一种基于共口径的连续视场多波束馈源设计

张宇静; 伍洋; 刘胜文; 杜彪

doi:10.12265/j.cjors.2022205

一种基于共口径的连续视场多波束馈源设计

张宇静^{1, 2, ,},
伍洋^{1, 2,},
刘胜文^{1, 2,},
杜彪^{1, 2,}

1.
中国电子科技集团公司第五十四研究所, 石家庄 050081
2.
河北省射电天文技术重点实验室, 石家庄 050081

基金项目: 河北省人才工程资助项目（A201901004）

详细信息

作者简介:
张宇静: (1998—)，女，河北人，中国电子科技集团公司第五十四研究所在读硕士研究生，研究方向为反射面天线与馈源技术. E-mail:844645418@qq.com

伍洋: (1984—)，男，安徽人，博士，中国电子科技集团公司第五十四研究所正高级工程师，硕士生导师，主要研究方向为反射面天线与馈源技术. E-mail: yangwu10@163.com

刘胜文: (1988—)，男，黑龙江人，中国电子科技集团公司第五十四研究所工程师，在读博士，主要研究方向为反射面天线与馈源技术. E-mail: liushengwen0102@163.com

杜彪: (1962—)，男，河北人，博士，中国电子科技集团公司第五十四研究所首席专家，所副总工程师，研究员，博士生导师，中国电子学会会士，主要研究方向为反射面天线和高效率馈源、阵列天线和超材料天线等. E-mail: biaodu@163.com

通信作者:
张宇静 E-mail: 844645418@qq.com

中图分类号: TN82
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出版历程
- 收稿日期: 2022-09-13
- 录用日期: 2022-11-29
- 网络出版日期: 2022-11-29
- 刊出日期: 2023-04-27

A multi-beam feed design for continuous field of view based on common aperture

ZHANG Yujing^{1, 2, ,},
WU Yang^{1, 2,},
LIU Shengwen^{1, 2,},
DU Biao^{1, 2,}

1.
The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang 050081, China
2.
Hebei Key Laboratory of Radio Astronomy Technology, Shijiazhuang 050081, China

摘要

摘要: 提出了一种共口径的连续视场多波束馈源设计方法，在满足高交叠电平的前提下，通过利用电小尺寸紧耦合单元的电流连续性实现口径共用，从而获得超过物理尺寸的口径范围. 以Vivaldi天线为例验证了其作为反射面高效率馈源的可行性，并总结了在固定反射面交径比和照射角时，这种共口径多波束馈源的设计方法. 最后根据15 m天线设计指标要求，设计了一种Vivaldi馈源阵列，并采用差分进化算法对阵列参数进行了优化，在一个倍频程内实现了波束覆盖范围2°×2°的馈源阵列，其口径效率在60%以上，交叠电平3 dB以内，为面向高效率和高交叠电平需求的反射面馈源低成本设计提供了参考.
- 反射面天线 /
- 多波束 /
- 馈源阵 /
- 紧耦合阵列 /
- 共口径
Abstract: This paper proposes a design method for a continuous field of view multi-beam feed with a common aperture. On the premise of satisfying a high overlap level, the aperture sharing is realized by using the current continuity of tight coupling unit with small size, so as to obtain aperture range which is larger than physical size. The Vivaldi antenna is designed to verify its feasibility as a high-efficiency reflector feed, and the design method of this common-aperture multi-beam feed is summarized when the reflector aspect ratio and illumination angle are fixed. Finally, according to the requirements of the 15 m antenna design index, a Vivaldi feed array is designed, and the array parameters are optimized by using the differential evolution algorithm to achieve a beam coverage of 2°×2° in one octave. The aperture efficiency is above 60%, and the overlap level is within 3 dB.
- reflector antenna /
- multi-beam /
- feed array /
- omnidirectional antenna /
- common-aperture

HTML全文

引　言

射电天文学^[1]是天文学的重要分支，根据射电源的观测需求，射电望远镜天线^[2]需要具有高增益、高分辨率和完备的频率覆盖，因此往往采用单个大口径反射面天线或中小口径反射面天线阵列以提高灵敏度，在分米波至毫米波波段反射面天线相对于其他形式天线具有较高的性价比.

