李增科，張曉沖 ，吳 旭，付博實

(1.中華通信系統(tǒng)有限責任公司 河北分公司，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍32036部隊，重慶 400054)

0 引言

多波束天線利用多個饋源形成多個并行的波束，以此來偵查和探測目標的具體位置，一般可以通過透鏡天線[1]、陣列天線[2]、相控陣[3]和反射面天線[4]等來實現(xiàn)多波束。多波束反射面天線就是在反射面焦點附近由多個饋源來形成多個波束。多波束天線技術(shù)在移動通信、衛(wèi)星通信和雷達探測等領(lǐng)域有極高的應(yīng)用價值。尤其在測控領(lǐng)域，由于近地的高動態(tài)目標具有較快角速度和角加速度，要實現(xiàn)對其高概率快速捕獲是比較困難的[5]。因此，各國均開展了多波束天線的研制和相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，并取得了重大進展[6-9]；另外，為了通信容量的擴展，多波束天線還要具有較低旁瓣，使多波束能夠進行多次頻率復用[10-11]。多波束天線設(shè)計的核心是饋源陣的設(shè)計，從而產(chǎn)生所需要的波束，因此天線的波束設(shè)計成為多波束天線很關(guān)鍵的技術(shù)之一。本文主要是在以往設(shè)計多波束天線的基礎(chǔ)上進行總結(jié)和優(yōu)化分析，從而為后續(xù)工程實踐提供可靠的設(shè)計經(jīng)驗與優(yōu)化方法。

1 天線模型和電氣指標

天線采用卡塞格倫形式，由2.5 m口徑拋物面天線、Ka頻段主波束饋源、Ka頻段偏焦波束饋源、天線座、天線驅(qū)動單元和天線控制單元等組成。主要幾何參數(shù)如圖1所示。饋源對副面的照射角為37°，焦徑比F/D=0.35。

多波束天線的主要性能指標為：

① 工作頻段：

上行：30～31 GHz；

下行：26～28 GHz。

② 主波束增益：

Gr≥53 dBi，(f0=28 GHz，E≥5°)；

Gt≥54 dBi，(f0=31 GHz，E≥5°)。

③ 主波束寬度：

θr：0.3×(1±10%)°，(f0=28 GHz)；

θt：0.27×(1±10%)°，(f0=31 GHz)。

④ 偏饋波束覆蓋范圍：

方位：-2°～+2°，俯仰：-2°～+2°。

⑤ 偏饋波束增益損失：≤2 dB。

⑥ 主波束第一旁瓣電平：≤-14dB。

2 饋源設(shè)計

利用多波束饋源陣來實現(xiàn)2.0°×2.0°的波束覆蓋范圍。綜合考慮天饋系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)及系統(tǒng)對各波束交疊情況的實際需求，最終組合饋源的外圍陣列為12×14方陣，中心4個饋源位置空出用于放置主饋源。多波束饋源外圍采用方喇叭密集排列，實現(xiàn)大的波束覆蓋范圍；中心饋源采用波紋喇叭形式，提高天線主用信道性能，主通道饋源配置有TE21模單脈沖跟蹤網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)單脈沖跟蹤功能，可同時接收左、右旋圓極化信號。

在成像跟蹤基帶配合下，偏饋多波束具有捕獲、跟蹤目標能力；同時具有對主波束的自引導功能；多波束饋源在主波束周邊，呈對稱分布，單元一般采用方喇叭或圓喇叭形式。研制成功的多波束饋源外形如圖2所示。其中，外圍陣列饋源利用隔板移相器實現(xiàn)圓極化。

主用單脈沖跟蹤饋源由波紋喇叭、TE21模跟蹤網(wǎng)絡(luò)、圓極化器、正交模耦合器和頻率雙工器等組成，如圖3所示。

圖3 單脈沖跟蹤饋源結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of monopulse tracking feed

選用波紋喇叭是由于其具有良好的電氣性能，例如，旋轉(zhuǎn)軸對稱的主極化方向圖、極低的交叉極化峰值電平以及具有低旁瓣的特性和良好的匹配特性。

3 天線的優(yōu)化設(shè)計

3.1 天線口徑確定

天線口徑D的大小取決于子波束的波束寬度和副瓣電平要求，其關(guān)系為[12]：

D=(33.2-1.55SL)·λ/θ3 dB，

(1)

式中，D為天線口徑；SL為副瓣電平(dB)；θ3 dB表示3 dB波束寬度。

如果給定增益要求，拋物面直徑D可按式(2)近似計算：

G=(πD/λ)2(0.5～0.6)。

(2)

如果給定半功率波瓣寬度，則拋物面直徑D可按式(3)計算：

2θ3 dB=λ(65～80)/D。

(3)

對天線的增益和半功率波瓣寬度的要求不是獨立的，而是相互制約的。因為一旦天線的增益給定，它的波束寬度也就大致確定。本文中天線工作于28 GHz時，要求波束寬度為0.3°，則求出的天線口徑大約為2.5 m。

