年第 36 卷 现代电子技术 构更加简单 且张口处没有波纹壁的厚度 可以实现更 络 在此给出几种具有周期结构馈源阵排布方式的模式 小的间距组阵 有利于改善交叠电平 和对应的激励系数 如图 5 所示 以及各馈源阵模式对 应的初级方向图 如图 3 和图 6 所示 其中图 6 中方向图 为

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1 2013 年 5 月 1 日 第 36 卷第 9 期 May 2013 Vol. 36 No. 9 现代电子技术 Modern Electronics Technique 57 周期结构馈源阵对多波束天线性能的影响 时政欣 曹多礼 中国空间技术研究院 西安分院 陕西 西安 摘 要 具有周期结构的馈源阵能够最大化实现馈源的共用 并且能够用相干耦合周期结构 波束形成网络 CORPS BFN 实现 通过设计一种双模圆锥喇叭 按照一定规律进行排布组成馈源阵 结合 CORPS BFN 设计思想 得出各馈源阵中 每个喇叭的激励系数并进行仿真分析 从而得出与单个馈源相比 周期结构馈源阵能够降低多波束天线副瓣电平的结论 关键词 周期结构 馈源阵 多波束天线 副瓣电平 中图分类号 TN82 34 文章编号 X 文献标识码 A Impact of feed source array with periodic structure on performance of multi beam antenna SHI Zheng xin CAO Duo li Xi an Branch China Academy of Space Technology Xi an China Abstract The feed source array with periodic structure can realize the maximization sharing of feed source and can be easily achieved by coherently coupling periodic structures beam forming network CORPS BFN. A dual mode conical horn was de signed and arrayed to form feed source array by a certain law. The excitation coefficient of each horn in the feed source array was got and simulated in combination with design concept of CORPS BFN. According to the detected results comparing with sin gle feed source the feed source array with periodic structure can lower the side lobe level of multi beam antenna Keywords periodic structure feed source array multi beam antenna side lobe level 0 引 基 于 相 干 耦 合 周 期 结 构 的 波 束 形 成 网 络 [5] CORPS 言 自 20 世纪 70 年代发射的国际通信卫星首次采用多 [1] BFN 提供了一种简单的波束形成网络设计思想 其效 果呈现了产生与所需地区相符合独立小辐射区域的使 波束天线 以来 星载多波束天线技术得到迅速发展和 用方式 并且能重新配置系统资源和重复利用 从而辐 广 泛 应 用 其 中 波 束 形 成 网 络 Beam Forming Net 射性能得到提高 网络的传统矩阵网络结构中 波束形成是基本馈源形成 源阵作为馈源 对多波束天线进行仿真 并分析其对天 法 每个波束都是由一个馈源形成的 所以不能满足波 线的方向性系数和副瓣电平等天线性能的影响 work BFN 是构成多波束天线的主要部件 波束形成 束交叠和副瓣要求 为了满足相邻波束之间的交叠性 能 需要相邻波束之间共享馈源 用 一簇 馈源形成一个 本文结合 CORPS BFN 设计思想 利用周期结构馈 1 波束 即采用增强型成束法 [2] 天线模型选取 由于反射面多波束卫星通信天线结构简单 质轻 周期结构在近几年得到许多学者的研究 其结构特 技术较为成熟 目前已经得到广泛应用 为避免馈源系 征和特殊的电磁性能促进了它的广泛应用 如频率选择 统遮挡 一般采用偏置单 双 反射面结构 本文选取该 表 面 FSS EBG 等 同 时 西 班 牙 UPNA Public Uni 天 线 形 式 并 且 取 反 射 器 口 径 为 mm 焦 距 比 为 [3] versity of Navarra 的 天 线 组 织 对 周 期 结 构 所 涉 及 的 领 [4] 域做了深入的研究 并提出了相干耦合周期结构 Co herently Radiating Periodic Structures CORPS 的概念及 其应用 其中应用之一是多波束天线的波束形成网络 收稿日期 偏移距离为 200 mm 如图 1 所示 其中 x a y a z a 为反射 面坐标系 x f y f z f 为馈源阵坐标系 2 馈源的选取 双模圆锥喇叭 [6] 在 5%~12%带宽内具有旋转性能好 的辐射方向图 与作为馈源最多的波纹喇叭相比 其结

