范黃江，葉文熙，李正軍

(中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

有限掃描技術(shù)起源于20世紀(jì)60—70年代的美國(guó)[1]，現(xiàn)在各個(gè)國(guó)家都在發(fā)展各自的有限掃描天線(xiàn)[2]。其廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、區(qū)域覆蓋、GEO全球掃描、火控和星間鏈路的建立等。傳統(tǒng)的縱向偏焦是使饋源沿拋物面軸向連續(xù)往返運(yùn)動(dòng)，利用增寬后的波瓣，可以達(dá)到小角度探測(cè)目標(biāo)的目的[3]。日本的ETS-Ⅷ衛(wèi)星[4-5]是相控饋電陣列單反射面有限掃描天線(xiàn)在國(guó)外高軌衛(wèi)星上的典型實(shí)例，其采用了相控陣偏焦饋電的方式。國(guó)內(nèi)也有應(yīng)用縱向偏焦的單反射面有限掃描天線(xiàn)的設(shè)計(jì)[6]。但它僅限于在單焦點(diǎn)傳統(tǒng)拋物面上應(yīng)用，并不能滿(mǎn)足雙焦點(diǎn)拋物面天線(xiàn)的應(yīng)用。拋物面的形變可以帶來(lái)類(lèi)似饋源沿拋物面軸向連續(xù)往返運(yùn)動(dòng)的作用，彌補(bǔ)傳統(tǒng)縱向偏焦特性在雙焦點(diǎn)拋物面天線(xiàn)應(yīng)用上的不足[7-8]。類(lèi)似的有焦散拋物曲面天線(xiàn)[9]，電科五十四所的雙焦點(diǎn)平面波束掃描透鏡天線(xiàn)[10]。

基于拋物面形變的縱向偏焦特性在一定程度上可以說(shuō)是傳統(tǒng)拋物面縱向偏焦特性的延伸，其有別于傳統(tǒng)拋物面讓饋源在拋物面軸向上往返運(yùn)動(dòng)，而是固定饋源不動(dòng)，使拋物面焦點(diǎn)在拋物面軸向上往返運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)會(huì)伴隨著拋物面的形變。而雙焦點(diǎn)則是拋物面XOZ平面拋物線(xiàn)和YOZ平面拋物線(xiàn)正交互異，從而兩拋物線(xiàn)焦點(diǎn)不一致，使得最終拋物曲面是雙焦點(diǎn)反射面。此時(shí)，天線(xiàn)的波瓣也會(huì)有不同程度的展寬，可以滿(mǎn)足小角度探測(cè)目標(biāo)的目的。此外，在波瓣足夠?qū)挄r(shí)，一部天線(xiàn)可以兼具搜索和跟蹤的應(yīng)用，大尺寸偏焦時(shí)用作搜索，正焦時(shí)則用以跟蹤目標(biāo)。

1 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)

如圖1所示，天線(xiàn)結(jié)構(gòu)為單反射面天線(xiàn)，反射面天線(xiàn)口徑30m，設(shè)定饋源為口徑0.4m，頻率1.25GHz，極化方式為左旋圓極化的基模圓錐喇叭。其半功率波瓣寬度為±19°，即2θ3dB=38°。其邊緣增益為10.8dBi。其中波長(zhǎng)λ=0.24m。

圖1 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)Fig.1 Antenna structure

傳統(tǒng)拋物面方程為：

(1)

使饋源位于拋物面焦點(diǎn)處，不斷改變拋物面焦點(diǎn)，得到如圖2所示輻射方向圖峰值圖。由圖2可以確定，當(dāng)拋物面天線(xiàn)焦距f=24m時(shí)，天線(xiàn)的輻射方向圖最佳，輻射峰值最高。其中天線(xiàn)增益G=Dη1，D為方向系數(shù)，η1為照射效率，照射效率取決于饋源的方向性和拋物面張角ξ0。為取得最大效率，要求饋源的方向性為最大，故取焦距f=24m，此時(shí)反射面半張角計(jì)算值為34.708，仿真值為34.438，差值不大，可忽略影響。此時(shí)焦徑比f(wàn)/D=0.8。由圖2可知半功率波瓣寬度2θ3dB≈0.47°。

圖2 輻射峰值圖Fig.2 Radiation peak diagram

為了滿(mǎn)足現(xiàn)代天線(xiàn)寬覆蓋的需求，要求天線(xiàn)方向圖主瓣展寬，以獲得更大的掃描角度。在此，利用縱向偏焦特性，固定饋源在24m焦點(diǎn)處，通過(guò)前后推移旋轉(zhuǎn)拋物面的焦點(diǎn)，使天線(xiàn)主瓣展寬，以獲得更大的半功率波瓣寬度以及更大的邊緣增益。