为提高射电望远镜的巡天速度，反射面天线形式的射电望远镜常配备多波束接收机. 通过焦平面阵列照射反射面，利用偏焦馈电形成多个不同指向的波束，从而有效扩大视场范围，提高巡天速度. 传统的多波束馈源阵列^[3-4]各个单元相互独立，受物理尺寸的限制，各个馈源的相位中心相距较远，而波束的指向与馈源的偏焦距离密切相关，因此各波束间隔较大，无法实现连续的天区覆盖. 20世纪末开始，各国相继开展以小型相控阵天线作为多波束馈源的研究，称为相控阵馈源技术^[5-8]. 这种技术通过波束合成网络，加以适当的激励，以子阵列或整个阵列实现对反射面的照射，使局部或整个馈源阵列等效为一个馈源. 合成波束对应的馈源相位中心靠得很近，使波束相互交叠，实现连续的视场覆盖，但在宽带工作的波束合成网络使得系统复杂度大大增加，导致馈源系统造价高昂，同时对通道校准的依赖度极高，在毫米波波段对超大口径天线应用难以实现.

本文借鉴相控阵馈源实现连续波束覆盖的设计思路，提出一种基于共口径思路的连续视场多波束馈源设计方法. 通过利用电小尺寸单元之间的互耦，扩大单个馈源阵列单元的等效辐射口径，获得窄于馈源阵列单元物理尺寸所对应的方向图. 在不需要波束合成的条件下，从根本上解决了馈源阵列单元口径和偏焦距离之间的物理干涉矛盾，实现了高效率、连续空域覆盖的多个波束，提供了一种低成本、高效率、连续视场的多波束馈源阵列技术方案，并总结了对某一固定焦径比，根据照射角设计相应共口径馈源的方法.

紧耦合天线通常具有超宽带特性，这种首尾相连的单元保持了电流连续性，可以扩大辐射口径，其概念起源于Wheeler^[9]提出的连续电流片模型，若连续电流片与地面间的距离为λ/4，它的辐射阻抗与频率无关. 但该模型是一个概念模型，现实中没有相应的实现结构. 随后Neto和Lee^[10]研究了二维长缝隙无限阵列的特性，解释了末端相连的短偶极子阵列天线的工作原理，发现该阵列的工作频率低于Nyquist界限（即单元间距等于最小工作波长）时阻抗几乎是不变的常数，且仅仅包含非常小的电抗，是理想的电流片模型，证明了口径面上电流近似均匀分布的无限大阵列天线通常具有超宽带特性.

本文在馈源组的基础上，采用差分进化算法对阵列参数进行了优化，为面向高效率和高交叠电平需求的反射面馈源低成本设计提供了参考.

1 设计思路

紧耦合阵列天线利用阵列单元之间的强电磁耦合效应来展宽阻抗带宽，通过减少相邻单元之间的距离来增加耦合，通常应用于超宽带宽角扫描相控阵天线^[11]. 阵列天线相邻单元紧密连接，增加了单元天线的有效电尺寸. 单元天线将不再以独立天线的形式工作，工作带宽也不再受单元尺寸的限制. 具有强耦合特性的阵列天线，可以支持波长远大于单个天线尺寸的电流工作.

通过利用紧耦合单元之间电流连续的特性实现多个馈源的口径间互用、单个馈源有效电尺寸增加、反射面馈源馈电点间距减小，再通过优化具体单元参数实现高口径利用效率，解决了传统馈源组中波束交叠和高效率的矛盾.

1.1 可行性分析

紧耦合阵列天线常用的单元结构有：偶极子、八角环形贴片天线、矩形螺旋贴片天线、Vivaldi天线等，这些单元之间相连接的结构保证了电流的连续性. 由于地板对Vivaldi天线影响较小，更容易获得超宽带特性，故采用带状线馈电的Vivaldi天线作为研究对象，探究其作为反射面高效率馈源的可行性.

