倒置卡塞格伦天线抛物面以及馈源的设计
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引言
天线在电视、雷达系统中起着至关重要的作用，随着人造卫星和航空航天技术的新的高精尖科技的发展，人们对跟踪雷达的要求进一步提高，主要体现在跟踪雷达的跟踪速度、跟踪精度、跟踪距离和抗干扰能力上。
倒置卡塞格伦天线就是在这种背景下产生的，它采用极化扭转技术实现雷达的快速扫描、精确跟踪，其结构为馈源、抛物面反射器、极化扭转板。本文将介绍倒置卡塞格伦天线设计中的首要工作，即倒置卡塞格伦天线抛物面的选择以及馈源的设计。
1天线设计原理
抛物面天线是以几何光学法为理论基础的一种天线形式。通过几何光学法的理论基础，我们可以知道如果在抛物面焦点上放置一个点源，经过抛物面反射会得到一组平行的射线束。所以馈源发射的球面波经过抛物面反射以后，转变成抛物面口径上的平面波前，这使得抛物面天线具有锐波束、高增益的性能。
抛物面天线的几何关系示意图如图1所示，根据抛物面性质可得：
因为抛物面是由抛物线绕其轴旋转而成的，所以抛物面有旋转对称性，表现在球坐标r'，&，p'里就是其特性不存在p‘方向的变化。
在抛物面分析中，需要得出其表面反射点出垂直于此处切线的单位矢量，所以我们先将式⑵改写为：
然后对式(3)取梯度得出表面法线再根据几何关系以及直角-球坐标变换公式，进而可以得到抛物面焦距直径比(焦径比)fd与半张角00之间的关系：
2抛物面天线参数的选择
抛物面天线主要设计参数为焦径比fd以及半张角?0,根据式(3)可知焦径比和半张角只需确定其中一个，另外一个就可以计算出来。在长焦距的情况下，d一般在0.3〜0.5之间选择,，d取的小的优点是馈源前伸量较小，噪声比较低；而fd取的大的优点是抛物面深度小，交叉极化小。所以，我们根据电脑仿真结果便可确定焦径比f/d的大小。本例中的抛物面直径选择为1400mm„
采用FEKO进行仿真设计，其仿真模型如图2所示。抛物面仿真结果如表1所列。
表1抛物面仿真结果
|
焦径比f/d 8.5 |
GHz增益(dB) |
$11(8〜9GHz) |
波束宽度 |
|
0.3 |
29.1 |
<-20dB |
16.4° |
|
0.4 |
32 |
<-20dB |
16.8° |
|
0.5 |
35.5 |
<-20dB |
17.6° |
综合上述仿真结果，我们选择倒置卡塞格伦天线的抛物
面焦径比为0.5,也即直径d=1400mm,焦距户700mmo
3倒置卡塞格伦天线馈源设计
抛物面天线一般以圆锥喇叭或是角锥喇叭作为馈源，本文中将采用角锥喇叭作为天线的馈源，根据工作频段设计角锥喇叭的尺寸。
角锥喇叭天线是由矩形波导E面和H面的两壁张开而成的，其辐射特性基本上是E面和H面扇形喇叭的结合，其角锥喇叭结构如图3所示。
倒置卡塞格伦天线工作在8〜9GHz，所以需要根据工作频率，选择合适的矩形馈电波导尺寸。经过查表，我们可以得到BJ84(WR112)工作频率为6.57〜9.99GHz，与我们要设计的频率相符，所以选用该型号的波导作为角锥喇叭的的馈电波导，其尺寸为a=28.499mm,Z>=12.624mm。
在确定了角锥喇叭馈电波导的尺寸后，根据公式以及预计的增益范围即可大概计算出角锥喇叭的其它尺寸初始值，并用HFSS建模仿真优化，最后得到角锥喇叭天线的尺寸为：a1=80mm,Z>1=70mm,Re=90mm,a=28.499mm，b=12.624mm
角锥喇叭的驻波比如图4所示。
角锥喇叭E面和H面方向图如图5所示。
从仿真结果来看，角锥喇叭天线在整个频段上驻波比小于1.75,中心频率上天线最大增益为19.6dB。喇叭性能良好。
4天线设计结果
最终的结果是天线在整个8〜9GHz频段内的增益均在34〜35.8dB之间，中心频率处的天线增益为35.5dB,同时整体的S11均在-20dB以下，天线的波束宽度为17.6。。
5结语
本文设计了工作在8〜9GHz频段的倒置卡塞格伦天线的抛物面以及馈源，仿真设计结果证明，两者匹配良好，可为后面设计抛物面栅格以及极化扭转板提供良好的基础。
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