橢圓波束變焦距環焦天線的性能分析

1 橢圓波束天線的應用場合

在機載或星載衛星通信中，由于天線的裝載空間和輻射口面往往是矩形的，所以充分利用矩形口面，使天線的電氣性能最好，就成為關鍵的技術問題。以矩形的長邊和短邊為長短軸的橢圓口面天線，是一種理想的選擇。

由于許多國家的領土形狀可近似等效為橢圓，所以橢圓波束天線也可作為高效率的星載衛星通信天線，以最大的效率覆蓋所期望的區域。

在車載衛星通信中，如果車載天線的波束為橢圓波束，例如天線在方位面具有較窄的波束，在俯仰面具有較寬的波束，則可以只進行方位面的跟蹤，不進行俯仰面的跟蹤，從而大大簡化了天線跟蹤系統。

2 橢圓波束天線的類型及其分析

2.1 切割拋物面天線和切割賦形環焦天線

切割拋物面天線和切割賦形環焦天線利用普通的旋轉對稱饋源，只是把圓形的天線口面切割成橢圓形或如圖1所示的口面形狀。由于天線口面的窄邊b和寬邊a兩方向的照射電平不相等，從發射的觀點來看，漏失能量很多，天線效率不會很高。這種天線的效率一般低于50%。

2.2 利用橢圓型饋源

用橢圓型的饋源饋電可獲得效率較高的橢圓波束。這種天線從饋源發射出的波束就是橢圓波束，正好對應橢圓口面，天線口面邊緣的照射電平相同，因而效率很高。

圖1 切割拋物面天線口面示意圖

但是這種天線的缺點是極化跟蹤性能很差，而天線的極化跟蹤性能是衛星通信天線的一項重要指標。所以這種天線很難用于要求具有極化旋轉的場合，更不能用于圓極化使用的場合。另外，橢圓波導饋源的加工也非常困難。

2.3 微帶天線陣

單元微帶天線是一種小型化的天線，可以用在許多場合。把微帶天線組成大型的陣列，可以形成高增益的平板天線。如果把微帶天線的單元在橫縱兩個方向的單元數目或者單元間距不同，就可以形成需要的橢圓波束。

這種天線的優點是整個天線為平板狀，因而天線的縱向尺寸低，安裝方便，更適合用作星載、機載衛星通信天線。

由于微帶天線本身有功率容量的限制，一般只能承受即幾十瓦的功率，因而不能用于大功率的場合。這種天線也很難用于需要極化跟蹤的場合。

2.4 橢圓波束變焦距天線

針對上述幾種橢圓波束天線的固有缺陷，利用變焦距結構，設計出了橢圓波束變焦距天線。這種天線的設計原型為普通的雙反射面天線，如雙偏置天線、環焦天線、濺散板天線等。橢圓波束變焦距天線具有很高的效率、良好的極化性能。橢圓波束變焦距環焦天線照片如圖2所示。

在文獻1中，詳細討論了橢圓波束變焦距環焦天線的設計問題，文獻2給出了這種天線的計算方法。在這里，進一步分析這種天線的性能。

圖2 橢圓波束變焦距環焦天線照片

3 橢圓波束變焦距環焦天線性能分析

3.1 橢圓波束變焦距環焦天線的射線關系

求解橢圓波束變焦距環焦天線的坐標系如圖3所示。圖3中，x、y、z三軸構成正交直角坐標系，r、θ、j構成球坐標系，O是其原點，xOy平面是等光程條件的參考平面，饋源相心位于O點，1為天線主面，2為天線副面。

圖4中，把j=0°和j=90°平面副面和主面曲線畫在一起，對于不同的j平面，副面邊緣對饋源相心保持相同的張角θ_m。

圖3 變焦距環焦天線的坐標系示意圖

在橢圓波束變焦距環焦天線的設計過程中，先確定了副面的形狀，然后根據副面上的反射定律和等光程條件確定了主面形狀。由于滿足副面的反射定律和等光程條件，所以必然滿足主面的反射定律，即從饋源相心發出的球面波經副面和主面反射后，轉變成沿主面對稱軸方向的平面波。

但是，由于在這里副面和主面都不是旋轉對稱的結構，所以射線關系也比較特殊。圖5表示副面曲線與主面曲線的對應關系。圖中，各條短線表示副面在j面的截線（j從0°到90°每隔10°一條），各條長線是副面截線所對應的主面上點的連線。實際上，副面截線是平面曲線，而所對應的主面點連線則不是平面曲線，圖中的線是它們在xOy平面上的投影。從圖中可以看出，副面j面的截線所對應的主面點連線已不在j面上，而是偏向長軸方向。這樣的副面與主面對應關系，雖然與常規的反射面天線不同，但也滿足反射定律和等光程條件，因而射線關系是合理的。從主面連線的疏密可以看出，這種射線關系使主面上的能量分布在長軸方向較密，而短軸方向相對稀疏，這也是這種天線可以形成橢圓波束的原因之一。

圖4 變焦距環焦天線結構示意圖

圖5 變焦距環焦天線副面與主面曲線對應關系

3.2 橢圓波束變焦距環焦天線的口面等值線分布

橢圓波束變焦距環焦天線的設計中，利用普通的旋轉對稱饋源和特殊的雙反射面結構，把饋源發出旋轉對稱的錐狀波束轉換成橢圓波束。由于在這種結構中，保持了饋源對副面邊緣的照射角一致，并且主面邊緣的照射電平也一致，因而天線口面的等值線如圖6所示，基本為一族橢圓線。對于天線口面外緣，其照射電平是一樣的，從而克服了切割拋物面窄邊照射電平過高、寬邊方向照射電平過低的缺點，所以提高了天線的效率。

圖6 天線口面的等值線分布

3.3 天線性能測試結果及分析

實際設計了一個環焦型變焦距橢圓波束天線。天線的設計指標為：

天線口面尺寸：680mm×450mm

工作頻率：接收：12.25～12.75GHz

發射：14.0～14.5GHz

增益：接收：35.7+20lg(f/12.5)dBi

發射：37.2+20lg(f/14.25)dBi

把收發頻段的中心頻率和邊頻的增益及效率列成表，見表1。從表1可以看出，實測天線在使用頻段均達到了75%以上的效率，這是一個很高的效率指標。

至于這種天線的極化性能，由于其饋源為普通的旋轉對稱饋源，線極化情況下改變饋源的極化狀態就會改變天線的極化狀態，而不影響天線的效率。如果天線采用圓極化，只需饋源采用圓極化饋源即可。所以這種天線解決了用橢圓型饋源饋電所帶來的極化跟蹤問題。

表1 天線的增益及效率

4 結論

由于在衛星通信以及許多其它場合都需要橢圓波束天線，而橢圓波束變焦距環焦天線具有很高的天線效率和良好極化性能，因而將有很好的應用前景。