Vivaldi天线采用带状线馈电的介质天线形式，指数曲线采用Gibson^[12]提出的Vivaldi天线指数模型公式：

$y = \pm ({C_1}{{\text{e}}^{Rx}} + {C_2}) ,$

(1)

${C_1} = \frac{{{y_2} - {y_1}}}{{{{\text{e}}^{R{x_2}}} - {{\text{e}}^{R{x_1}}}}} ,$

(2)

${C_2} = \frac{{{y_1}{{\text{e}}^{R{x_2}}} - {y_2}{{\text{e}}^{R{x_1}}}}}{{{{\text{e}}^{R{x_2}}} - {{\text{e}}^{R{x_1}}}}} .$

(3)

式中：R为指数曲线的曲率； $({x_1},{y_1})$ 和 $({x_2},{y_2})$ 对应指数曲线的起始点坐标和终止点坐标. 根据这几个参数就可以确定曲线的形状.

紧耦合单元由于不适于单独工作，在实际中通常采用设置周期边界条件或者在有限大阵列中仿真. 周期边界模拟无限大阵列在不考虑截断效应的情况下，通常比有限大阵列的仿真结果更为理想. 图1给出了单元单独馈电时阵列中的电流分布情况，由槽线末端电流分布可以看出，这种紧密连接的单元在一定程度上可以共用口径.

图 1 单元单独馈电时阵列中电流分布示意图

Fig. 1 Schematic of current distribution with single-feed element in the array

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为定量描述等效单元口径D和物理口径的关系，仿真了单元在周期边界条件下和7×7阵列中的辐射方向图，频率为8~32 GHz，单元口径为4.8 mm（0.13λ~0.51λ）. 根据方向图的3 dB波束宽度和工程上常用的估算公式 ${\theta _{{\text{3 dB}}}} = 70\lambda /D$ 估计等效单元口径，计算得到等效口径为0.5λ~0.8λ. 图2给出了两种条件下等效单元口径和物理口径比值k随频率变化的曲线.

图 2 等效单元口径和物理口径比值k随频率的变化

Fig. 2 Ratio of equivalent unit caliber to physical caliber k vs. frequency

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由图2可知，单元的耦合强度与电尺寸直接相关，由于同一物理尺寸下，低频波长长，对应的单元电尺寸更小，因此耦合作用更强，等效单元口径更大. 由于7×7阵列规模的限制，和理想无限大阵列有所差距，波束宽度不稳定，呈现波动下降趋势. 单元电尺寸超过0.5λ（即曲线末端）后，k值较小，耦合较低. 为研究这种单元作为反射面高效率馈源的可行性，在保持影响辐射性能的其他参数不变的情况下，改变单元尺寸，得到不同尺寸单元的辐射方向图，选取合适的反射面天线焦径比.

在C波段（2~4 GHz）仿真了7×7馈源阵列方向图，阵列模型如图3所示，将得到的数据代入口径为10 m（100λ，按照中心频率计算）的抛物面天线计算得到增益值，选取焦径比使频段范围内增益最高，根据公式 $\eta = G/(4{\text{π}}S/{\lambda ^2})$ （其中G是天线的增益，S是天线的口径面积）计算此时天线的口径效率，得到频率范围内方向图不出现严重裂瓣的口径范围为20~25 mm. 图4为口径d分别取24、22、21和20 mm时整个频段天线口径效率的变化.

图 3 C波段7×7天线阵列示意图

Fig. 3 Schematic of C-band 7×7 antenna array

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图 4 不同口径单元的天线口径效率

Fig. 4 Antenna efficiency of different aperture elements

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最终确定单元间距为21 mm（0.14λ~0.28λ）、反射面天线焦径比为0.32时天线效率在整个频带内达到最大，此时得到中心单元的天线效率在62%以上. 由于最外侧单元无法满足耦合条件，阵列的实际有效单元只有5×5的范围，除了中心单元外一侧只需要计算两个单元的情况，与中心单元相邻的单元天线效率和中心单元基本一致，交叠电平为1 dB内，间隔的单元天线效率在60%以上，最外侧单元天线效率在60%以上，交叠电平为4.4 dB，初步满足了高效率和高交叠电平要求, 验证了这种紧耦合单元在一定频率范围内作为高效率交叠多波束馈源的可行性.

