橢圓波束變焦距環(huán)焦天線的性能分析

1 橢圓波束天線的應(yīng)用場合

在機(jī)載或星載衛(wèi)星通信中，由于天線的裝載空間和輻射口面往往是矩形的，所以充分利用矩形口面，使天線的電氣性能最好，就成為關(guān)鍵的技術(shù)問題。以矩形的長邊和短邊為長短軸的橢圓口面天線，是一種理想的選擇。

由于許多國家的領(lǐng)土形狀可近似等效為橢圓，所以橢圓波束天線也可作為高效率的星載衛(wèi)星通信天線，以最大的效率覆蓋所期望的區(qū)域。

在車載衛(wèi)星通信中，如果車載天線的波束為橢圓波束，例如天線在方位面具有較窄的波束，在俯仰面具有較寬的波束，則可以只進(jìn)行方位面的跟蹤，不進(jìn)行俯仰面的跟蹤，從而大大簡化了天線跟蹤系統(tǒng)。

2 橢圓波束天線的類型及其分析

2.1 切割拋物面天線和切割賦形環(huán)焦天線

切割拋物面天線和切割賦形環(huán)焦天線利用普通的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱饋源，只是把圓形的天線口面切割成橢圓形或如圖1所示的口面形狀。由于天線口面的窄邊b和寬邊a兩方向的照射電平不相等，從發(fā)射的觀點(diǎn)來看，漏失能量很多，天線效率不會(huì)很高。這種天線的效率一般低于50%。

2.2 利用橢圓型饋源

用橢圓型的饋源饋電可獲得效率較高的橢圓波束。這種天線從饋源發(fā)射出的波束就是橢圓波束，正好對(duì)應(yīng)橢圓口面，天線口面邊緣的照射電平相同，因而效率很高。

圖1 切割拋物面天線口面示意圖

但是這種天線的缺點(diǎn)是極化跟蹤性能很差，而天線的極化跟蹤性能是衛(wèi)星通信天線的一項(xiàng)重要指標(biāo)。所以這種天線很難用于要求具有極化旋轉(zhuǎn)的場合，更不能用于圓極化使用的場合。另外，橢圓波導(dǎo)饋源的加工也非常困難。

2.3 微帶天線陣

單元微帶天線是一種小型化的天線，可以用在許多場合。把微帶天線組成大型的陣列，可以形成高增益的平板天線。如果把微帶天線的單元在橫縱兩個(gè)方向的單元數(shù)目或者單元間距不同，就可以形成需要的橢圓波束。

這種天線的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)天線為平板狀，因而天線的縱向尺寸低，安裝方便，更適合用作星載、機(jī)載衛(wèi)星通信天線。

由于微帶天線本身有功率容量的限制，一般只能承受即幾十瓦的功率，因而不能用于大功率的場合。這種天線也很難用于需要極化跟蹤的場合。

2.4 橢圓波束變焦距天線

針對(duì)上述幾種橢圓波束天線的固有缺陷，利用變焦距結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了橢圓波束變焦距天線。這種天線的設(shè)計(jì)原型為普通的雙反射面天線，如雙偏置天線、環(huán)焦天線、濺散板天線等。橢圓波束變焦距天線具有很高的效率、良好的極化性能。橢圓波束變焦距環(huán)焦天線照片如圖2所示。

在文獻(xiàn)1中，詳細(xì)討論了橢圓波束變焦距環(huán)焦天線的設(shè)計(jì)問題，文獻(xiàn)2給出了這種天線的計(jì)算方法。在這里，進(jìn)一步分析這種天線的性能。

圖2 橢圓波束變焦距環(huán)焦天線照片

3 橢圓波束變焦距環(huán)焦天線性能分析

3.1 橢圓波束變焦距環(huán)焦天線的射線關(guān)系

求解橢圓波束變焦距環(huán)焦天線的坐標(biāo)系如圖3所示。圖3中，x、y、z三軸構(gòu)成正交直角坐標(biāo)系，r、θ、j構(gòu)成球坐標(biāo)系，O是其原點(diǎn)，xOy平面是等光程條件的參考平面，饋源相心位于O點(diǎn)，1為天線主面，2為天線副面。

