有限扫描反射面天线纵向偏焦性能的研究

2022-08-09范黄江叶文熙李正军

空间电子技术 2022年3期

范黄江，叶文熙，李正军

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

有限扫描技术起源于20世纪60—70年代的美国[1]，现在各个国家都在发展各自的有限扫描天线[2]。其广泛应用于移动通信、区域覆盖、GEO全球扫描、火控和星间链路的建立等。传统的纵向偏焦是使馈源沿抛物面轴向连续往返运动，利用增宽后的波瓣，可以达到小角度探测目标的目的[3]。日本的ETS-Ⅷ卫星[4-5]是相控馈电阵列单反射面有限扫描天线在国外高轨卫星上的典型实例，其采用了相控阵偏焦馈电的方式。国内也有应用纵向偏焦的单反射面有限扫描天线的设计[6]。但它仅限于在单焦点传统抛物面上应用，并不能满足双焦点抛物面天线的应用。抛物面的形变可以带来类似馈源沿抛物面轴向连续往返运动的作用，弥补传统纵向偏焦特性在双焦点抛物面天线应用上的不足[7-8]。类似的有焦散抛物曲面天线[9]，电科五十四所的双焦点平面波束扫描透镜天线[10]。

基于抛物面形变的纵向偏焦特性在一定程度上可以说是传统抛物面纵向偏焦特性的延伸，其有别于传统抛物面让馈源在抛物面轴向上往返运动，而是固定馈源不动，使抛物面焦点在抛物面轴向上往返运动，与此同时会伴随着抛物面的形变。而双焦点则是抛物面XOZ平面抛物线和YOZ平面抛物线正交互异，从而两抛物线焦点不一致，使得最终抛物曲面是双焦点反射面。此时，天线的波瓣也会有不同程度的展宽，可以满足小角度探测目标的目的。此外，在波瓣足够宽时，一部天线可以兼具搜索和跟踪的应用，大尺寸偏焦时用作搜索，正焦时则用以跟踪目标。

1 天线结构的分析与设计

如图1所示，天线结构为单反射面天线，反射面天线口径30m，设定馈源为口径0.4m，频率1.25GHz，极化方式为左旋圆极化的基模圆锥喇叭。其半功率波瓣宽度为±19°，即2θ3dB=38°。其边缘增益为10.8dBi。其中波长λ=0.24m。

图1 天线结构Fig.1 Antenna structure

传统抛物面方程为：

(1)

使馈源位于抛物面焦点处，不断改变抛物面焦点，得到如图2所示辐射方向图峰值图。由图2可以确定，当抛物面天线焦距f=24m时，天线的辐射方向图最佳，辐射峰值最高。其中天线增益G=Dη1，D为方向系数，η1为照射效率，照射效率取决于馈源的方向性和抛物面张角ξ0。为取得最大效率，要求馈源的方向性为最大，故取焦距f=24m，此时反射面半张角计算值为34.708，仿真值为34.438，差值不大，可忽略影响。此时焦径比f/D=0.8。由图2可知半功率波瓣宽度2θ3dB≈0.47°。

图2 辐射峰值图Fig.2 Radiation peak diagram

为了满足现代天线宽覆盖的需求，要求天线方向图主瓣展宽，以获得更大的扫描角度。在此，利用纵向偏焦特性，固定馈源在24m焦点处，通过前后推移旋转抛物面的焦点，使天线主瓣展宽，以获得更大的半功率波瓣宽度以及更大的边缘增益。

可以仿真得出符合三馈源、五馈源、七馈源要求的纵向偏焦距离。由此可以确定天线的结构，焦距f0=24m,f1=26.8m,f2=29.2m,f3=35.8m，分别为馈源焦点，三馈源偏焦焦距，五馈源偏焦焦距，七馈源偏焦焦距。由此可见，随着抛物面不断地纵向偏焦，偏焦距离越远，天线主瓣越宽，且天线增益越低。

对应的抛物面方程分别为：

(2)

由这些抛物面方程进行仿真，可以得到下节分析结果。

2 仿真结果与分析

通过以上分析，本文首先进行相控阵一维线性扫描。馈源采用基模圆锥喇叭天线，馈电单元幅度采用等幅分布，相位采用共轭场匹配法取共轭，激励系数导入GRASP软件进行仿真，在POS软件中仅相位优化得到扫描方向图。

整个软件的仿真流程大致为：在GRASP中绘制出天线的几何结构，设置相应的参数。将阵元的位置、幅度、相位等参数写入程序中，将程序导入GRASP。在GRASP中计算天线的方向图，观察其增益和副瓣等性能是否满足设计要求。若增益和副瓣满足设计要求，则天线设计完成。若不满足设计要求，则在POS中建模，导入写有优化目标的文件，计算出结果，再将计算得到的单元幅度和相位重新导入GRASP中，计算出方向图，观察增益和副瓣是否符合要求。若仍不符合要求，则应修改优化目标，重复上述过程直至达到设计要求[11]。