1.2 设计流程

在验证可行性时根据不同尺寸馈源的方向图代入反射面中计算天线效率，改变反射面焦径比确定馈源在频率范围内达到最大效率时的馈源和反射面参数. 实际应用中，对于不同焦径比，需要设计出达到指标要求的馈源阵. 下面总结了在反射面焦径比一定即照射角一定时，设计共口径多波束馈源的方法：

1）根据所应用的反射面天线焦径比，以及波束交叠要求，确定馈源阵列单元的物理尺寸、单元间距和照射角，并选定照射电平；

2）按照选取的初始设计参数，估算馈源阵列单元所需要的等效辐射口径；

3）根据馈源阵列单元的物理尺寸与等效辐射口径的比值，选择合适的强耦合阵列单元；

4）以反射面天线各波束的性能参数作为评价函数，采用优化算法，对馈源阵列单元的设计参数进行优化，得到使反射面天线各波束性能达到最优的馈源阵列单元设计参数，并将其作为馈源阵列的最终设计参数，完成所述多波束馈源的设计.

2 阵列设计

本节结合具体项目根据上述设计流程进行具体设计，15 m反射面天线指标要求如表1所示.

表 1 15 m天线设计指标

Tab. 1 15 m antenna design specifications

设计参数	指标要求
工作频率	2~4 GHz
口径效率	60%
反射面口径	15 m
扫描范围	2°×2°
交叠电平	≤3 dB
焦径比	0.35
反射面半照射角	71°

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2.1 设计参数确定

反射面焦径比确定时，根据波束偏转角可以估算馈源的偏焦距离，波束偏转因子(beam deflection factor, BDF)公式^[13]为

${\text{BDF}} = \dfrac{{{\theta _{\text{b}}}}}{{{\theta _f}}} = {\arcsin}\left[ {\dfrac{d}{f}\dfrac{{1 + k{{\left( {\dfrac{D}{{4f}}} \right)}^2}}}{{1 + {{\left( {\dfrac{D}{{4f}}} \right)}^2}}}} \right]\dfrac{1}{{{{\arctan }}\left( {\dfrac{d}{f}} \right)}} .$

(4)

式中： ${\theta _{\text{b}}}$ 是波束偏转角； ${\theta _f}$ 是馈源偏置角；d是馈源的偏焦距离；f是天线的焦距；k是与f和d相关的系数，取值为0.3~0.7. 由于d << f，式（4）可简化为

${\text{BDF}} \approx \dfrac{{1 + k{{\left(\dfrac{D}{{4f}}\right)}^2}}}{{1 + {{\left(\dfrac{D}{{4f}}\right)}^2}}} .$

(5)

当给定了天线波束的覆盖区域或扫描角度，就可以确定馈源相位中心到天线焦点的最大距离：

${d_{\max }} = \tan \left(\frac{{{\theta _{{\text{b}},\max }}}}{{{\text{BDF}}}}\right)f .$

(6)

当天线波束的扫描角度为一个半功率波束宽度时，令 ${\theta _{{\text{b}},\max }} = {\theta _{0.5}}$ ，则馈源的偏焦距离为

${d_{{\text{HPBW}}}} = \tan \left(\frac{{{\theta _{0.5}}}}{{{\text{BDF}}}}\right)f .$

(7)

当k取0.5时，相邻波束−3 dB交叠时偏焦馈源相心到焦点的距离d随焦径比的变化如图5所示.

图 5 相邻波束−3 dB交叠时馈源偏焦距离d随焦径比的变化

Fig. 5 The distance of the phase center of the defocus feed to the focus as a function of f/D when adjacent beams overlap at −3 dB

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由图5可知，焦径比为0.35时，相邻波束达到−3 dB交叠时偏焦馈源相心到焦点的距离约为0.52λ. 由于频率与波长成负相关，若要保证在整个频率范围内均实现−3 dB交叠，需要按照最高频率确定口径的最大电尺寸. 焦径比为0.35、频率为4 GHz时，按照上述参数模拟平行波垂直照射反射面时的焦面场分布，结果如图6所示.

