橢圓波束變焦距環(huán)焦天線(xiàn)的性能分析

1 橢圓波束天線(xiàn)的應用場(chǎng)合

在機載或星載衛星通信中，由于天線(xiàn)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(xiàn)的電氣性能最好，就成為關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題。以矩形的長(cháng)邊和短邊為長(cháng)短軸的橢圓口面天線(xiàn)，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(xiàn)也可作為高效率的星載衛星通信天線(xiàn)，以最大的效率覆蓋所期望的區域。

在車(chē)載衛星通信中，如果車(chē)載天線(xiàn)的波束為橢圓波束，例如天線(xiàn)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(jiǎn)化了天線(xiàn)跟蹤系統。

2 橢圓波束天線(xiàn)的類(lèi)型及其分析

2.1 切割拋物面天線(xiàn)和切割賦形環(huán)焦天線(xiàn)

切割拋物面天線(xiàn)和切割賦形環(huán)焦天線(xiàn)利用普通的旋轉對稱(chēng)饋源，只是把圓形的天線(xiàn)口面切割成橢圓形或如圖1所示的口面形狀。由于天線(xiàn)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(guān)點(diǎn)來(lái)看，漏失能量很多，天線(xiàn)效率不會(huì )很高。這種天線(xiàn)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(xiàn)從饋源發(fā)射出的波束就是橢圓波束，正好對應橢圓口面，天線(xiàn)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(xiàn)口面示意圖

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

2.3 微帶天線(xiàn)陣

單元微帶天線(xiàn)是一種小型化的天線(xiàn)，可以用在許多場(chǎng)合。把微帶天線(xiàn)組成大型的陣列，可以形成高增益的平板天線(xiàn)。如果把微帶天線(xiàn)的單元在橫縱兩個(gè)方向的單元數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(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)天線(xiàn)為平板狀，因而天線(xiàn)的縱向尺寸低，安裝方便，更適合用作星載、機載衛星通信天線(xiàn)。

由于微帶天線(xiàn)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(chǎng)合。這種天線(xiàn)也很難用于需要極化跟蹤的場(chǎng)合。

2.4 橢圓波束變焦距天線(xiàn)

針對上述幾種橢圓波束天線(xiàn)的固有缺陷，利用變焦距結構，設計出了橢圓波束變焦距天線(xiàn)。這種天線(xiàn)的設計原型為普通的雙反射面天線(xiàn)，如雙偏置天線(xiàn)、環(huán)焦天線(xiàn)、濺散板天線(xiàn)等。橢圓波束變焦距天線(xiàn)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(xiàn)照片如圖2所示。

在文獻1中，詳細討論了橢圓波束變焦距環(huán)焦天線(xiàn)的設計問(wèn)題，文獻2給出了這種天線(xiàn)的計算方法。在這里，進(jìn)一步分析這種天線(xiàn)的性能。

圖2 橢圓波束變焦距環(huán)焦天線(xiàn)照片

3 橢圓波束變焦距環(huán)焦天線(xiàn)性能分析

3.1 橢圓波束變焦距環(huán)焦天線(xiàn)的射線(xiàn)關(guān)系

求解橢圓波束變焦距環(huán)焦天線(xiàn)的坐標系如圖3所示。圖3中，x、y、z三軸構成正交直角坐標系，r、θ、j構成球坐標系，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(xiàn)主面，2為天線(xiàn)副面。

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

圖3 變焦距環(huán)焦天線(xiàn)的坐標系示意圖

在橢圓波束變焦距環(huán)焦天線(xiàn)的設計過(guò)程中，先確定了副面的形狀，然后根據副面上的反射定律和等光程條件確定了主面形狀。由于滿(mǎn)足副面的反射定律和等光程條件，所以必然滿(mǎn)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，轉變成沿主面對稱(chēng)軸方向的平面波。

但是，由于在這里副面和主面都不是旋轉對稱(chēng)的結構，所以射線(xiàn)關(guān)系也比較特殊。圖5表示副面曲線(xiàn)與主面曲線(xiàn)的對應關(guān)系。圖中，各條短線(xiàn)表示副面在j面的截線(xiàn)（j從0°到90°每隔10°一條），各條長(cháng)線(xiàn)是副面截線(xiàn)所對應的主面上點(diǎn)的連線(xiàn)。實(shí)際上，副面截線(xiàn)是平面曲線(xiàn)，而所對應的主面點(diǎn)連線(xiàn)則不是平面曲線(xiàn)，圖中的線(xiàn)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(xiàn)所對應的主面點(diǎn)連線(xiàn)已不在j面上，而是偏向長(cháng)軸方向。這樣的副面與主面對應關(guān)系，雖然與常規的反射面天線(xiàn)不同，但也滿(mǎn)足反射定律和等光程條件，因而射線(xiàn)關(guān)系是合理的。從主面連線(xiàn)的疏密可以看出，這種射線(xiàn)關(guān)系使主面上的能量分布在長(cháng)軸方向較密，而短軸方向相對稀疏，這也是這種天線(xiàn)可以形成橢圓波束的原因之一。

圖4 變焦距環(huán)焦天線(xiàn)結構示意圖

圖5 變焦距環(huán)焦天線(xiàn)副面與主面曲線(xiàn)對應關(guān)系

3.2 橢圓波束變焦距環(huán)焦天線(xiàn)的口面等值線(xiàn)分布

橢圓波束變焦距環(huán)焦天線(xiàn)的設計中，利用普通的旋轉對稱(chēng)饋源和特殊的雙反射面結構，把饋源發(fā)出旋轉對稱(chēng)的錐狀波束轉換成橢圓波束。由于在這種結構中，保持了饋源對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(xiàn)口面的等值線(xiàn)如圖6所示，基本為一族橢圓線(xiàn)。對于天線(xiàn)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(guò)高、寬邊方向照射電平過(guò)低的缺點(diǎn)，所以提高了天線(xiàn)的效率。

圖6 天線(xiàn)口面的等值線(xiàn)分布

3.3 天線(xiàn)性能測試結果及分析

實(shí)際設計了一個(gè)環(huán)焦型變焦距橢圓波束天線(xiàn)。天線(xiàn)的設計指標為：

天線(xiàn)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(jiàn)表1。從表1可以看出，實(shí)測天線(xiàn)在使用頻段均達到了75%以上的效率，這是一個(gè)很高的效率指標。

至于這種天線(xiàn)的極化性能，由于其饋源為普通的旋轉對稱(chēng)饋源，線(xiàn)極化情況下改變饋源的極化狀態(tài)就會(huì )改變天線(xiàn)的極化狀態(tài)，而不影響天線(xiàn)的效率。如果天線(xiàn)采用圓極化，只需饋源采用圓極化饋源即可。所以這種天線(xiàn)解決了用橢圓型饋源饋電所帶來(lái)的極化跟蹤問(wèn)題。

表1 天線(xiàn)的增益及效率

4 結論

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