3.2 焦徑比的確定

焦徑比對偏饋波束的覆蓋范圍沒有影響，對偏饋波束增益有影響，隨著焦徑比的增大偏饋損失在減小，但是較大的焦徑比會導致天線的軸向尺寸很大，尤其是在車載天線中，方艙對天線的收藏高度是有要求的，很大的軸向尺寸會嚴重超高，因此應(yīng)該選擇合適的焦徑比。綜合考慮，取焦徑比F/D=0.35。

3.3 副面大小的取值確定

對于多波束天線來說，應(yīng)考慮到饋源遮擋，若取饋源艙的直徑dk=320 mm，記副面直徑為ds，主面焦距f，副面實虛焦點間距為fc，則在主面的遮擋區(qū)域直徑dx滿足公式：

fc/f=dk/dx。

(4)

當天線主面確定后，副面的大小會對天線的主波束增益和旁瓣及偏饋損失等性能產(chǎn)生影響。副面變大，偏饋損失會降低，但副面過大時，主波束的增益會降低，旁瓣會變差。當副面過小時，偏饋損失會很大。因此，選擇合適的副面在多波束天線設(shè)計中尤其重要。因此，要保證天線效率最大和偏饋損失較小，應(yīng)滿足：

ds≈dx。

(5)

本文中，fc=484.271 6 mm，f=875 mm，求得dx=578.2 mm，ds=580 mm。

3.4 波束覆蓋區(qū)域確定

偏饋饋源位置P與偏饋波束覆蓋區(qū)域W的對應(yīng)關(guān)系為：

W=Pθ0/λ，

(6)

式中，θ0為天線中心波束寬度；λ為對應(yīng)頻率的波長。這里選取θ0=0.3，工作頻率為28 GHz，偏離中心第6個饋源的位置P=72 mm，進而得到W=2.016°。偏離中心第7個饋源的位置P=84 mm，進而得到W=2.352°。

4 計算仿真結(jié)果與分析

采用商用Grasp10 軟件建立了天線模型，并對其遠區(qū)場的輻射性能進行了計算。計算模型如圖4所示。

圖4 計算模型Fig.4 Computational model

經(jīng)計算，得到了中心波束，如圖5和圖6所示，多波束天線波束覆蓋如圖7所示。從計算結(jié)果可以看出，多波束天線覆蓋區(qū)域方位和俯仰均大于±2.0°，滿足設(shè)計需求。

圖5 28 GHz中心波束Fig.5 28 GHz center beam

圖6 31 GHz中心波束Fig.6 31 GHz center beam

圖7 波束覆蓋Fig.7 Beam coverage

利用所建模型計算了各單元的輻射方向圖，31 GHz時主波束增益為56.09 dB，28 GHz時主波束增益為55.20 dB，第一旁瓣均小于-17.5 dB。由圖7可知，波束覆蓋范圍大于2.0°，在偏饋波束覆蓋范圍內(nèi)，從仿真結(jié)果得到31 GHz時偏焦天線最大增益損失為1.88 dB，28 GHz時偏焦天線最大增益損失為2.10 dB，略不滿足偏焦天線增益損失不高于2 dB的設(shè)計需求。

5 饋源陣的進一步優(yōu)化分析

為了進一步減小偏饋損失，需要對饋源陣列進行優(yōu)化設(shè)計，拋開傳統(tǒng)的平面饋源陣列設(shè)計，改為從外至內(nèi)呈階梯式的非平面饋源陣列設(shè)計，由于偏離中心第6個饋源的波束覆蓋剛好在2.0°，因此重點研究了偏離中心第6個饋源在上下移動時，位移量對偏饋損失的影響，如圖8所示。橫坐標的負值表示向下移動，正值表示向上移動。橫坐標0表示偏離中心第6個饋源處于和天線實焦點同一高度。

圖8 偏饋損失與饋源位移量的變化曲線Fig.8 Variation curve of offset loss and feed displacement

由圖8可以看出，偏饋損失與饋源位移量的變化曲線類似于拋物線，有一個最低點，也是說在向上移動10 mm時，31 GHz時偏焦天線增益損失和28 GHz時偏焦天線最大增益損失分別為1.38，1.6 dB，與平面饋源陣列相比，偏饋損失要低0.5 dB。

6 結(jié)束語

本文完成了反射面天線的優(yōu)化設(shè)計和饋源陣列的優(yōu)化設(shè)計，每個饋源對應(yīng)一個波束，共使用了165個饋源，通過對多波束饋源陣進行進一步優(yōu)化設(shè)計，進一步降低了偏饋損失，具有很好的指導和借鑒意義。仿真表明，該天線可實現(xiàn)2.0°×2.0°的波束覆蓋范圍，在該范圍內(nèi)主波束增益優(yōu)于55.09 dB，偏饋源損失小于1.6 dB，滿足波束覆蓋區(qū)、天線增益和旁瓣電平等各項指標要求。該天線形式可應(yīng)用在地面、車載、測控及星載等多波束通信領(lǐng)域。