向上移动。横坐标0表示偏离中心第6个馈源处于和天线实焦点同一高度。

图8 偏馈损失与馈源位移量的变化曲线Fig.8 Variation curve of offset loss and feed displacement

由图8可以看出，偏馈损失与馈源位移量的变化曲线类似于抛物线，有一个最低点，也是说在向上移动10 mm时，31 GHz时偏焦天线增益损失和28 GHz时偏焦天线最大增益损失分别为1.38，1.6 dB，与平面馈源阵列相比，偏馈损失要低0.5 dB。

6 结束语

本文完成了反射面天线的优化设计和馈源阵列的优化设计，每个馈源对应一个波束，共使用了165个馈源，通过对多波束馈源阵进行进一步优化设计，进一步降低了偏馈损失，具有很好的指导和借鉴意义。仿真表明，该天线可实现2.0°×2.0°的波束覆盖范围，在该范围内主波束增益优于55.09 dB，偏馈源损失小于1.6 dB，满足波束覆盖区、天线增益和旁瓣电平等各项指标要求。该天线形式可应用在地面、车载、测控及星载等多波束通信领域。