以七馈源为例，馈源选择基模圆锥喇叭，因为圆波导加工方便，壁比较薄，可以节省空间，便于控制阵元间距而抑制栅瓣。喇叭极化方式左旋圆极化，喇叭口径尺寸400mm。馈源阵沿y轴排列，7个馈源喇叭单元，单元间距400mm，等间距排布，文中忽略馈源喇叭的厚度，所以阵间距也为400mm，馈源排布如图3所示。

图3 馈源一维排布Fig.3 The feed is arranged in one dimension

保持XOZ平面抛物线焦点f0=24m不变，YOZ平面抛物线焦点由f0=24m外推到f3=35.8m。由此得到抛物曲面方程：

(3)

各个单元的激励系数见附录。从-3°、-2°、-1°、0°、1°、2°、3°7个扫描角处的天线扫描方向图，如图4所示，其中GRASP优化和POS优化相差不是很大。计算得出的激励系数和软件仿真的激励系数优化得到的天线辐射特性基本一致。

图4 一维扫描七馈源外推11.8 m扫描方向图Fig.4 One dimensional scanning seven-feed extrapolation of 11.8 m scanning direction diagram

图4中GRASP、POS对应的是标准抛物面纵向偏焦，Single-GRASP、Single-POS对应的是抛物曲面天线纵向偏焦，GRASP是仅在商业软件GRASP中作相位调整，POS是在商业软件POS中仅设置相位调整。从图4中可以看出GRASP软件相位调整和POS软件仅相位调整仿真出的方向图指向一致，最大增益和波瓣宽度也基本一致。而经过反射面调整，使XOZ面和YOZ面抛物线正交且互异，抛物曲面在Z轴上会有双焦点，分别对应XOZ面抛物线焦点和YOZ面抛物线焦点。其中3°扫描角处GRASP、POS、Single-GRASP、Single-POS分别对应的方向图增益分值为31.36、31.39、45.04、45.03dB，对应的3dB波瓣宽度为1.37°、1.38°、1.41°、1.43°；2°扫描角处GRASP、POS、Single-GRASP、Single-POS分别对应的方向图增益分值为31.50、31.61、45.45、45.45dB，对应的3dB波瓣宽度为1.36°、1.34°、1.44°、1.44°；1°扫描角处GRASP、POS、Single-GRASP、Single-POS分别对应的方向图增益分值为31.63、31.81、45.71、45.70dB，对应的3dB波瓣宽度为1.38°、1.36°、1.44°、1.44°；0°扫描角处GRASP、POS、Single-GRASP、Single-POS分别对应的方向图增益分值为31.49、31.86、45.78、45.78dB，对应的3dB波瓣宽度为1.42°、1.38°、1.42°、1.44°。抛物面天线轴对称，故-1°和1°对称一致，-2°和2°对称一致，-3°和3°对称一致。可以看出，相较于传统标准抛物面天线，抛物曲面天线在天线纵向偏焦后能达到的增益更高，且抛物面纵向偏焦还有一些小的栅瓣，而抛物曲面纵向偏焦没有栅瓣。除此之外，抛物曲面纵向偏焦波瓣展宽也要优于抛物面纵向偏焦。由此可知，抛物曲面天线的辐射特性相较于抛物面天线的辐射特性在纵向偏焦后得到了极大的改善。

取0°方向作具体分析，七馈源增益相差14.29dB，且3dB波瓣宽度也有小幅度的展宽。如图5所示，F24表示的是标准抛物面天线焦距为24m的幅度方向图，其峰值为50.63dB；F35.8表示的是标准抛物面天线焦距为35.8m的幅度方向图，其峰值为31.49dB；FF35.8表示的是XOZ抛物线焦点24m，YOZ抛物线焦点35.8m的双焦点抛物曲面天线幅度方向图。可以比较得到双焦点比单焦点天线增益上升了14.29dB，且波束宽度有小幅度的展宽。

图5 幅度方向图Fig.5 Amplitude pattern

3 结论

由仿真分析可以得到，抛物曲面天线可以实现一维扫描，确实达成了XOZ平面和YOZ平面抛物线正交且抛物曲面是双焦点。此双焦点有限扫描反射面天线在纵向偏焦后扩大3dB半功率波瓣宽度的同时保持了天线较高的次级方向图增益，一维七馈源阵列相较于传统正馈抛物面天线增益增加了14.29dB，从31.49dB增加到了45.78dB，且边缘增益达到了42.78dB。符合反射面天线的指标。

附录