2 年第 36 卷 现代电子技术 构更加简单 且张口处没有波纹壁的厚度 可以实现更 络 在此给出几种具有周期结构馈源阵排布方式的模式 小的间距组阵 有利于改善交叠电平 和对应的激励系数 如图 5 所示 以及各馈源阵模式对 应的初级方向图 如图 3 和图 6 所示 其中图 6 中方向图 为 E 面和 H 面 图1 天线系统几何图 图4 选 取 喇 叭 尺 寸 口 径 为1.3λ 经 设 计 优 化 得 喇 叭 口 馈源喇叭驻波比 径波导长度 L = 1.37λ 喇叭馈电段的波导半径为 0.37λ 工作在 Ka 频段的双模圆锥喇叭的模型如图 2 所示 其 辐射方向图和驻波比分别为图 3 和图 4 所示 图2 喇叭模型 3.2 图5 周期结构馈源阵各模式的排布方式及其激励系数 二次辐射分析 根据上述选取的天线模型和参数 并结合馈源阵各 模 式 排 布 和 激 励 系 数 利 用 Grasp 软 件 进 行 仿 真 得 到 图 各模式在焦点处次级方向图的方向性系数和副瓣电平 馈源喇叭辐射方向图 周期结构馈源阵的仿真 周期结构排布 根据文献[5] 本文结合 CORPS BFN 的设计思路 并 用一分二等功分器进行设计等相位输入输出的馈电网 数据 见表 1 从表 1 可以看出 各模式馈源阵次级方向图的方向 性系数均大于 41 db 其中菱形 2 2 和 3 3 模式大于单 个 喇 叭 的 值 而 菱 形 4 4 和 5 5 模 式 小 于 单 个 喇 叭 的 值 是由于有副瓣照射进反射面 由图 1 和图 6 可知 就 副 瓣 电 平 而 言 单 个 喇 叭 的 值 大 于 -20 db 其 他 均 小

3 第9期 59 时政欣 等 周期结构馈源阵对多波束天线性能的影响 于-20 db 其中菱形 3 3 和 4 4 模式的副瓣电平在-26 db 以下 可见馈源阵模式改善了单个馈源高副瓣的缺点 偏移量 N λ 其中 N = 0, 1,, 7 得到偏焦后的数据如图 8 所示 从图 8 可以看出 其结论与 x f 轴偏焦时的结论相 似 y f 轴偏焦时方向性系数均在 41.5 db 以上 其中菱形 2 2 和 3 3 模式最高 单个喇叭次之 菱形 5 5 最 低 y f 轴 偏 焦 时 副 瓣 电 平 单个喇叭的最差 较优的是菱形 4 4 模式 4 结 论 本 文 主 要 基 于 CORPS BFN 的设计思想 对馈源按照一定规 律性进行了具有周期结构的排 布 组 成 多 种 模 式 的 馈 源 阵 并 与单个馈源一起进行仿真与分 析 得到馈源阵对单个馈源副瓣 电平高的缺点较为明显的改善 在多波束天线设计时 还应 根据天线指标要求和实际情况 图6 表1 天线性能 各模式次级方向图的天线性能 单个喇叭 菱形 2 2 菱形 3 3 菱形 4 4 菱形 方向性系数 D /db 副瓣电平 SL /db 进行选取馈源阵列的排布模式 菱形 和 5 5 模式的初级方向图 当馈源组的喇叭数目增多时 通 过文献可知 网络的级联层数就随着增多 伴随着网络 的损耗就增加 横向偏焦分析 在馈源坐标系 x f y f z f 中 各模式的馈源阵在 x f 轴方向 上分别偏移整数倍个波长 进行偏焦仿真并分析天线的 性能结果 其中偏移量表示为 N λ N = 0, ±1,, ±7 偏 焦后的天线性能分别在图 7 a 和 b 中表示 从图 7 a 中可知 馈源阵各模式在 x f 轴方向上偏焦 时的方向性系数变化量为±0.5 db 且菱形 2 2 模式的值 最高 次之为菱形 3 3 模式 均在 45 db 以上 菱形 4 4 和 5 5 模式比单个喇叭的要低一些 这是由于副瓣照进去 的缘故 图 b 中可以看出 单个喇叭偏焦时副瓣电平值 是最高的 当偏移量为 7 个波长时 达到-16 db 左右 菱形 2 2 模式偏焦时副瓣电平为 -20 ± 1.5 db 其他三种模式 均小于-22.5 db 其中菱形 4 4 模式偏焦时副瓣电平均优 于-24.8 db 就副瓣电平而言 该模式的排布方式最优 接下来对馈源阵各模式进行馈源坐标 y f 轴偏焦 由 于馈源指向的反射面相对于馈源坐标的 y f 轴方向是对 称的 只需对各模式进行 y f 轴正方向偏焦仿真 在此取 图7 馈源阵各模式 x f 轴偏焦时天线性能曲线图

