引言

天線在電視、雷達(dá)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，隨著人造衛(wèi)星和航空航天技術(shù)的新的高精尖科技的發(fā)展，人們對跟蹤雷達(dá)的要求進(jìn)一步提高，主要體現(xiàn)在跟蹤雷達(dá)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(chǎn)生的，它采用極化扭轉(zhuǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的快速掃描、精確跟蹤，其結(jié)構(gòu)為饋源、拋物面反射器、極化扭轉(zhuǎn)板。本文將介紹倒置卡塞格倫天線設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。

1天線設(shè)計(jì)原理

拋物面天線是以幾何光學(xué)法為理論基礎(chǔ)的一種天線形式。通過幾何光學(xué)法的理論基礎(chǔ)，我們可以知道如果在拋物面焦點(diǎn)上放置一個(gè)點(diǎn)源，經(jīng)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(jīng)過拋物面反射以后，轉(zhuǎn)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(guān)系示意圖如圖1所示，根據(jù)拋物面性質(zhì)可得：

因?yàn)閽佄锩媸怯蓲佄锞€繞其軸旋轉(zhuǎn)而成的，所以拋物面有旋轉(zhuǎn)對稱性，表現(xiàn)在球坐標(biāo)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(diǎn)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(jù)幾何關(guān)系以及直角-球坐標(biāo)變換公式，進(jìn)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(guān)系：

2拋物面天線參數(shù)的選擇

拋物面天線主要設(shè)計(jì)參數(shù)為焦徑比fd以及半張角?0,根據(jù)式(3)可知焦徑比和半張角只需確定其中一個(gè)，另外一個(gè)就可以計(jì)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(diǎn)是饋源前伸量較小，噪聲比較低；而fd取的大的優(yōu)點(diǎn)是拋物面深度小，交叉極化小。所以，我們根據(jù)電腦仿真結(jié)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(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，其仿真模型如圖2所示。拋物面仿真結(jié)果如表1所列。

表1拋物面仿真結(jié)果

綜合上述仿真結(jié)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(shè)計(jì)

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(jù)工作頻段設(shè)計(jì)角錐喇叭的尺寸。

角錐喇叭天線是由矩形波導(dǎo)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(jié)合，其角錐喇叭結(jié)構(gòu)如圖3所示。

倒置卡塞格倫天線工作在8?9GHz，所以需要根據(jù)工作頻率，選擇合適的矩形饋電波導(dǎo)尺寸。經(jīng)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(shè)計(jì)的頻率相符，所以選用該型號的波導(dǎo)作為角錐喇叭的的饋電波導(dǎo)，其尺寸為a=28.499mm,Z>=12.624mm。

在確定了角錐喇叭饋電波導(dǎo)的尺寸后，根據(jù)公式以及預(yù)計(jì)的增益范圍即可大概計(jì)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(jié)果來看，角錐喇叭天線在整個(gè)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(shè)計(jì)結(jié)果

最終的結(jié)果是天線在整個(gè)8?9GHz頻段內(nèi)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(shí)整體的S11均在-20dB以下，天線的波束寬度為17.6。。

5結(jié)語

本文設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)結(jié)果證明，兩者匹配良好，可為后面設(shè)計(jì)拋物面柵格以及極化扭轉(zhuǎn)板提供良好的基礎(chǔ)。

20211121_619a3fa7a43ae__倒置卡塞格倫天線拋物面以及饋源的設(shè)計(jì)