賦形天線詳解

介紹了賦形天線的研究現(xiàn)狀，并對賦形天線的分類及所用到的分析方法做了簡介與分析對比，簡要闡述了賦形天線在國內(nèi)的發(fā)展情況和面臨的問題，并做了簡單展望。

衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣、可利用的頻帶寬、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)速度快、成本低等特點，使其在通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著衛(wèi)星通信的發(fā)展, 為滿足一定的地面服務(wù)區(qū)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(jìn)了多饋源賦形或反射面賦形天線的發(fā)展。這樣就能減小覆蓋區(qū)域以外的地面站對衛(wèi)星系統(tǒng)所產(chǎn)生的干擾，提高系統(tǒng)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(tǒng)品質(zhì)因數(shù)G/T值，并能使衛(wèi)星地面站終端設(shè)備得到簡化和降低成本。

當(dāng)覆蓋區(qū)域是中國政區(qū)圖時，考慮到中國西部地區(qū)的地域遼闊、人口稀少、降雨量小、而東部地區(qū)人口稠密、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、降雨量大，雨衰是衛(wèi)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(dāng)?shù)墓β矢采w, 又應(yīng)對東部地區(qū)華北地區(qū)有所偏重，使之具有較高的功率分配；而對西部地區(qū)略有降低，以便充分利用衛(wèi)星資源。這樣，對天線賦形后所產(chǎn)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(yīng)該足夠小�？傊�，對不變的區(qū)域，只要把一些主要因素考慮進(jìn)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(gòu)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(fā)射后，用途不再改變的天線。該天線的覆蓋區(qū)域和天線所處的空間位置均不再改變，其覆蓋的目標(biāo)區(qū)增益分布是確定不變的。這類天線的設(shè)計通常是根據(jù)預(yù)期的覆蓋區(qū)域增益分布分析設(shè)計反射面，反射面一經(jīng)確定后不再改變。(2)可變賦形天線有兩種情況:一是根據(jù)天線軌道位置的改變，調(diào)整工作系統(tǒng)，從而得到相應(yīng)的賦形波束;二是通過調(diào)整系統(tǒng)，對不同形狀的地域產(chǎn)生相應(yīng)的賦形波束覆蓋[1]。

賦形天線按使用的饋源數(shù)目分為兩類：多饋源天線和單饋源天線。在傳統(tǒng)的衛(wèi)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(chǎn)生的波束經(jīng)反射面的反射或透鏡的聚焦后，就會在遠(yuǎn)場區(qū)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(shè)計的重點在于優(yōu)化饋源的激勵系數(shù)和幾何排列等參數(shù)。其中一個重要組成部分是波束成形網(wǎng)絡(luò)(BFN)，用來調(diào)整饋源的激勵情況。但它們存在著固有的缺點:天線系統(tǒng)的大量開銷將花費在設(shè)計和調(diào)整波束形成網(wǎng)絡(luò)上，并且復(fù)雜的波束形成網(wǎng)絡(luò)會引起射頻損耗，降低天線系統(tǒng)的總增益。這些缺陷會隨著頻率的升高而更加嚴(yán)重,因此多饋源賦形技術(shù)一般用于Ka波段(4 GHz~7 GHz)以下[2-6]。

對單個反射面進(jìn)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(qū)域進(jìn)行波束賦形的情況下，可以不用波束成形網(wǎng)絡(luò)，而是作反射面成形設(shè)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(jié)構(gòu)不復(fù)雜,以及由于沒有波束成形網(wǎng)絡(luò)，損耗小，增益更高的優(yōu)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(shè)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(zhuǎn)角的圓錐面去切割標(biāo)準(zhǔn)拋物面而得。與其他天線形式相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)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(wèi)星通信中。在賦形反射面天線設(shè)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(shè)計加工等方面考慮，一般只對副反射面進(jìn)行賦形設(shè)計），來達(dá)到賦形設(shè)計的目的。

2 賦形中常用的設(shè)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(shè)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(chǔ)上，根據(jù)幾何光學(xué)(GO)、物理光學(xué)(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(yōu)化對象是反射面本身的形狀，用各種函數(shù)展開式直接方法的優(yōu)化對象是反射面本身的形狀，用各種函數(shù)展開式表示反射面，通過優(yōu)化函數(shù)的系數(shù)進(jìn)行反射面綜合。一般說來，根據(jù)要求尋找得到這樣的基底函數(shù)是非常困難的，這種方法多數(shù)都是級數(shù)的形式表示。而間接方法的優(yōu)化對象是成形反射面天線的一些特性參數(shù)，如波前、口徑面場分布等，通過優(yōu)化這些參數(shù)來滿足賦形要求，確定一些反射面的節(jié)點， 從而進(jìn)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(yōu)化的過程，這樣，尋求一種最佳的優(yōu)化方法就是其中的關(guān)鍵問題，檢驗?zāi)撤N方法的優(yōu)化結(jié)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(yán)格的物理方法進(jìn)行驗證。