图 6 焦面场分布

Fig. 6 Focal plane field distribution

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此时偏焦馈源相心到焦点的距离为40 mm，约为0.53λ_min，与理论值基本符合. 最终确定反射面天线焦径比0.3、波束交叠−3 dB以内、频率范围2~4 GHz时，馈源口径的物理尺寸约为40 mm(0.27λ~0.53λ)，单元间距等于单元物理尺寸.

2.2 单元选取

根据1.1节结果，采用Vivaldi单元作为共口径多波束馈源. 考虑到在后续加工中，介质天线存在介质损耗并且容易进入空气，进而带来一定效率损失，并且贴片结构仿真优化较慢，因此采用全金属形式，结构示意图如图7所示.

图 7 天线结构示意图

Fig. 7 Schematic of the antenna structure

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3 单元优化

考虑有限大紧耦合阵列天线具有边缘截断效应，即中心单元和边缘单元所处的电磁环境不一样，导致二者的阻抗匹配特性有差异. 本文采取在边缘加哑元的方法抑制边缘截断效应，即在天线阵列外围放置相同的单元，在原先一侧三个单元的基础上增加一个，阵列规模为8×8.

首先设置初始参数，利用差分进化算法^[14]优化周期边界条件下单元的天线效率，使其在照射角范围内达到最大；再将优化后得到的方向图数据代入反射面中验证；最后将此参数作为阵列单元参数，计算阵列中各个单元的方向图，代入反射面计算天线效率和波束交叠情况.

考虑到频率范围最高点达到交叠时频率最低点的波束交叠较密集，因此可以适当放宽单元尺寸，并结合优化结果进行调整，最终优化得到单元尺寸为43.7 mm.

3.1 优化过程

本文通过MATLAB-CST联合仿真并采用差分进化算法优化紧耦合单元的方向图，算法流程如图8所示.

图 8 算法流程

Fig. 8 Flowchart of the algorithm

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首先在MATLAB中设置需要优化参数的范围，种群规模设置为大于两倍参数个数，频率范围和场监视器与CST中保持一致，半照射角为71°；然后将种群初始化后产生的变量传递给CST，调用CST求解模型读取计算结果；最后利用切面φ=45°方向图数据计算各频点天线效率，得到一次的结果值. 接着执行算法后续操作.

其中优化目标为各频点天线效率的最低值 $\eta_{\min}$ 与目标效率 ${\eta _0}$ 的差值. 若小于零，则达到目标，函数表达式为

$f = ({\eta _0} - {\eta _{\min }}) \times 100\text{%} .$

(8)

3.2 仿真结果

周期边界条件下全金属Vivaldi单元结构如图9所示.

图 9 周期性单元结构

Fig. 9 Periodic element structure

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按照3.1节中优化过程优化2.2节单元的各个参数，得到各参数最终取值如表2所示.

表 2 天线结构参数取值

Tab. 2 Parameter value of antenna structure

参数	取值/mm	参数	取值/mm
a	5.7	e	6.6
b	9.5	f	5.78
c	7.6	h	0.49
d	3.9	L	71.98
d₁	5.7	w	38
注：w是单元尺寸；d₁是单元的厚度；两者之和为定值，即物理尺寸43.7 mm.

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3.2.1 周期单元

周期单元在优化频点即2.4、2.8、3.2、3.6 GHz的E面和H面方向图如图10所示.

图 10 优化后周期单元各频点方向图

Fig. 10 The periodic unit pattern at each frequency point after optimization

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代入焦径比为0.35的15 m未赋形抛物面天线，得到部分频点轴向波束天线口径效率如表3所示. 可以看出，频率范围内天线效率均在59%以上.

