賦形天線(xiàn)詳解

衛星通信具有覆蓋范圍廣、可利用的頻帶寬、網(wǎng)絡(luò )建設速度快、成本低等特點(diǎn)，使其在通信領(lǐng)域得到了廣泛的應用。隨著(zhù)衛星通信的發(fā)展, 為滿(mǎn)足一定的地面服務(wù)區的有效全向輻射功率(EIRP)要求, 迫使通信天線(xiàn)必須采用多饋源賦形或反射面賦形天線(xiàn)，這就極大地促進(jìn)了多饋源賦形或反射面賦形天線(xiàn)的發(fā)展。這樣就能減小覆蓋區域以外的地面站對衛星系統所產(chǎn)生的干擾，提高系統的頻譜利用率和信道容量，提高有效全向輻射功率(EIRP)和接收系統品質(zhì)因數G/T值，并能使衛星地面站終端設備得到簡(jiǎn)化和降低成本。
當覆蓋區域是中國政區圖時(shí)，考慮到中國西部地區的地域遼闊、人口稀少、降雨量小、而東部地區人口稠密、經(jīng)濟發(fā)達、降雨量大，雨衰是衛星通信必須要考慮的一個(gè)重要問(wèn)題。因此，必須既考慮到全國有適當的功率覆蓋, 又應對東部地區華北地區有所偏重，使之具有較高的功率分配；而對西部地區略有降低，以便充分利用衛星資源。這樣，對天線(xiàn)賦形后所產(chǎn)生的通信波束既能覆蓋全國，又能突出東部。為了防止信號干擾，對鄰國方向上的天線(xiàn)的主、交叉極化增益應該足夠小?？傊?，對不變的區域，只要把一些主要因素考慮進(jìn)去，就可以得到大致的期望分布。
1 賦形天線(xiàn)概述
賦形天線(xiàn)按反射面是否可變分為兩類(lèi): (1)單次賦形天線(xiàn)和重構賦形天線(xiàn)。(1)單次賦形天線(xiàn)是指天線(xiàn)的用途單一，裝配成型發(fā)射后，用途不再改變的天線(xiàn)。該天線(xiàn)的覆蓋區域和天線(xiàn)所處的空間位置均不再改變，其覆蓋的目標區增益分布是確定不變的。這類(lèi)天線(xiàn)的設計通常是根據預期的覆蓋區域增益分布分析設計反射面，反射面一經(jīng)確定后不再改變。(2)可變賦形天線(xiàn)有兩種情況:一是根據天線(xiàn)軌道位置的改變，調整工作系統，從而得到相應的賦形波束;二是通過(guò)調整系統，對不同形狀的地域產(chǎn)生相應的賦形波束覆蓋[1]。
　 賦形天線(xiàn)按使用的饋源數目分為兩類(lèi)：多饋源天線(xiàn)和單饋源天線(xiàn)。在傳統的衛星通信中，通常使用陣饋拋物天線(xiàn)(如圖1(a))，饋源陣列放在反射面或微波透鏡的焦平面上，按一定方式排列的饋源天線(xiàn)組成。饋源陣列位于焦平面上，各饋源除中心處的饋源外，都相對于焦點(diǎn)有一個(gè)橫向偏移，且偏移方向和偏移量大小各不相同，這樣各饋源所產(chǎn)生的波束經(jīng)反射面的反射或透鏡的聚焦后，就會(huì )在遠場(chǎng)區域形成一組彼此相互獨立、波束寬度近似相等、均勻分布的子波束。這種天線(xiàn)的賦形設計的重點(diǎn)在于優(yōu)化饋源的激勵系數和幾何排列等參數。其中一個(gè)重要組成部分是波束成形網(wǎng)絡(luò )(BFN)，用來(lái)調整饋源的激勵情況。但它們存在著(zhù)固有的缺點(diǎn):天線(xiàn)系統的大量開(kāi)銷(xiāo)將花費在設計和調整波束形成網(wǎng)絡(luò )上，并且復雜的波束形成網(wǎng)絡(luò )會(huì )引起射頻損耗，降低天線(xiàn)系統的總增益。這些缺陷會(huì )隨著(zhù)頻率的升高而更加嚴重,因此多饋源賦形技術(shù)一般用于Ka波段(4 GHz~7 GHz)以下[2-6]。

