倒置卡塞格倫天線拋物面以及饋源的設計

引言

天線在電視、雷達系統(tǒng)中起著至關重要的作用，隨著人造衛(wèi)星和航空航天技術的新的高精尖科技的發(fā)展，人們對跟蹤雷達的要求進一步提高，主要體現(xiàn)在跟蹤雷達的跟蹤速度、跟蹤精度、跟蹤距離和抗干擾能力上。

倒置卡塞格倫天線就是在這種背景下產生的，它采用極化扭轉技術實現(xiàn)雷達的快速掃描、精確跟蹤，其結構為饋源、拋物面反射器、極化扭轉板。本文將介紹倒置卡塞格倫天線設計中的首要工作，即倒置卡塞格倫天線拋物面的選擇以及饋源的設計。

1天線設計原理

拋物面天線是以幾何光學法為理論基礎的一種天線形式。通過幾何光學法的理論基礎，我們可以知道如果在拋物面焦點上放置一個點源，經過拋物面反射會得到一組平行的射線束。所以饋源發(fā)射的球面波經過拋物面反射以后，轉變成拋物面口徑上的平面波前，這使得拋物面天線具有銳波束、高增益的性能。

拋物面天線的幾何關系示意圖如圖1所示，根據拋物面性質可得：

因為拋物面是由拋物線繞其軸旋轉而成的，所以拋物面有旋轉對稱性，表現(xiàn)在球坐標r'，&，p'里就是其特性不存在p‘方向的變化。

在拋物面分析中，需要得出其表面反射點出垂直于此處切線的單位矢量，所以我們先將式⑵改寫為：

然后對式(3)取梯度得出表面法線再根據幾何關系以及直角-球坐標變換公式，進而可以得到拋物面焦距直徑比(焦徑比)fd與半張角00之間的關系：

2拋物面天線參數的選擇

拋物面天線主要設計參數為焦徑比fd以及半張角?0,根據式(3)可知焦徑比和半張角只需確定其中一個，另外一個就可以計算出來。在長焦距的情況下，d一般在0.3?0.5之間選擇,，d取的小的優(yōu)點是饋源前伸量較小，噪聲比較低；而fd取的大的優(yōu)點是拋物面深度小，交叉極化小。所以，我們根據電腦仿真結果便可確定焦徑比f/d的大小。本例中的拋物面直徑選擇為1400mm?

采用FEKO進行仿真設計，其仿真模型如圖2所示。拋物面仿真結果如表1所列。

表1拋物面仿真結果

綜合上述仿真結果，我們選擇倒置卡塞格倫天線的拋物

面焦徑比為0.5,也即直徑d=1400mm,焦距戶700mmo

3倒置卡塞格倫天線饋源設計

拋物面天線一般以圓錐喇叭或是角錐喇叭作為饋源，本文中將采用角錐喇叭作為天線的饋源，根據工作頻段設計角錐喇叭的尺寸。

角錐喇叭天線是由矩形波導E面和H面的兩壁張開而成的，其輻射特性基本上是E面和H面扇形喇叭的結合，其角錐喇叭結構如圖3所示。

倒置卡塞格倫天線工作在8?9GHz，所以需要根據工作頻率，選擇合適的矩形饋電波導尺寸。經過查表，我們可以得到BJ84(WR112)工作頻率為6.57?9.99GHz，與我們要設計的頻率相符，所以選用該型號的波導作為角錐喇叭的的饋電波導，其尺寸為a=28.499mm,Z>=12.624mm。

在確定了角錐喇叭饋電波導的尺寸后，根據公式以及預計的增益范圍即可大概計算出角錐喇叭的其它尺寸初始值，并用HFSS建模仿真優(yōu)化，最后得到角錐喇叭天線的尺寸為：a1=80mm,Z>1=70mm,Re=90mm,a=28.499mm，b=12.624mm

角錐喇叭的駐波比如圖4所示。

角錐喇叭E面和H面方向圖如圖5所示。

從仿真結果來看，角錐喇叭天線在整個頻段上駐波比小于1.75,中心頻率上天線最大增益為19.6dB。喇叭性能良好。

4天線設計結果

最終的結果是天線在整個8?9GHz頻段內的增益均在34?35.8dB之間，中心頻率處的天線增益為35.5dB,同時整體的S11均在-20dB以下，天線的波束寬度為17.6。。

5結語

本文設計了工作在8?9GHz頻段的倒置卡塞格倫天線的拋物面以及饋源，仿真設計結果證明，兩者匹配良好，可為后面設計拋物面柵格以及極化扭轉板提供良好的基礎。

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