椭圆波束变焦距环焦天线的性能分析

1  椭圆波束天线的应用场合

在机载或星载卫星通信中，由于天线的装载空间和辐射口面往往是矩形的，所以充分利用矩形口面，使天线的电气性能最好，就成为关键的技术问题。以矩形的长边和短边为长短轴的椭圆口面天线，是一种理想的选择。

由于许多国家的领土形状可近似等效为椭圆，所以椭圆波束天线也可作为高效率的星载卫星通信天线，以最大的效率覆盖所期望的区域。

在车载卫星通信中，如果车载天线的波束为椭圆波束，例如天线在方位面具有较窄的波束，在俯仰面具有较宽的波束，则可以只进行方位面的跟踪，不进行俯仰面的跟踪，从而大大简化了天线跟踪系统。

2  椭圆波束天线的类型及其分析

2.1  切割抛物面天线和切割赋形环焦天线

切割抛物面天线和切割赋形环焦天线利用普通的旋转对称馈源，只是把圆形的天线口面切割成椭圆形或如图1所示的口面形状。由于天线口面的窄边b和宽边a两方向的照射电平不相等，从发射的观点来看，漏失能量很多，天线效率不会很高。这种天线的效率一般低于50%。

2.2  利用椭圆型馈源

用椭圆型的馈源馈电可获得效率较高的椭圆波束。这种天线从馈源发射出的波束就是椭圆波束，正好对应椭圆口面，天线口面边缘的照射电平相同，因而效率很高。

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图1 切割抛物面天线口面示意图

但是这种天线的缺点是极化跟踪性能很差，而天线的极化跟踪性能是卫星通信天线的一项重要指标。所以这种天线很难用于要求具有极化旋转的场合，更不能用于圆极化使用的场合。另外，椭圆波导馈源的加工也非常困难。

2.3  微带天线阵

单元微带天线是一种小型化的天线，可以用在许多场合。把微带天线组成大型的阵列，可以形成高增益的平板天线。如果把微带天线的单元在横纵两个方向的单元数目或者单元间距不同，就可以形成需要的椭圆波束。

这种天线的优点是整个天线为平板状，因而天线的纵向尺寸低，安装方便，更适合用作星载、机载卫星通信天线。

由于微带天线本身有功率容量的限制，一般只能承受即几十瓦的功率，因而不能用于大功率的场合。这种天线也很难用于需要极化跟踪的场合。

2.4  椭圆波束变焦距天线

针对上述几种椭圆波束天线的固有缺陷，利用变焦距结构，设计出了椭圆波束变焦距天线。这种天线的设计原型为普通的双反射面天线，如双偏置天线、环焦天线、溅散板天线等。椭圆波束变焦距天线具有很高的效率、良好的极化性能。椭圆波束变焦距环焦天线照片如图2所示。

在文献1中，详细讨论了椭圆波束变焦距环焦天线的设计问题，文献2给出了这种天线的计算方法。在这里，进一步分析这种天线的性能。

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图2  椭圆波束变焦距环焦天线照片

3  椭圆波束变焦距环焦天线性能分析

3.1  椭圆波束变焦距环焦天线的射线关系

求解椭圆波束变焦距环焦天线的坐标系如图3所示。图3中，x、y、z三轴构成正交直角坐标系，r、θ、j构成球坐标系，O是其原点，xOy平面是等光程条件的参考平面，馈源相心位于O点，1为天线主面，2为天线副面。

图4中，把j=0°和j=90°平面副面和主面曲线画在一起，对于不同的j平面，副面边缘对馈源相心保持相同的张角θ_m。

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图3  变焦距环焦天线的坐标系示意图

在椭圆波束变焦距环焦天线的设计过程中，先确定了副面的形状，然后根据副面上的反射定律和等光程条件确定了主面形状。由于满足副面的反射定律和等光程条件，所以必然满足主面的反射定律，即从馈源相心发出的球面波经副面和主面反射后，转变成沿主面对称轴方向的平面波。

但是，由于在这里副面和主面都不是旋转对称的结构，所以射线关系也比较特殊。图5表示副面曲线与主面曲线的对应关系。图中，各条短线表示副面在j面的截线（j从0°到90°每隔10°一条），各条长线是副面截线所对应的主面上点的连线。实际上，副面截线是平面曲线，而所对应的主面点连线则不是平面曲线，图中的线是它们在xOy平面上的投影。从图中可以看出，副面j面的截线所对应的主面点连线已不在j面上，而是偏向长轴方向。这样的副面与主面对应关系，虽然与常规的反射面天线不同，但也满足反射定律和等光程条件，因而射线关系是合理的。从主面连线的疏密可以看出，这种射线关系使主面上的能量分布在长轴方向较密，而短轴方向相对稀疏，这也是这种天线可以形成椭圆波束的原因之一。

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图4  变焦距环焦天线结构示意图

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图5  变焦距环焦天线副面与主面曲线对应关系

3.2  椭圆波束变焦距环焦天线的口面等值线分布

椭圆波束变焦距环焦天线的设计中，利用普通的旋转对称馈源和特殊的双反射面结构，把馈源发出旋转对称的锥状波束转换成椭圆波束。由于在这种结构中，保持了馈源对副面边缘的照射角一致，并且主面边缘的照射电平也一致，因而天线口面的等值线如图6所示，基本为一族椭圆线。对于天线口面外缘，其照射电平是一样的，从而克服了切割抛物面窄边照射电平过高、宽边方向照射电平过低的缺点，所以提高了天线的效率。

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图6  天线口面的等值线分布

3.3  天线性能测试结果及分析

实际设计了一个环焦型变焦距椭圆波束天线。天线的设计指标为：

天线口面尺寸：680mm×450mm

工作频率：接收：12.25～12.75GHz

发射：14.0～14.5GHz

增益：接收：35.7+20lg(f/12.5)dBi

发射：37.2+20lg(f/14.25)dBi

把收发频段的中心频率和边频的增益及效率列成表，见表1。从表1可以看出，实测天线在使用频段均达到了75%以上的效率，这是一个很高的效率指标。

至于这种天线的极化性能，由于其馈源为普通的旋转对称馈源，线极化情况下改变馈源的极化状态就会改变天线的极化状态，而不影响天线的效率。如果天线采用圆极化，只需馈源采用圆极化馈源即可。所以这种天线解决了用椭圆型馈源馈电所带来的极化跟踪问题。

表1  天线的增益及效率

4  结论

由于在卫星通信以及许多其它场合都需要椭圆波束天线，而椭圆波束变焦距环焦天线具有很高的天线效率和良好极化性能，因而将有很好的应用前景。