表 3 周期单元各频点天线口径效率

Tab. 3 Aperture efficiency of periodic unit at each frequency point

频率/GHz	效率/%
2.0	63.72
2.4	66.36
2.8	69.66
3.2	62.66
3.6	62.19
4.0	59.73

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单元的有源电压驻波比(voltage standing wave ratio, VSWR)如图11所示.

图 11 周期单元有源VSWR

Fig. 11 Active VSWR of periodic element

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3.2.2 有限规模阵列的中央单元

由于周期边界条件下的仿真结果与实际情况存在一定差距，周期边界是模拟无限大阵列规模的情况，实际仿真结果还需要根据阵列单元方向图综合参考. 将上述优化得到的参数作为阵列单元的参数值，得到共口径多波束馈源阵如图12所示.

图 12 多馈源阵列示意图

Fig. 12 Schematic of multi-feed arrays

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由于单侧扫描需要三个单元，下面给出阵列中央单元的部分频点方向图，如图13所示，并代入反射面计算轴向波束天线效率.

图 13 阵列中央单元各频点方向图

Fig. 13 Central unit pattern of the array at each frequency point

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代入焦径比为0.35的15 m未赋形抛物面天线，得到部分频点轴向波束天线口径效率值如表4所示. 可以看出，频率范围内天线效率在67%以上.

表 4 阵列中央单元各频点天线口径效率

Tab. 4 Aperture efficiency of central unit of the array at each frequency point

频率/GHz	效率/%
2.0	67.96
2.4	72.93
2.8	74.82
3.2	75.16
3.6	75.28
4.0	67.02

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同一焦径比和照射角下，边缘电平为−12 dB 的高斯馈源照射效率约为74%，各频点口径效率对比如图14所示.

图 14 高斯馈源与阵列中央单元轴向波束口径效率对比

Fig. 14 Comparison of axial beam efficiency between Gaussian feed and central unit of the array

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考虑到单元间互耦的影响，图15给出了中心馈源单独激励时，最邻近两个单元的S参数.

图 15 相邻单元S参数

Fig. 15 The S parameter of the adjacent unit

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按照一侧三个单元设计，由内到外分别为单元1~3，最内侧单元馈源等效相位中心偏移口径尺寸的一半，即21.85 mm，其余单元依次偏移65.55、109.25 mm，将对应单元方向图和偏移距离代入反射面系统计算各频点天线效率，结果如表5所示.

表 5 各单元天线口径效率

Tab. 5 Aperture efficiency of each element

频率/GHz		效率/%
频率/GHz	单元1	单元2	单元3
2.0	67.87	66.63	63.93
2.4	72.67	70.85	66.58
2.8	74.38	71.36	65.83
3.2	74.55	69.74	62.87
3.6	73.48	68.73	63.41
4.0	66.47	63.48	58.03

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在扫描范围和频率范围内，最低口径效率达到58%以上，基本达到馈源设计指标要求. 与高斯馈源对比如图16所示.

图 16 高斯馈源与阵列中央单元边缘口径效率对比

Fig. 16 Comparison of edge beam efficiency between Gaussian feed and central unit of the array

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由图14和图16可知，阵中单元形成的轴向波束和边缘波束在频带范围内与高斯馈源性能相当，基本达到性能要求.

频率越高，波长越短，对应电尺寸越大，因此频段内最高频点可实现高交叠电平波束时，低频部分交叠电平更高. 频率为4 GHz时，反射面波束扫描方向图如图17所示. 可以看出，最高频点的交叠电平为3.4 dB，此时最低频点的交叠电平为0.9 dB，在整个频段内基本满足交叠要求.

图 17 4 GHz时反射面扫描波束方向图

Fig. 17 Reflector scanning beam pattern at 4 GHz

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本文设计方案与传统馈源阵以及相控阵馈源方案的性能对比如表6所示，相控阵馈源方案以PHAROS为例.

