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多频段环焦型椭圆波束天线优化设计

刘兴隆 杜彪 周建寨 解磊

刘兴隆,杜彪,周建寨,等. 多频段环焦型椭圆波束天线优化设计[J]. 电波科学学报,2022,37(3):1-8. DOI: 10.12265/j.cjors.2021284
引用本文: 刘兴隆,杜彪,周建寨,等. 多频段环焦型椭圆波束天线优化设计[J]. 电波科学学报,2022,37(3):1-8. DOI: 10.12265/j.cjors.2021284
LIU X L, DU B, ZHOU J Z, et al. Optimization design of multi-band ring-focus antenna with elliptical beam[J]. Chinese journal of radio science,2022,37(3):1-8. (in Chinese). DOI: 10.12265/j.cjors.2021284
Citation: LIU X L, DU B, ZHOU J Z, et al. Optimization design of multi-band ring-focus antenna with elliptical beam[J]. Chinese journal of radio science,2022,37(3):1-8. (in Chinese). DOI: 10.12265/j.cjors.2021284

多频段环焦型椭圆波束天线优化设计

doi: 10.12265/j.cjors.2021284
详细信息
    作者简介:

    刘兴隆:(1986—),男,山西人,中国电子科技集团公司第五十四研究所高级工程师,博士研究生,研究方向为反射面天线与馈源技术

    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、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、高效率馈源、阵列天线和超材料天线等

    周建寨:(1975—),男,河北人,中国电子科技集团公司第五十四研究所高级工程师,研究方向为卫星通信天线与馈源技术

    解磊:(1986—),男,河北人,中国电子科技集团公司第五十四研究所高级工程师,博士研究生,研究方向为卫星通信天线与馈源技术

    通讯作者:

    刘兴隆 E-mail: xinglongxidian@163.com

  • 中图分类号: TN82

Optimization design of multi-band ring-focus antenna with elliptical beam

  • 摘要: 针对小口径低剖面天线的多频段、低旁瓣和高效率的需求,提出一种基于切割赋形环焦天线和非均匀有理B样条(non-uniform rational B-spline,NURBS)曲面的环焦型椭圆波束天线的综合优化设计方法. 该方法首先采用样条函数将一维口面场参数化,针对赋形切割环焦天线进行第一次快速优化设计;然后,用NURBS曲面将优化后的天线主副反射面再次参数化,引入多目标优化差分进化算法,以天线效率和第一旁瓣为优化目标,对该环焦型椭圆波束天线进行第二次优化设计. 应用该方法设计并加工了一个410 mm×720 mm的环焦椭圆波束天线,工作频率覆盖了Ku/K/Ka三个频段,天线总效率达到49%以上,第一旁瓣低于–14 dB,电压驻波比小于1.44∶1. 实测结果和全波仿真结果吻合良好,验证了本文设计方法的有效性.
  • 图  1  切割环焦天线几何结构图

    Fig.  1  Geometry of the cutting ring-focus antenna

    图  2  切割赋形环焦天线的第一次优化设计流程

    Fig.  2  Block diagram of the 1st optimum design for the cutting shaped ring-focus antenna

    图  3  第一次优化后的一维口面场

    Fig.  3  1-D aperture distribution after the 1st optimization

    图  4  NURBS主副反射面及其控制点分布

    Fig.  4  NURBS surfaces of main- and sub-reflectors and distribution of the control points

    图  5  椭圆波束天线的第二次优化设计流程

    Fig.  5  Block diagram of second optimum design of elliptical beam antenna

    图  6  均匀口面场赋形的天线模型、光路和辐射方向图

    Fig.  6  Shaped antenna model with the uniform aperture distribution and radiation patterns

    图  7  一次优化的天线模型、光路和辐射方向图

    Fig.  7  The antenna model after the 1st optimization and radiation patterns

    图  8  Pareto最优解集和优选解

    Fig.  8  Pareto optimal solution set and optimal solution

    图  9  两个目标函数的收敛曲线

    Fig.  9  Convergence curves of the two objective functions

    图  10  二次优化的天线模型和光路图

    Fig.  10  The antenna model after the 2nd optimization and optical path diagram

    图  11  天线二维口面场能量分布

    Fig.  11  2-D aperture energy distribution of antennas

    图  12  不同口面场天线效率和第一旁瓣

    Fig.  12  Efficiency and the first side lobe level of antennas with different aperture distribution

    图  13  天线仿真模型和实物照片

    Fig.  13  Simlulation model and the prototype of antenna

    图  14  测试和计算的增益和总效率

    Fig.  14  Measured and calculated gain and total efficiency

    图  15  测试和计算的第一旁瓣

    Fig.  15  Measured and calculated first side lobe level

    图  16  5个频点测试和计算的天线方向图

    Fig.  16  Measured and calculated radiation patterns at 5 frequencies

    图  17  测试和计算的天线VSWR

    Fig.  17  Measured and calculated VSWR of the antenna

    表  1  天线参数

    Tab.  1  Antenna parameter

    参数指标
    主反射面口径≤ 410 mm × 720 mm
    工作频率Ku: 11.45~12.75 GHz,13.75~14.50 GHz
    K: 17.7~21.2 GHz,22.5~23.5 GHz,25.2~27.5 GHz
    Ka: 29.4~31.0 GHz
    第一旁瓣≤–14 dB
    总效率≥45%
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-10-26
  • 录用日期:  2021-12-17
  • 网络出版日期:  2021-12-17

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