對單個(gè)反射面進(jìn)行賦形(如圖1(b))得到賦形波束是一種更加可行的方案。在對一個(gè)固定區域進(jìn)行波束賦形的情況下，可以不用波束成形網(wǎng)絡(luò )，而是作反射面成形設計，采用單饋成形反射面天線(xiàn)，這種賦形反射面天線(xiàn)具有機械加工簡(jiǎn)單，結構不復雜,以及由于沒(méi)有波束成形網(wǎng)絡(luò )，損耗小，增益更高的優(yōu)勢[6-10]。
按照天線(xiàn)的反射器類(lèi)型，可以分為單賦形反射面天線(xiàn)和多賦形反射面(通常是兩個(gè)反射面)天線(xiàn)。在賦形天線(xiàn)設計中，單反射面天線(xiàn)一般多采用偏饋反射面天線(xiàn)，圖2(a)所示為一偏饋拋物面天線(xiàn)，它由一個(gè)帶有一定偏轉角的圓錐面去切割標準拋物面而得。與其他天線(xiàn)形式相比，具有結構簡(jiǎn)單、質(zhì)心低的特點(diǎn)，同時(shí)它也很好地解決了饋源的遮擋問(wèn)題?；诖?，該天線(xiàn)廣泛地運用于衛星通信中。在賦形反射面天線(xiàn)設計中，常見(jiàn)的多反射面天線(xiàn)為雙偏置反射面天線(xiàn)。如圖2(b)所示，通過(guò)對偏置卡賽格倫或格里高利天線(xiàn)的兩個(gè)反射面的形狀賦形（從設計加工等方面考慮，一般只對副反射面進(jìn)行賦形設計），來(lái)達到賦形設計的目的。

2 賦形中常用的設計方法
　 從賦形方法的角度看，可以分為直接法和間接法。早在1975年，KATAGI T和TAKEICHI Y就提出了一種成形反射面的設計方法，即波前分析方法，隨后北美和歐洲的研究人員在此基礎上，根據幾何光學(xué)(GO)、物理光學(xué)(PO)、幾何繞射理論(GTD)和物理繞射理論(PTD)等方法，提出了成形反射面的直接和間接綜合方法。直接方法[11-12]的優(yōu)化對象是反射面本身的形狀，用各種函數展開(kāi)式直接方法的優(yōu)化對象是反射面本身的形狀，用各種函數展開(kāi)式表示反射面，通過(guò)優(yōu)化函數的系數進(jìn)行反射面綜合。一般說(shuō)來(lái)，根據要求尋找得到這樣的基底函數是非常困難的，這種方法多數都是級數的形式表示。而間接方法的優(yōu)化對象是成形反射面天線(xiàn)的一些特性參數，如波前、口徑面場(chǎng)分布等，通過(guò)優(yōu)化這些參數來(lái)滿(mǎn)足賦形要求，確定一些反射面的節點(diǎn)， 從而進(jìn)行擬合，確定反射面的形狀。無(wú)論是直接方法還是間接方法，都只是一種優(yōu)化的過(guò)程，這樣，尋求一種最佳的優(yōu)化方法就是其中的關(guān)鍵問(wèn)題，檢驗某種方法的優(yōu)化結果可以從后來(lái)的誤差分析中得出。檢驗方法在實(shí)際中是否可行，還必須用嚴格的物理方法進(jìn)行驗證。
2.1 波前法