表 6 与其他两种方案的馈源性能对比

Tab. 6 Feed source comparison with the other schemes

馈源方案	视场连续性	天线效率/%	波束合成
传统馈源阵	否	-	不需要
PHAROS	是	64	需要
本文	是	58	不需要

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4 结　论

本文基于紧耦合阵列的工作原理，参考相控阵馈源的共口径设计思路，在验证紧耦合单元作为反射面高效率馈源的可行性后，在反射面焦径比和照射角一定时，结合优化算法设计了一种频率范围在2~4 GHz、各交叠电平电平在3 dB以内的多波束馈源阵，轴向波束天线口径效率在67%以上、边缘波束天线口径效率在58%以上，满足天线天线设计指标要求，为面向高效率和高交叠电平需求的反射面馈源低成本设计提供了参考.

图 1 单元单独馈电时阵列中电流分布示意图

Fig. 1 Schematic of current distribution with single-feed element in the array

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图 2 等效单元口径和物理口径比值k随频率的变化

Fig. 2 Ratio of equivalent unit caliber to physical caliber k vs. frequency

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图 3 C波段7×7天线阵列示意图

Fig. 3 Schematic of C-band 7×7 antenna array

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图 4 不同口径单元的天线口径效率

Fig. 4 Antenna efficiency of different aperture elements

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图 5 相邻波束−3 dB交叠时馈源偏焦距离d随焦径比的变化

Fig. 5 The distance of the phase center of the defocus feed to the focus as a function of f/D when adjacent beams overlap at −3 dB

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图 6 焦面场分布

Fig. 6 Focal plane field distribution

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图 7 天线结构示意图

Fig. 7 Schematic of the antenna structure

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图 8 算法流程

Fig. 8 Flowchart of the algorithm

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图 9 周期性单元结构

Fig. 9 Periodic element structure

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图 10 优化后周期单元各频点方向图

Fig. 10 The periodic unit pattern at each frequency point after optimization

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图 11 周期单元有源VSWR

Fig. 11 Active VSWR of periodic element

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图 12 多馈源阵列示意图

Fig. 12 Schematic of multi-feed arrays

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图 13 阵列中央单元各频点方向图

Fig. 13 Central unit pattern of the array at each frequency point

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图 14 高斯馈源与阵列中央单元轴向波束口径效率对比

Fig. 14 Comparison of axial beam efficiency between Gaussian feed and central unit of the array

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图 15 相邻单元S参数

Fig. 15 The S parameter of the adjacent unit

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图 16 高斯馈源与阵列中央单元边缘口径效率对比

Fig. 16 Comparison of edge beam efficiency between Gaussian feed and central unit of the array

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图 17 4 GHz时反射面扫描波束方向图

Fig. 17 Reflector scanning beam pattern at 4 GHz

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表 1 15 m天线设计指标

Tab. 1 15 m antenna design specifications

设计参数	指标要求
工作频率	2~4 GHz
口径效率	60%
反射面口径	15 m
扫描范围	2°×2°
交叠电平	≤3 dB
焦径比	0.35
反射面半照射角	71°

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表 2 天线结构参数取值

Tab. 2 Parameter value of antenna structure

参数	取值/mm	参数	取值/mm
a	5.7	e	6.6
b	9.5	f	5.78
c	7.6	h	0.49
d	3.9	L	71.98
d₁	5.7	w	38
注：w是单元尺寸；d₁是单元的厚度；两者之和为定值，即物理尺寸43.7 mm.

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表 3 周期单元各频点天线口径效率

Tab. 3 Aperture efficiency of periodic unit at each frequency point

频率/GHz	效率/%
2.0	63.72
2.4	66.36
2.8	69.66
3.2	62.66
3.6	62.19
4.0	59.73

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表 4 阵列中央单元各频点天线口径效率

Tab. 4 Aperture efficiency of central unit of the array at each frequency point

频率/GHz	效率/%
2.0	67.96
2.4	72.93
2.8	74.82
3.2	75.16
3.6	75.28
4.0	67.02

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表 5 各单元天线口径效率

Tab. 5 Aperture efficiency of each element

频率/GHz		效率/%
频率/GHz	单元1	单元2	单元3
2.0	67.87	66.63	63.93
2.4	72.67	70.85	66.58
2.8	74.38	71.36	65.83
3.2	74.55	69.74	62.87
3.6	73.48	68.73	63.41
4.0	66.47	63.48	58.03

