Beam scanning characteristics of side-feed offset cassegrain antenna
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摘要: 研究了侧馈偏置卡塞格伦（side-feed offset Cassegrain，SFOC）天线，针对SFOC天线的几何结构，讨论了结构参数的改变对天线辐射特性的影响，通过调整天线的设计参数实现天线波束的最佳扫描.对天线在不同扫描角度时的辐射方向图进行计算，分析了方向图的副瓣变化及天线波束扫描时天线增益的变化.仿真结果表明除了馈源被反射面遮挡的情况外，该SFOC天线在扫描过程中增益损失以及副瓣变化均较小，为星载天线的设计提供了参考.
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关键词:
- 侧馈偏置卡塞格伦天线 /
- 方向图 /
- 波束扫描 /
- 最佳馈源位置 /
- 最佳馈源指向
Abstract: A side-feed offset Cassegrain (SFOC) antenna is studied. The influence of structural parameters on the radiation pattern of the antenna is discussed. The optimal beam scanning of the antenna is achieved by adjusting the antenna design parameters. The radiation pattern of the antenna at different scanning angles is calculated. The changes of the sidelobe level and antenna gain during beam scanning are analyzed. The simulation result shows that except for the case where the feed is blocked by the reflector, the gain loss and the sidelobe level variation of the SFOC antenna are small, which provides a reference for the design of the satellite antenna. -
引言
为了获得较高的天线增益, 在通信、雷达和射电天文等设备中广泛采用反射面天线.反射面天线结构简单, 加工方便, 易于实现较高增益的天线设计.
卫星通信的发展让轨道和频带资源都变得越发紧张.采用多波束反射面天线是提高轨道利用率和频带利用率, 满足不断增长的通信需求的一种有效方式[1-2].多波束反射面天线用一个天线系统同时形成多个波束, 通过频率复用提高了频带的利用率, 且降低了整个通信系统的成本.
实现多波束天线, 需要天线具有一定的波束扫描能力以覆盖指定的区域.卫星上所选用的反射面天线主要有单反射面天线及双反射面天线.单反射面天线结构简单, 应用最为广泛, 但是, 当需要在较大的角度范围进行扫描时, 为使波束形状变化不大及天线增益下降较少, 需选用大焦径比的天线形式.但这会导致天线的整体尺寸增大, 不利于在卫星上的安装.传统双反射面天线可以减小天线的纵向尺寸, 但在进行大角度扫描时依然存在尺寸过大的问题.针对反射面天线波束扫描的需求, 文献[3]设计了一种三反射镜结构的波束扫描天线, 通过移动平面镜实现天线角度扫描.在维持电性能的情况下, 可以达到±5°的波束扫描, 最大增益损失为0.781 dB.文献[4]针对大口径偏馈反射面天线, 研究了俯仰波束扫描的方法.利用射线追踪法, 计算天线扫描时馈源的最佳位置的轨迹, 实现了5 m口径天线波束扫描10°范围内扫描性能的优化, 天线最大增益损失3.34 dB.
文献[5]研究的侧馈偏置卡塞格伦天线副反射面和馈源尺寸的增大不会显著增大天线系统的尺寸, 在同等整体尺寸的情况下, 具有更高的等效焦径比.另外, 其副瓣和交叉极化电平也比较低, 波束扫描性能较好[6].文献[7]给出的SFOC天线, 馈源阵放置于反射面天线的焦平面, 可实现20°×9°(±10°×±4.5°)的波束覆盖范围.
本文对SFOC天线进行了研究, 给出了设计SFOC天线时的主要设计参数及设计准则.然后以喇叭天线为馈源利用仿真软件对SFOC天线设计模型进行了分析计算, 对其波束扫描时的天线方向图进行了优化和分析.
1 SFOC天线设计
1.1 SFOC天线几何结构
SFOC天线截面的结构和仿真模型如图 1所示.其主反射面为旋转抛物面的一部分, 副反射面为旋转双曲面的一部分.双曲面的一个焦点与抛物面的焦点相重合, 在不扫描时, 另一焦点与馈源的相位中心重合.为方便分析设计, 图中建立了三个坐标系, 分别是主面坐标系xmymzm, 副面坐标系xsyszs, 馈源坐标系xfyfzf.其中, 主面坐标系的原点位于抛物面焦点, zm与抛物面的旋转对称轴重合, ym垂直纸面向外; 副面坐标系的原点位于双曲面两焦点连线的中心, zs与双曲面的旋转对称轴重合, ys垂直纸面向外; 馈源坐标系的原点位于双曲面的实焦点, zf指向副面的中心, yf垂直纸面向里.