可以仿真得出符合三饋源、五饋源、七饋源要求的縱向偏焦距離。由此可以確定天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)，焦距f0=24m,f1=26.8m,f2=29.2m,f3=35.8m，分別為饋源焦點(diǎn)，三饋源偏焦焦距，五饋源偏焦焦距，七饋源偏焦焦距。由此可見(jiàn)，隨著拋物面不斷地縱向偏焦，偏焦距離越遠(yuǎn)，天線(xiàn)主瓣越寬，且天線(xiàn)增益越低。

對(duì)應(yīng)的拋物面方程分別為：

(2)

由這些拋物面方程進(jìn)行仿真，可以得到下節(jié)分析結(jié)果。

2 仿真結(jié)果與分析

通過(guò)以上分析，本文首先進(jìn)行相控陣一維線(xiàn)性?huà)呙?。饋源采用基模圓錐喇叭天線(xiàn)，饋電單元幅度采用等幅分布，相位采用共軛場(chǎng)匹配法取共軛，激勵(lì)系數(shù)導(dǎo)入GRASP軟件進(jìn)行仿真，在POS軟件中僅相位優(yōu)化得到掃描方向圖。

整個(gè)軟件的仿真流程大致為：在GRASP中繪制出天線(xiàn)的幾何結(jié)構(gòu)，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。將陣元的位置、幅度、相位等參數(shù)寫(xiě)入程序中，將程序?qū)隚RASP。在GRASP中計(jì)算天線(xiàn)的方向圖，觀察其增益和副瓣等性能是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。若增益和副瓣滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，則天線(xiàn)設(shè)計(jì)完成。若不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，則在POS中建模，導(dǎo)入寫(xiě)有優(yōu)化目標(biāo)的文件，計(jì)算出結(jié)果，再將計(jì)算得到的單元幅度和相位重新導(dǎo)入GRASP中，計(jì)算出方向圖，觀察增益和副瓣是否符合要求。若仍不符合要求，則應(yīng)修改優(yōu)化目標(biāo)，重復(fù)上述過(guò)程直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求[11]。

以七饋源為例，饋源選擇基模圓錐喇叭，因?yàn)閳A波導(dǎo)加工方便，壁比較薄，可以節(jié)省空間，便于控制陣元間距而抑制柵瓣。喇叭極化方式左旋圓極化，喇叭口徑尺寸400mm。饋源陣沿y軸排列，7個(gè)饋源喇叭單元，單元間距400mm，等間距排布，文中忽略饋源喇叭的厚度，所以陣間距也為400mm，饋源排布如圖3所示。

圖3 饋源一維排布Fig.3 The feed is arranged in one dimension

保持XOZ平面拋物線(xiàn)焦點(diǎn)f0=24m不變，YOZ平面拋物線(xiàn)焦點(diǎn)由f0=24m外推到f3=35.8m。由此得到拋物曲面方程：

(3)

各個(gè)單元的激勵(lì)系數(shù)見(jiàn)附錄。從-3°、-2°、-1°、0°、1°、2°、3°7個(gè)掃描角處的天線(xiàn)掃描方向圖，如圖4所示，其中GRASP優(yōu)化和POS優(yōu)化相差不是很大。計(jì)算得出的激勵(lì)系數(shù)和軟件仿真的激勵(lì)系數(shù)優(yōu)化得到的天線(xiàn)輻射特性基本一致。

圖4 一維掃描七饋源外推11.8 m掃描方向圖Fig.4 One dimensional scanning seven-feed extrapolation of 11.8 m scanning direction diagram