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表 6 与其他两种方案的馈源性能对比

Tab. 6 Feed source comparison with the other schemes

馈源方案	视场连续性	天线效率/%	波束合成
传统馈源阵	否	-	不需要
PHAROS	是	64	需要
本文	是	58	不需要

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参考文献(14)

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[2]	FAGNONI N, ACEDO E D, DROUGHT N, et al. Design of the new wideband Vivaldi feed for the HERA Radio-Telescope phase II[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2021.
[3]	HUANG G L, ZHOU S G, YUAN T. Design of a compact wideband feed cluster with dual-polarized sum- and difference-patterns implemented via 3-D metal printing[J]. IEEE transactions on industrial electronics,2018,65(9):7353-7362. doi: 10.1109/TIE.2018.2793842
[4]	ORFEI A, CARBONARO L, CATTANI A, et al. A multi-feed receiver in the 18 to 26.5 GHz band for radio astronomy[J]. IEEE antennas and propagation magazine,2010,52(4):62-72. doi: 10.1109/MAP.2010.5638236
[5]	PUPILLO G, NAVARRINI A, MELIS A, et al. Preliminary characterization of the digitally formed beams of PHAROS2 phased array feed[C]//The 50th European Microwave Conference (EuMC). Utrecht, 2021: 1035-1038.
[6]	ORRÚ E, ADAMS E A K, BOUWHUIS M, et al. Apertif: lessons learned operating a phased array feed array[C]// The XXXIVth General Assembly and Scientific Symposium of the International Union of Radio Science (URSI GASS). Rome, 2021.
[7]	FAN J, YAN Y H, ZHU K, et al. Design of ultra-wideband phased array feed for radio telescope[C]//The XXXIIIrd General Assembly and Scientific Symposium of the International Union of Radio Science. Rome, 2020.
[8]	ROSHI D, SHILLUE W, FISHER J R. Model for a noise-matched phased array feed[J]. IEEE transactions on antennas and propagation,2019,67(5):3011-3021. doi: 10.1109/TAP.2019.2899046
[9]	WHEELER H A. Simple relations derived from a phased-array antenna made of an infinite current sheet[J]. IEEE transactions on antennas and propagation,1965,13(4):506-514. doi: 10.1109/TAP.1965.1138456
[10]	NETO A, LEE J J. Infinite bandwidth: long slot array antenna[J]. IEEE antennas and wireless propagation letters,2005,4(1):75-78.
[11]	李田浩. 超宽带宽角扫描Vivaldi天线阵列的研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2018. LI T H. Study on ultra-wideband wide angle scanning Vivaldi antenna array[D]. Nanjing: Nanjing University of Science & Technology, 2018. (in Chinese)
[12]	GIBSON P J. The Vivaldi aerial[C]//Proceeding of the 9th European Microwave conference. Brighton: IEEE Press, 1979: 101-105.
[13]	伍洋. 射电望远镜天线相控阵列馈源技术研究[D]. 西安: 西安电子科技大学. 2013. WU Y. Research on the phased array feed technology for the radio telescopes[D]. Xi’an: Xidian University, 2013. (in Chinese)
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施引文献

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引　言
1 设计思路
1.1 可行性分析
1.2 设计流程
2 阵列设计
2.1 设计参数确定
2.2 单元选取
3 单元优化
3.1 优化过程
3.2 仿真结果
3.2.1 周期单元
3.2.2 有限规模阵列的中央单元
4 结　论

最新公告

一种基于共口径的连续视场多波束馈源设计

通信作者:
张宇静 E-mail: 844645418@qq.com

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A multi-beam feed design for continuous field of view based on common aperture

引　言

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1.1 可行性分析

1.2 设计流程

2 阵列设计

2.1 设计参数确定

2.2 单元选取

3 单元优化

3.1 优化过程

3.2 仿真结果

3.2.1 周期单元

3.2.2 有限规模阵列的中央单元

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