1 背景
电子系统中为了在宽区域范围内实现对多个目标的有效覆盖,需要系统瞬时波束宽度宽,等效辐射功率达到一定阈值。宽波束空间功率合成天线系统的设计成为实现该类系统的关键。
2 天线设计
一般,相控阵列天线是实现高等效辐射功率系统的首选手段,但是相控阵列天线随着阵列口径增大,辐射波束宽度线性减小。尽管通过波束综合方式可在一定程度上展宽波束,但是其波束展宽有限,口径效率降低。另外,相控阵天线系统波束合成网络复杂,研制成本高。本文利用馈源阵列加反射面的方式实现宽波束辐射天线,其研制成本低,波束宽度可根据反射面赋形得到有效展宽。
文中,天线采用偏馈单反射面天线形式,馈源是由24个天线单元构成的馈源阵列,阵列拓扑结构为六边形,见下图1。
图1 馈源阵列
图2是偏馈反射面天线系统的几何示意图。θ1是反射面焦点和反射面边缘点连线与焦点和锥顶中心点P连线构成的夹角,θ2是偏置馈源的法向中心线与抛物面焦线构成的夹角,通常也成为偏置角,H为净距,D是反射面口径,O点为反射面的焦点。
图2 偏置抛物面天线形式
根据图1几何关系及抛物面特性,在已知F、θ1、θ2等参量前提下,可求出反射面口径直径D,净距H等参数,其方程为
为了拓宽天线在方位面上的波束,设计反射面的方位面母线是圆弧曲线,俯仰面的上母线是抛物线,两者方程分别为:
根据上述对反射面的赋形设计,该反射面天线在方位面(XOY平面)上形成宽波束;在俯仰面(XOZ平面)上,由于反射面的母线仍然是抛物线,形成尖锐的窄波束。这样,整个天线系统在远场形成了一个“扇形”波束。
3 仿真结果
天线设计中,馈源阵列在外部电磁仿真软件中设计,馈源的辐射数据在外部软件中可直接计算得到。FEKO软件在天线布局及反射面计算上存在性能优越。但是,本系统中馈源单元结构繁琐,如果用FEKO仿真设计馈源阵列,需要做大量的简化工作。这样,一方面增加了馈源模型处理的工作量,另一方面由于简化的馈源模型使得计算精度变差。文中,利用编制的matlab程序将外部仿真的馈源阵列结果,处理后导入到FEKO软件中作为远场等效源激励,这样不仅提高了计算效率,节省设计时间,而且保证了计算精度。
基于前述设计,通过FEKO软件计算获得图3的3D仿真方向图。f0频点下,天线在远场形成扇形波束。
图3 天线系统3D仿真方向图
图4是反射面天线在方位面和俯仰面的2D仿真方向图,由图看到天线方位面波束宽度约19.15°,俯仰面波束宽度约4.76°,最大辐射方向与抛物面的主轴方向一致,其最大方向性系数为24.6dBi。
图4 反射面天线系统方位面和俯仰面仿真方向图
4 分析与结论
通过赋形设计的反射面天线是实现宽波束空间功率合成天线系统的重要手段。当天线系统中馈源阵列较大时,利用FEKO的设计方式可有效提高设计效率,保证设计精度。
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