圖4中GRASP、POS對(duì)應(yīng)的是標(biāo)準(zhǔn)拋物面縱向偏焦，Single-GRASP、Single-POS對(duì)應(yīng)的是拋物曲面天線(xiàn)縱向偏焦，GRASP是僅在商業(yè)軟件GRASP中作相位調(diào)整，POS是在商業(yè)軟件POS中僅設(shè)置相位調(diào)整。從圖4中可以看出GRASP軟件相位調(diào)整和POS軟件僅相位調(diào)整仿真出的方向圖指向一致，最大增益和波瓣寬度也基本一致。而經(jīng)過(guò)反射面調(diào)整，使XOZ面和YOZ面拋物線(xiàn)正交且互異，拋物曲面在Z軸上會(huì)有雙焦點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)XOZ面拋物線(xiàn)焦點(diǎn)和YOZ面拋物線(xiàn)焦點(diǎn)。其中3°掃描角處GRASP、POS、Single-GRASP、Single-POS分別對(duì)應(yīng)的方向圖增益分值為31.36、31.39、45.04、45.03dB，對(duì)應(yīng)的3dB波瓣寬度為1.37°、1.38°、1.41°、1.43°；2°掃描角處GRASP、POS、Single-GRASP、Single-POS分別對(duì)應(yīng)的方向圖增益分值為31.50、31.61、45.45、45.45dB，對(duì)應(yīng)的3dB波瓣寬度為1.36°、1.34°、1.44°、1.44°；1°掃描角處GRASP、POS、Single-GRASP、Single-POS分別對(duì)應(yīng)的方向圖增益分值為31.63、31.81、45.71、45.70dB，對(duì)應(yīng)的3dB波瓣寬度為1.38°、1.36°、1.44°、1.44°；0°掃描角處GRASP、POS、Single-GRASP、Single-POS分別對(duì)應(yīng)的方向圖增益分值為31.49、31.86、45.78、45.78dB，對(duì)應(yīng)的3dB波瓣寬度為1.42°、1.38°、1.42°、1.44°。拋物面天線(xiàn)軸對(duì)稱(chēng)，故-1°和1°對(duì)稱(chēng)一致，-2°和2°對(duì)稱(chēng)一致，-3°和3°對(duì)稱(chēng)一致?？梢钥闯?，相較于傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)拋物面天線(xiàn)，拋物曲面天線(xiàn)在天線(xiàn)縱向偏焦后能達(dá)到的增益更高，且拋物面縱向偏焦還有一些小的柵瓣，而拋物曲面縱向偏焦沒(méi)有柵瓣。除此之外，拋物曲面縱向偏焦波瓣展寬也要優(yōu)于拋物面縱向偏焦。由此可知，拋物曲面天線(xiàn)的輻射特性相較于拋物面天線(xiàn)的輻射特性在縱向偏焦后得到了極大的改善。

取0°方向作具體分析，七饋源增益相差14.29dB，且3dB波瓣寬度也有小幅度的展寬。如圖5所示，F(xiàn)24表示的是標(biāo)準(zhǔn)拋物面天線(xiàn)焦距為24m的幅度方向圖，其峰值為50.63dB；F35.8表示的是標(biāo)準(zhǔn)拋物面天線(xiàn)焦距為35.8m的幅度方向圖，其峰值為31.49dB；FF35.8表示的是XOZ拋物線(xiàn)焦點(diǎn)24m，YOZ拋物線(xiàn)焦點(diǎn)35.8m的雙焦點(diǎn)拋物曲面天線(xiàn)幅度方向圖?？梢员容^得到雙焦點(diǎn)比單焦點(diǎn)天線(xiàn)增益上升了14.29dB，且波束寬度有小幅度的展寬。

圖5 幅度方向圖Fig.5 Amplitude pattern

3 結(jié)論

由仿真分析可以得到，拋物曲面天線(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)一維掃描，確實(shí)達(dá)成了XOZ平面和YOZ平面拋物線(xiàn)正交且拋物曲面是雙焦點(diǎn)。此雙焦點(diǎn)有限掃描反射面天線(xiàn)在縱向偏焦后擴(kuò)大3dB半功率波瓣寬度的同時(shí)保持了天線(xiàn)較高的次級(jí)方向圖增益，一維七饋源陣列相較于傳統(tǒng)正饋拋物面天線(xiàn)增益增加了14.29dB，從31.49dB增加到了45.78dB，且邊緣增益達(dá)到了42.78dB。符合反射面天線(xiàn)的指標(biāo)。

附 錄

表1 GRASP等幅七饋源單元激勵(lì)系數(shù)Tab.1 GRASP excitation coefficient of constant amplitude seven-feed element

表2 POS等幅七饋源單元激勵(lì)系數(shù)Tab.2 POS excitation coefficient of constant amplitude seven-feed element

表3 Single-GRASP等幅七饋源單元激勵(lì)系數(shù)Tab.3 Single-GRASP excitation coefficient of constant amplitude seven-feed element

表4 Single-POS等幅七饋源單元激勵(lì)系數(shù)Tab.4 Single-POS excitation coefficient of constant amplitude seven-feed element