SFOC天线主要结构参数如下:
D——主反射面在xmoym面上的投影直径;
D′——副反射面在xsoys面上的投影直径;
f——主反射面的焦距;
h——主反射面口径中心的偏置高度;
h′——副反射面口径中心的偏置高度;
β——主、副面坐标系(zm和-zs)之间的夹角;
α——馈源指向zf与副面坐标系-zs方向之间的夹角;
c——双曲面(副面)的半焦距;
e——双曲面(副面)的离心率.
利用仿真软件FEKO对SFOC天线的仿真模型进行分析计算.按照漏射最小和交叉极化电平最低的原则[8]确定天线的参数, 天线的各项参数如下(λ为天线工作波长):
D=50λ, D′=40λ, f=214.6λ, h=239λ, h′=43λ, β=70°, α=30°, c=148λ, e=2.239.
1.2 天线方向图
天线馈源根据反射面天线的边缘照射电平-11 dB来设计, 这里馈源对副反射面的半张角为12.5°.
天线整体设计时, 首先确定喇叭馈源的等效相位中心, 并将馈源的等效相位中心放置于双曲面的焦点处.根据以上设计的几何参数, 对该SFOC天线进行仿真计算, 天线的方向图仿真结果如图 2所示.很明显, 反射面天线的E面(方位角φ=0°)方向图在俯仰角θ=-110°和θ=120°处附近出现较大副瓣, 这两个副瓣分别是喇叭照射副面的漏射波的方向(θ=-110°)和副面到主面的漏射波的方向(θ=120°).
2 SFOC天线波束扫描
2.1 波束扫描时几何参数的优化设计
天线在进行波束扫描时, 馈源的位置、指向以及副面的最佳辐射区域的大小都会对辐射波束产生影响.
用几何光学近似的方法来确定馈源的最佳位置和指向以及副面的最佳辐射区域.与给定扫描方向相反的一组平行射线经过主、副面两次反射后的射线会在焦区汇聚, 根据光路的可逆原理, 射线汇聚最密的点可认为是与所给扫描方向对应的最佳馈源位置(optimum feed position, OFP)[9].
在上述射线反射过程中, 可以通过计算得到主面边缘点反射的波束与副面的交点, 这些交点的连线围成的区域即为副面上用于反射的有效区域, 并将此区域作为天线在所给扫描方向工作时副面的最佳辐射区域.对于不同的波束扫描方向, 副面的最佳辐射区域不相同.
如图 3所示为天线在同一扫描方位角(φ=90°), 不同扫描俯仰角下副面的面电流归一化幅值分布情况.可以看出天线扫描时, 副反射面的最佳辐射区域会偏离中心区域且偏离的幅度随着扫描角度的增大而增大.为了覆盖不同扫描方向的最佳辐射区域, 需增大副面来减少波束扫描时副面的漏射.对于不同的最大扫描角度, 副面需要增大的幅度不同.将副面增到可以覆盖扫描角度为20°时的最佳辐射区域, 如图 4所示为天线的副面增大后不扫描时方向图的仿真结果.观察E面方向图, 可以看出副面到主面漏射波方向的副瓣电平升高.
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图 3 不同扫描俯仰角副面电流归一化幅值分布Fig. 3 Current distribution of subreflector at different scanning directions![]()
图 4 增大副面后天线方向图Fig. 4 Radiation patterns of SFOC antenna after enlarging the subreflector波束扫描时, 馈源的指向要随其位置的改变做调整, 但是馈源并不是一直指向副面的中心.由以上分析可知, 天线在波束扫描时最佳辐射区域随扫描角度改变, 当馈源指向最佳辐射区域的中心时, 天线辐射性能最佳, 这时的馈源指向为所给扫描角度的最佳馈源指向(optimum feed direction, OFD).
当天线波束扫描范围在约±8°视域的情况时最佳馈源位置的离散点近似在一个平面上, 这样的小角度扫描适用于地球同步轨道卫星.为了满足低轨道卫星进行更大角度扫描的需要, 当在更大角度进行波束扫描时SFOC天线的OFP和OFD则需要进一步精确分析.表 1列出了对于不同的扫描角(θ, φ)计算出的OFP和OFD值.由于天线结构的对称性, φ=90°, θ>0°和θ < 0°时算出的OFP和OFD值完全对称, 因此表中仅给出θ < 0°时的结果.表中OFP的值为最佳馈源位置在副面坐标系下的坐标, OFD为馈源的最佳指向(方向角)在副面坐标系下的值.根据求解的OFP值, 可以发现在扫描角度较大时, 最佳馈点位置分布在一个曲面内, 且曲面的曲率较大, 不能再近似拟合为平面.
表 1 天线不同扫描角度时的OFP和OFD值Tab. 1 OFP and OFD of the antenna at different scanning anglesφ/(°) θ/(°) OFP (xs, ys, zs)/λ OFD (θs, φs)/(°) 0 -20 (-32.9, 0, 129.5) (140.8, 0) -15 (-25, 0, 133.2) (142.7, 0) -10 (-16.9, 0, 138.2) (144.8, 0) -5 (-8.5, 0, 143) (147.3, 0) 0 (0, 0, 147.8) (150, 0) 5 (9.0, 0, 153.0) (153.1, 0) 10 (17.9, 0, 158.0) (156.2, 0) 15 (27.4, 0, 162.8) (159.5, 0) 90 -20 (2.65, 40.15, 147.53) (149.07, -22.82) -15 (1.5, 30.2, 147.68) (149.43, -17.41) -10 (0.7, 20.1, 147.78) (149.75, -11.68) -5 (0.24, 10.07, 148.01) (149.89, -5.88) 2.2 波束扫描时方向图的变化
按以上给出的最佳馈源位置和指向, 对不同波束扫描方向下的天线方向图进行了计算, 如图 5(a)所示为φ=0°, θ < 0°时的方向图.可以看出：天线扫描俯仰角θ为-20°时增益较不扫描情况下降约1.2 dB; 在扫描俯仰角θ等于-5°和-10°时天线的增益高于不扫描时的天线增益, 这主要因为在该扫描方向, 副面相对于馈源的张角较大, 使馈源的漏射能量减小, 当漏射能量减小带来的增益提升超过相位误差造成的增益损失时, 增益就会变大.
如图 5(b)所示方向图中, 扫描角度φ=0°, θ>0°.天线扫描俯仰角θ为15°时增益较不扫描情况下降超过3 dB, 和图 5(a)的情况不同, 在这个扫描方向副面对馈源的张角较小, 馈源的漏射能量增大, 再加上相位误差的影响, 增益下降较大.另外, 当扫描俯仰角θ过大时, 在图 1所示模型中馈源将移向主面的左上方位置, 主面会对馈源产生遮挡, 这会增加能量损失, 使增益进一步减小. θ为14.5°左右时天线增益下降2 dB, 已经产生一定的遮挡, 扫描角度再增大时, 增益下降严重.因此在这个扫描方向上扫描俯仰角较大时天线性能较差.
如图 5(c)所示为φ=90°, θ < 0°时的方向图. θ为-20°时增益较不扫描情况下降小于1 dB.由于天线结构的对称性, 天线的方向图在俯仰角φ=90°, θ>0°和θ < 0°时对称, 其扫描性能不再重复讨论.
3 结论
本文根据几何光学原理分析了天线扫描时影响天线性能的因素, 计算出天线±20°内扫描时若干扫描方向的最佳馈源位置和最佳馈源指向.按照计算结果对天线的波束扫描性能进行仿真分析, 仿真结果表明, 除了馈源被反射面遮挡的情况外, 天线波束扫描角度可以达到20°, 此时天线增益损失可以控制在1.5 dB以内.另外, 扫描时天线方向图的半功率波束宽度变化较小, 副瓣变化不大, 天线性能较优.未来的工作还需改善扫描时波束交叠电平, 以及优化天线馈源设计.
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图 3 不同扫描俯仰角副面电流归一化幅值分布
Fig. 3 Current distribution of subreflector at different scanning directions
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图 4 增大副面后天线方向图
Fig. 4 Radiation patterns of SFOC antenna after enlarging the subreflector
表 1 天线不同扫描角度时的OFP和OFD值
Tab. 1 OFP and OFD of the antenna at different scanning angles
φ/(°) θ/(°) OFP (xs, ys, zs)/λ OFD (θs, φs)/(°) 0 -20 (-32.9, 0, 129.5) (140.8, 0) -15 (-25, 0, 133.2) (142.7, 0) -10 (-16.9, 0, 138.2) (144.8, 0) -5 (-8.5, 0, 143) (147.3, 0) 0 (0, 0, 147.8) (150, 0) 5 (9.0, 0, 153.0) (153.1, 0) 10 (17.9, 0, 158.0) (156.2, 0) 15 (27.4, 0, 162.8) (159.5, 0) 90 -20 (2.65, 40.15, 147.53) (149.07, -22.82) -15 (1.5, 30.2, 147.68) (149.43, -17.41) -10 (0.7, 20.1, 147.78) (149.75, -11.68) -5 (0.24, 10.07, 148.01) (149.89, -5.88) 
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