W波段波束波导天线系统的设计

　　引　言

　　在深空探测和气象测量领域,要求天线具有高增益、低旁瓣和较高的极化纯度,采用波束波导馈电的反射面天线是最优的选择之一[1, 2]。偏置卡塞格仑天线采用偏置结构避免副镜和支撑杆对主镜的遮挡,从而可以提高天线的口径效率,降低近轴旁瓣电平和电压驻波比[3]。波束波导馈电具有低损耗、易维护等许多优点,已经广泛应用于各种反射面型天线馈电系统当中。本文采用双模圆锥喇叭作为馈源,这是因为相比波纹喇叭,双模圆锥喇叭加工简单,且相位中心稳定,主瓣方向图旋转对称,高斯主模辐射效率极高(可达96·3% )[4, 5]。

　　1　双模圆锥喇叭的设计

　　图1为双模喇叭的设计参数图,本文中的双模圆锥喇叭采用结合偏置卡塞格仑天线副镜和主模圆锥喇叭参数的设计方法,具体步骤如下:

　　第一步　图2为喇叭照射偏置卡塞格仑天线副镜图,根据喇叭24dB增益和-19dB照射锥削要求,确定偏置卡塞格仑天线副镜边缘到双模喇叭相位中心的半张角θm,由于喇叭的相位中心距口面距离h远小于D,故θ′m≈θm。空间因子μ=kA0sinθ′m,故A0=μλ/(2πsinθ′m),其中k =2π/λ,λ为中心频率对应的波长,Ds为偏置卡塞格仑天线副镜对称面边缘到馈源喇叭轴线的距离。

　　第二步　为满足照射锥削的要求,喇叭归一化增益方向图主瓣在-19dB内要有良好的旋转对称性。当双模圆锥喇叭口面模比M11=0·36时,归一化增益方向图主瓣在-16dB内可以做到理想的旋转对称。仿真结果证明,当M11=0·36时,归一化增益方向图主瓣在-19dB内仍有很好的旋转对称性。由M11可以得到τ值(τ=A1/A2),根据τ-θ曲线,从而得到θ值。由tanθ=A0/L,得L =A0/tanθ。

　　第三步　双模圆锥喇叭的E11模对H面没有贡献,故可以根据主模喇叭归一化H面方向图在-19dB时的锥削电平和口面边缘到口面中心的相差m来确定μ值,其中m≈πA20/λL =πA0tanθ/λ=μtanθ/2sinθ′m。由于m与μ值相关,设计时可由主模喇叭的H面方向图估算μ的取值范围,算出m,反过来修正μ值,如此反复,最终确定合理的μ值。

　　第四步　由μ值求出A0。为减小驻波并抑制高次模的传播,A2和h2分别取0·6λ和1·1λg,其中λg为直径A2的圆波导中的波长。最后由H11、E11模在喇叭口面相差为零确定h1段长度。具体参数值如表1所示。

　　2　波束波导的设计

　　高斯波束法设计波束波导快速简洁,分析精度优于几何光学但较物理光学法差。故本文采用高斯波束法设计波束波导,物理光学法精确分析。为实现馈源的理想映射,文中采用满足Mizusawa和Kituregawa准则的双抛物面波束波导[6]。双抛物面波束波导示于图3,两偏置抛物面镜尺寸完全相同,偏置角Φ由结构需求选择,文中Φ取60°,两平面镜仅起到改变波束方向的作用,设计时可先不予考虑。由于具有结构对称、宽频带以及低交叉极化特性[7],该波束波导已广泛应用于反射面天线馈电系统中。波束波导的具体设计步骤如下: