賦形天線詳解

衛星通信具有覆蓋范圍廣、可利用的頻帶寬、網絡建設速度快、成本低等特點，使其在通信領域得到了廣泛的應用。隨著衛星通信的發展, 為滿足一定的地面服務區的有效全向輻射功率(EIRP)要求, 迫使通信天線必須采用多饋源賦形或反射面賦形天線，這就極大地促進了多饋源賦形或反射面賦形天線的發展。這樣就能減小覆蓋區域以外的地面站對衛星系統所產生的干擾，提高系統的頻譜利用率和信道容量，提高有效全向輻射功率(EIRP)和接收系統品質因數G/T值，并能使衛星地面站終端設備得到簡化和降低成本。
當覆蓋區域是中國政區圖時，考慮到中國西部地區的地域遼闊、人口稀少、降雨量小、而東部地區人口稠密、經濟發達、降雨量大，雨衰是衛星通信必須要考慮的一個重要問題。因此，必須既考慮到全國有適當的功率覆蓋, 又應對東部地區華北地區有所偏重，使之具有較高的功率分配；而對西部地區略有降低，以便充分利用衛星資源。這樣，對天線賦形后所產生的通信波束既能覆蓋全國，又能突出東部。為了防止信號干擾，對鄰國方向上的天線的主、交叉極化增益應該足夠小。總之，對不變的區域，只要把一些主要因素考慮進去，就可以得到大致的期望分布。
1 賦形天線概述
賦形天線按反射面是否可變分為兩類: (1)單次賦形天線和重構賦形天線。(1)單次賦形天線是指天線的用途單一，裝配成型發射后，用途不再改變的天線。該天線的覆蓋區域和天線所處的空間位置均不再改變，其覆蓋的目標區增益分布是確定不變的。這類天線的設計通常是根據預期的覆蓋區域增益分布分析設計反射面，反射面一經確定后不再改變。(2)可變賦形天線有兩種情況:一是根據天線軌道位置的改變，調整工作系統，從而得到相應的賦形波束;二是通過調整系統，對不同形狀的地域產生相應的賦形波束覆蓋[1]。
　 賦形天線按使用的饋源數目分為兩類：多饋源天線和單饋源天線。在傳統的衛星通信中，通常使用陣饋拋物天線(如圖1(a))，饋源陣列放在反射面或微波透鏡的焦平面上，按一定方式排列的饋源天線組成。饋源陣列位于焦平面上，各饋源除中心處的饋源外，都相對于焦點有一個橫向偏移，且偏移方向和偏移量大小各不相同，這樣各饋源所產生的波束經反射面的反射或透鏡的聚焦后，就會在遠場區域形成一組彼此相互獨立、波束寬度近似相等、均勻分布的子波束。這種天線的賦形設計的重點在于優化饋源的激勵系數和幾何排列等參數。其中一個重要組成部分是波束成形網絡(BFN)，用來調整饋源的激勵情況。但它們存在著固有的缺點:天線系統的大量開銷將花費在設計和調整波束形成網絡上，并且復雜的波束形成網絡會引起射頻損耗，降低天線系統的總增益。這些缺陷會隨著頻率的升高而更加嚴重,因此多饋源賦形技術一般用于Ka波段(4 GHz~7 GHz)以下[2-6]。

對單個反射面進行賦形(如圖1(b))得到賦形波束是一種更加可行的方案。在對一個固定區域進行波束賦形的情況下，可以不用波束成形網絡，而是作反射面成形設計，采用單饋成形反射面天線，這種賦形反射面天線具有機械加工簡單，結構不復雜,以及由于沒有波束成形網絡，損耗小，增益更高的優勢[6-10]。
按照天線的反射器類型，可以分為單賦形反射面天線和多賦形反射面(通常是兩個反射面)天線。在賦形天線設計中，單反射面天線一般多采用偏饋反射面天線，圖2(a)所示為一偏饋拋物面天線，它由一個帶有一定偏轉角的圓錐面去切割標準拋物面而得。與其他天線形式相比，具有結構簡單、質心低的特點，同時它也很好地解決了饋源的遮擋問題。基于此，該天線廣泛地運用于衛星通信中。在賦形反射面天線設計中，常見的多反射面天線為雙偏置反射面天線。如圖2(b)所示，通過對偏置卡賽格倫或格里高利天線的兩個反射面的形狀賦形（從設計加工等方面考慮，一般只對副反射面進行賦形設計），來達到賦形設計的目的。

2 賦形中常用的設計方法
　 從賦形方法的角度看，可以分為直接法和間接法。早在1975年，KATAGI T和TAKEICHI Y就提出了一種成形反射面的設計方法，即波前分析方法，隨后北美和歐洲的研究人員在此基礎上，根據幾何光學(GO)、物理光學(PO)、幾何繞射理論(GTD)和物理繞射理論(PTD)等方法，提出了成形反射面的直接和間接綜合方法。直接方法[11-12]的優化對象是反射面本身的形狀，用各種函數展開式直接方法的優化對象是反射面本身的形狀，用各種函數展開式表示反射面，通過優化函數的系數進行反射面綜合。一般說來，根據要求尋找得到這樣的基底函數是非常困難的，這種方法多數都是級數的形式表示。而間接方法的優化對象是成形反射面天線的一些特性參數，如波前、口徑面場分布等，通過優化這些參數來滿足賦形要求，確定一些反射面的節點， 從而進行擬合，確定反射面的形狀。無論是直接方法還是間接方法，都只是一種優化的過程，這樣，尋求一種最佳的優化方法就是其中的關鍵問題，檢驗某種方法的優化結果可以從后來的誤差分析中得出。檢驗方法在實際中是否可行，還必須用嚴格的物理方法進行驗證。
2.1 波前法
　 早在1975年，KATAGI T和TAKEICHI Y提出了一種成形反射面的設計方法，即波前分析方法，這種方法是假定遠場輻射圖的波前由兩部分組成：內部是限制在所需輻射圖的一個角形范圍內的球面波；外部是一個以內部邊界輪廓作準線的控制表面。饋源波前假定為球面波，這樣，用幾何光學方法根據入射和反射波前就完全可以確定反射面。從幾何光學意義上講，波前與波束剖面相對應，波前決定反射面的成形。根據初始饋源在反射面上產生的面電流分布來計算天線方向圖，將天線方向圖的計算值與期望值相比較，如果計算值逼近期望值的結果并不理想,則重新調整決定波前和反射面的參數，計算天線方向圖，直至滿意為止[5,13]。
　 波前法的原理是：拋物面天線將饋源匯聚成的球形波前轉換成平面波前。當平面波前、饋源和反射面上的一點給定時，由光路定律可以確定反射面上的所有點;同理，當賦形波前、饋源和反射面上的一點給定時，成形反射面也可由光路定理確定。這種方法比較粗略，可對邊界地形不是很復雜的覆蓋區進行賦形，但對天線的一些遠場特性無法確定。這一方法無法解決與反射波前的外部有關的幾何光學焦散問題。因此，在現代的賦形反射面天線的設計中，這種方法已經很少被使用了。
2.2 口面場優化法[13-17]
　 這種方法是通過優化口徑面場的分布，來獲得特定的遠場覆蓋模式。在優化過程中，假設口徑面場的輻度分布不變，相位分布以三角函數等為基底函數展開。優化對象是這些三角函數或其他基函數的系數，可以采用最小二乘法或者其他非線性優化方法(如Minmax法)建立目標函數，使遠場增益逼近目標值。根據優化后口面場的相位分布，通過幾何光學原理，可以計算出反射面的表面形狀。
　 JORENSEN R于1980年提出了一種更為嚴格的口徑相位綜合技術。在這種方法中，口徑相位分布直接由遠場方向圖優化得到，再用幾何光學方法確定反射面形狀。口徑相位綜合技術消除了焦散問題，能更方便地控制方向圖特性，但是這種方法不能同時優化口徑幅度分布。這就是后來在改進技術中為什么要先假定反射面的電場強度是大小不變的原因之一。JORENSEN R在分析中假定了一個固定的高斯幅度分布，對復雜的方向圖設計是不實用的。表示反射面，通過優化函數的系數進行反射面綜合。間接方法的優化對象是成形反射面天線的一些特性參數，如波前、口徑面場分布等，通過優化這些參數來滿足賦形要求，進而確定反射面的形狀。
　 這種方法能夠取得較好的圖形效果，可以根據采樣點的增益分布控制主瓣與副瓣。但是在優化過程中，假設口徑面場的幅度分布不變，而副瓣電平主要由起始的邊緣照射決定。實際上口徑面相位的變化會引起反射面表面形狀的變化，從而導致口徑面幅度分布有所變化，盡管這種變化不明顯，但也會影響遠場計算的精度。另外，有些基函數的選取并不能保證邊界形狀很復雜的覆蓋區有很好的賦形效果。