4 60 现代电子技术 2013 年第 36 卷 社 [3] LEE Y J YEO J MITRA R et al. Application of electromag netic band gap EBG superstrates withcontrollable defects for a class of patch antennas asspatial angular filters [J]. IEEE Transactions on Antennas Propag [4] GARCIA R BETANCOURT D IBAÑEZ A et al. Coherently periodic radiation structures CORPS A step towards high resolution radiations systems [C]// IEEE Symp. on Antenna and Propagation. Washington USA IEEE [5] BETANCOURT D DELRIO C. Multi beam applications of CORPS BFN reflector antenna feeding system [C]// 30th An tenna Workshop on Antennas for Earth Observation Science Telecommunication and Navigation Space Missions. Noordwijk Netherlands ESA [6] 李 明 洋 刘 敏 杨 放.HFSS 天 线 设 计 [M].北 京 电 子 工 业 出 版 社 [7] 魏 文 元 宫 德 明 陈 毕 森.天 线 原 理 [M].北 京 国 防 工 业 出 版 社 [8] 杨可忠 杨智友 章日荣.现代面天线新技术[M].北京 人民邮 图8 馈源阵各模式 y f 轴偏焦时天线性能曲线图 参 考 文 献 [1] 谢崇进 王华芝.卫星多波束天线综述[J].中国空间科学技术 [2] 叶云裳.航天器天线 理论与设计[M].北京 中国科学技术出版 作者简介 时政欣 电出版社 [9] BETANCOURT D DEL RIO C. A novel methodology to feed phased array antennas [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation [10] BETANCOURT D DEL RIO C. Applications of the human eye working principle CORPS BFN [C]// EUCAP rd European Conference on Antennas and Propagation Berlin EUCAP 男 在读研究生 主要研究方向为航天器天线技术 上接第 49 页 4 结 [3] FARINA Alfonso. Antenna based signal processing techniques 论 将自适应旁瓣对消技术应用于通信对抗系统中是 确实可行的 它能够有效抑制来自旁瓣的强干扰信号 提高了主瓣内通信信号的侦察能力 参 考 文 献 [1] HAIMOVICH A M. A sampling based approach to wideband in for radar systems [M]. [S.l.] Artech House [4] COMPTON R T Jr. Adaptive antennas concepts and perfor mance [M]. England Cliffs New Jersy Prentice Hall [5] WIDROW Bernard STEARNS S D. Adaptive signal processing [M]. England Cliffs New Jersy Prentice Hall [6] WIENER N. Extrapolation interpretation and smoothing of stationary times series [M]. NY MIT Press and Wiley terference cancellation [J]. IEEE Trans. on Aerospace and Elec [7] LEONG H W H. A comparision of sidelobe cancellation tech [2] 保铮.自适应天线旁瓣相消的几个主要问题[J].西北电讯工程 surface wave radar [M]. Ottawa Defence Research Establish tronic Systems 学院学报 作者简介 杨瑞民 niques using auxiliary horizontal and vertical antennas in HF ment 男 1966 年出生 陕西富平人 副教授 研究方向为信号处理 电路设计

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