圖4中，把j=0°和j=90°平面副面和主面曲線畫在一起，對(duì)于不同的j平面，副面邊緣對(duì)饋源相心保持相同的張角θ_m。

圖3 變焦距環(huán)焦天線的坐標(biāo)系示意圖

在橢圓波束變焦距環(huán)焦天線的設(shè)計(jì)過程中，先確定了副面的形狀，然后根據(jù)副面上的反射定律和等光程條件確定了主面形狀。由于滿足副面的反射定律和等光程條件，所以必然滿足主面的反射定律，即從饋源相心發(fā)出的球面波經(jīng)副面和主面反射后，轉(zhuǎn)變成沿主面對(duì)稱軸方向的平面波。

但是，由于在這里副面和主面都不是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，所以射線關(guān)系也比較特殊。圖5表示副面曲線與主面曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖中，各條短線表示副面在j面的截線（j從0°到90°每隔10°一條），各條長線是副面截線所對(duì)應(yīng)的主面上點(diǎn)的連線。實(shí)際上，副面截線是平面曲線，而所對(duì)應(yīng)的主面點(diǎn)連線則不是平面曲線，圖中的線是它們在xOy平面上的投影。從圖中可以看出，副面j面的截線所對(duì)應(yīng)的主面點(diǎn)連線已不在j面上，而是偏向長軸方向。這樣的副面與主面對(duì)應(yīng)關(guān)系，雖然與常規(guī)的反射面天線不同，但也滿足反射定律和等光程條件，因而射線關(guān)系是合理的。從主面連線的疏密可以看出，這種射線關(guān)系使主面上的能量分布在長軸方向較密，而短軸方向相對(duì)稀疏，這也是這種天線可以形成橢圓波束的原因之一。

圖4 變焦距環(huán)焦天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 變焦距環(huán)焦天線副面與主面曲線對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.2 橢圓波束變焦距環(huán)焦天線的口面等值線分布

橢圓波束變焦距環(huán)焦天線的設(shè)計(jì)中，利用普通的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱饋源和特殊的雙反射面結(jié)構(gòu)，把饋源發(fā)出旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的錐狀波束轉(zhuǎn)換成橢圓波束。由于在這種結(jié)構(gòu)中，保持了饋源對(duì)副面邊緣的照射角一致，并且主面邊緣的照射電平也一致，因而天線口面的等值線如圖6所示，基本為一族橢圓線。對(duì)于天線口面外緣，其照射電平是一樣的，從而克服了切割拋物面窄邊照射電平過高、寬邊方向照射電平過低的缺點(diǎn)，所以提高了天線的效率。

圖6 天線口面的等值線分布

3.3 天線性能測試結(jié)果及分析

實(shí)際設(shè)計(jì)了一個(gè)環(huán)焦型變焦距橢圓波束天線。天線的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：

天線口面尺寸：680mm×450mm

工作頻率：接收：12.25～12.75GHz

發(fā)射：14.0～14.5GHz

增益：接收：35.7+20lg(f/12.5)dBi

發(fā)射：37.2+20lg(f/14.25)dBi

把收發(fā)頻段的中心頻率和邊頻的增益及效率列成表，見表1。從表1可以看出，實(shí)測天線在使用頻段均達(dá)到了75%以上的效率，這是一個(gè)很高的效率指標(biāo)。

至于這種天線的極化性能，由于其饋源為普通的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱饋源，線極化情況下改變饋源的極化狀態(tài)就會(huì)改變天線的極化狀態(tài)，而不影響天線的效率。如果天線采用圓極化，只需饋源采用圓極化饋源即可。所以這種天線解決了用橢圓型饋源饋電所帶來的極化跟蹤問題。

表1 天線的增益及效率

4 結(jié)論

由于在衛(wèi)星通信以及許多其它場合都需要橢圓波束天線，而橢圓波束變焦距環(huán)焦天線具有很高的天線效率和良好極化性能，因而將有很好的應(yīng)用前景。