　 早在1975年，KATAGI T和TAKEICHI Y提出了一種成形反射面的設計方法，即波前分析方法，這種方法是假定遠場(chǎng)輻射圖的波前由兩部分組成：內部是限制在所需輻射圖的一個(gè)角形范圍內的球面波；外部是一個(gè)以?xún)炔窟吔巛喞鳒示€(xiàn)的控制表面。饋源波前假定為球面波，這樣，用幾何光學(xué)方法根據入射和反射波前就完全可以確定反射面。從幾何光學(xué)意義上講，波前與波束剖面相對應，波前決定反射面的成形。根據初始饋源在反射面上產(chǎn)生的面電流分布來(lái)計算天線(xiàn)方向圖，將天線(xiàn)方向圖的計算值與期望值相比較，如果計算值逼近期望值的結果并不理想,則重新調整決定波前和反射面的參數，計算天線(xiàn)方向圖，直至滿(mǎn)意為止[5,13]。
　 波前法的原理是：拋物面天線(xiàn)將饋源匯聚成的球形波前轉換成平面波前。當平面波前、饋源和反射面上的一點(diǎn)給定時(shí)，由光路定律可以確定反射面上的所有點(diǎn);同理，當賦形波前、饋源和反射面上的一點(diǎn)給定時(shí)，成形反射面也可由光路定理確定。這種方法比較粗略，可對邊界地形不是很復雜的覆蓋區進(jìn)行賦形，但對天線(xiàn)的一些遠場(chǎng)特性無(wú)法確定。這一方法無(wú)法解決與反射波前的外部有關(guān)的幾何光學(xué)焦散問(wèn)題。因此，在現代的賦形反射面天線(xiàn)的設計中，這種方法已經(jīng)很少被使用了。
2.2 口面場(chǎng)優(yōu)化法[13-17]
　 這種方法是通過(guò)優(yōu)化口徑面場(chǎng)的分布，來(lái)獲得特定的遠場(chǎng)覆蓋模式。在優(yōu)化過(guò)程中，假設口徑面場(chǎng)的輻度分布不變，相位分布以三角函數等為基底函數展開(kāi)。優(yōu)化對象是這些三角函數或其他基函數的系數，可以采用最小二乘法或者其他非線(xiàn)性?xún)?yōu)化方法(如Minmax法)建立目標函數，使遠場(chǎng)增益逼近目標值。根據優(yōu)化后口面場(chǎng)的相位分布，通過(guò)幾何光學(xué)原理，可以計算出反射面的表面形狀。
　 JORENSEN R于1980年提出了一種更為嚴格的口徑相位綜合技術(shù)。在這種方法中，口徑相位分布直接由遠場(chǎng)方向圖優(yōu)化得到，再用幾何光學(xué)方法確定反射面形狀?？趶较辔痪C合技術(shù)消除了焦散問(wèn)題，能更方便地控制方向圖特性，但是這種方法不能同時(shí)優(yōu)化口徑幅度分布。這就是后來(lái)在改進(jìn)技術(shù)中為什么要先假定反射面的電場(chǎng)強度是大小不變的原因之一。JORENSEN R在分析中假定了一個(gè)固定的高斯幅度分布，對復雜的方向圖設計是不實(shí)用的。表示反射面，通過(guò)優(yōu)化函數的系數進(jìn)行反射面綜合。間接方法的優(yōu)化對象是成形反射面天線(xiàn)的一些特性參數，如波前、口徑面場(chǎng)分布等，通過(guò)優(yōu)化這些參數來(lái)滿(mǎn)足賦形要求，進(jìn)而確定反射面的形狀。
　 這種方法能夠取得較好的圖形效果，可以根據采樣點(diǎn)的增益分布控制主瓣與副瓣。但是在優(yōu)化過(guò)程中，假設口徑面場(chǎng)的幅度分布不變，而副瓣電平主要由起始的邊緣照射決定。實(shí)際上口徑面相位的變化會(huì )引起反射面表面形狀的變化，從而導致口徑面幅度分布有所變化，盡管這種變化不明顯，但也會(huì )影響遠場(chǎng)計算的精度。另外，有些基函數的選取并不能保證邊界形狀很復雜的覆蓋區有很好的賦形效果。