一种Ka/Ku双频段便携天线的设计

张义坡 周辉

【摘要】    便携天线是一种可快速展开使用及收藏的卫星通信地球站天线。文中设计了一种环焦形式的Ka/Ku双频段便携天线，它与传统的偏馈形式便携天线相比，Ka/Ku双频段共用形式使用更加方便快捷，并且馈源比较小巧，满足便携天线小型化的要求。在进行天线电气设计时将馈源模型与天线模型装配完成后，使用CST软件对整天线方向图进行联合仿真计算，并进行优化处理。仿真和实测结果表明，设计的天线电气性能优良，具有良好的实用性。

【关键词】    双频段    便携    环焦

ABSTRACT  The portable antenna is a kind of earth station antenna used for satellite communication which can be deployed and collected quickly.In this paper，a Ka/Ku dual-band portable antenna in the form of ring focus is designed，Compared with the traditional partial feed form of portable antenna，the dual-band antenna is more convenient and quick to use，and its feed source is relatively small，which meets the requirement of miniaturization of the portable antenna. In the process of electrical design， the pattern of the antenna is simulated by using the CST software after assembling the feed model and antenna model. The simulation and test results show that the antenna has excellent electrical performance and is very practical.

Key words  Dual-Band， Portable， Ring focus

引言：

目前，随着卫星通信技术的快速发展，对卫星通信地球站天线的小型化、轻量化设计需求越来越强烈，当前Ka/Ku双频段的便携天线普遍使用Ka频段和Ku频段两套馈源拆装实现，且天线形式多以双偏置天线为主，不利于目前便携天线小型化、一体化、集成化的特点。

根据便携天线的使用要求设计了一款适用于Ka/Ku双频段共用的小口径便携环焦天线，其特点如下：

1.Ka/Ku频段共用1个馈源，设备更加集成，且减小了换馈时间;

2.天线采用环焦形式，并将主反射面分成6块，有利于便携天线的快速拆装;

3.采用波纹喇叭自动优化算法[1]，有效降低了第一旁瓣，并提高了天线效率;

4.正馈形式天线重心更加稳固，比传统偏置天线稳定性更强。

一、参数设计

1.1环焦反射面参数设计

环焦反射面天线的主要参数如图1所示。

天线主反射面是抛物线，副反射面是椭圆，O1点和O2点分别是副反射面的2个焦点，O1点也是馈源的相位中心，O2点是主反射面抛物线的焦点，Dm是主反射面直径、Dsm为副反射面直径，θm是馈源对副反射面边缘点的照射角，Ψm是主反射面张角。r是副反射面上任意一点与原点的距离;r是副反射面边缘到O1的距离。利用能量守恒和反射定律进行，这里不做太多阐述，设馈源电场方向图为 f （θ），口面场分布函数为 F （ x ），根据能量守恒定律：

根据反射定律，副反射面的反射定律为：

等光程条件如下：

由于Dm、Dsm、θm、Ψm为已知，由此可求得R和r，因此确定了环焦天线的主副反射面曲线，将该曲线绕其对称轴旋转即可得到最终的主副反射面[2]。

环焦天线只要馈源的口径不大于副面口径，喇叭的遮挡便不会大于副面的遮挡，因此选择Dsm/Dm=0.1[3]。为了实现馈源的小型化，选取大张角喇叭当作馈源，副面照射角最佳角度为37°。考虑到焦径比F/D越大，馈源及副面离主面越远，结构支撑的稳定性越难实现，综合考虑，焦径比 F/D最终确定为0.35。

1.2 Ka/Ku双频共用馈源设计

Ka/Ku双频共用馈源能实现同一个照射辐射器同时工作于Ku收发频段和Ka收发频段。由于此馈源应用在小口径天线上，采用常规的大张角喇叭设计方法难以满足设计要求。此波纹喇叭应用差分进化算法实现了波纹喇叭的自动优化设计的方法，具有全局搜索能力强，收敛速度快等特点。这次应用的波纹喇叭设定优化目标主要有：工作频带内反射系数、照射电平等化、照射角内峰值交叉极化电平等电气性能。

在Ka/Ku雙频段共用波纹喇叭仿真优化时在光壁段内均匀取样几个控制点，通过样条函数拟合而成。通过改变光壁段内壁上取样点的半径参数就可以控制光壁段的结构形状，达到优化设计的目标。环加载波纹槽段由三个环加载波纹槽组成，也是通过取样每个环加载波纹槽参数，通过优化计算改变每个环加载波纹槽参数，达到优化目标的一组参数。喇叭结构示意图如图2所示。

二、结构设计

天线主反射面板分成6块，主体部分与天线座联接，工作时通过快速安装搭扣将这些反射面精确地拼装在一起形成整个反射面。为减小天线重量，提高天线刚度，天线主反射面采用双层薄壁夹层结构形式，夹层材料为铝蜂窝，上下两层采用碳纤维复合材料。其优点是结构轻巧、重量轻、刚度高，并对主反射面进行表面金属化处理，以满足对Ka频段的使用需求。

为了减小副面支撑对天线电气的影响，该副面支撑材料选用聚甲基丙烯酸亚胺（PMI）结构泡沫材料机加工而成，PMI具有较低的介电常数（1.09），且具有高耐热、高强度、耐腐蚀等特性，已广泛用于航空航天、雷达天线等领域，为了增强该介质的涂覆需求及环境适应能力，在介质表面增加一层0.3mm的玻璃钢。馈源和幅面经过特殊工装与该介质进行粘结处理，为了保证馈源及副面的同心度及理论尺寸，采用特殊工装保证。馈源副面组合结构如图3所示。

三、仿真与实测结果分析

天线结构设计完成后，将结构模型导出，利用商用软件CST建立该天线模型，并设置好副反射面介质支撑及馈源和波导的介电常数，进行整体仿真计算。计算天线的辐射方向图，根据天线的仿真分析，再次进行喇叭的设计优化。通过这种方法最终仿真出的天线辐射方向图将与实际设计结果更加相符。图4为用CST建立的该天线的仿真模型，参数与设计一致。

经过仿真软件的计算，仿真结果满足给定的指标要求，具体结果如图5和图6所示。

根据各个设计参数进行结构设计及加工装配，最终天线的测试结果如图7和图8所示。

通过对天线的仿真及测试方向图进行分析，两者之间还是比较一致的，由于天线进行远场测试时，受周围环境影响及天线自身精度影响，实测方向图零深不太对称，但与仿真结果图形还是比较接近。

仿真与实测结果比较如表1所示。实测的电气性能结果满足工程项目要求。

从表1数据可以看出，实测结果比仿真结果天线效率要稍差些，误差原因分析有如下几点因素：

1.各个零部件都需要机加工，产生了加工精度误差;

2.反射面为快装形式，拼装带来一定的主面精度误差;

3.馈源网络由各个部件螺钉装配，带来一定的插入损耗;

4.所有实测数据在测试过程中存在一定的测试误差。

虽然测试结果与仿真结果有所偏差，但是都能够满足工程项目中的天线电气指标要求。

四、结束语

通过对大张角喇叭、天线辐射方向图的分析和计算，最终给出了一种具有高效率、低副瓣、小型化的双频段便携天线。

实测结果表明，设计的天线电性能优良，实测结果与计算结果吻合良好，Ka频段第一旁瓣<-15dB，效率>50%，Ku频段旁瓣<-17dB，效率>55%，辐射方向图旋转对称，此设计已应用。

参  考  文  献

[1] 孟則宇，杜彪，解磊.大张角波纹喇叭的优化设计[J].无线电通信技术，2017，29（2）：59-63.

[2] 林昌禄，聂在平等.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社，2002.

[3] 杨可忠，杨智友，章日荣.现代面天线新技术[M].北京：人民邮电出版社，1993.