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星载多波束天线设计 ?2?测控与通信2007年第1期 星载多波束天线设计木 段玉虎 (中国电子科技集团公司第39研究所西安710065) 摘要给出了星载多波束天线的设计方法,步骤和参数选择原则,给出了两个区域 多点波束天线和赋形波束的设计实例,并用物理光学法计算了覆盖区域的天线方向图, 覆盖区增益和频率复用时的同极化波束隔离. 关键词多波束天线反射面天线偏置反射面天线天线辐射方向图点波束 1引言 进入上世纪90年代后,随着卫星通信技术的发展,出现了多种面向个人用户服务的新型通 信卫星系统,如静止轨道通信卫星,音频广播通信卫星,宽带多媒体通信卫星系统等.这些卫星 的显着特点就是通信有效载荷无一例外地采用了许多新技术,新手段.大型可展开天线就是为适 应需求而诞生的一种新型载荷.面向个人用户提供卫星通信服务的系统,一个关键的前提是在地 面上要有较强的电平覆盖.为实现这一点主要有两个方面的制约,一是提高功率放大器的输出功 率,二是提高星载天线的增益.功率的大小受制于器件制造的水平,其发展的水平是极其缓慢的, 就可预见的将来,放大器的输出功率视工作频段的不同其输出功率基本上在100-300W范围内, 对地面电平的提高贡献不是特别大,300W比100W也就高不到5分贝,但对于采用大121径的天 线改善地面覆盖强度来讲,可以获得10分贝～20分贝以上的好处,加上天线处于系统的前端,对 改善系统性能更会带来极大的好处. 2射频设计 多波束天线的设计依赖于天线的波束直径和要求的最小覆盖区增益.对于按六角形排列的均 匀分布波束的多波束天线,最小增益在三个相邻波束的交迭处,其变化在一4dB左右.为了克服 馈源遮挡的影响,一般选择偏置反射面结构. 2.1天线参数选择及设计 一 般来说,多波束天线的设计主要分为以下步骤:首先设定需求,包括工作频段,极化方式, 覆盖区域,天线增益,副瓣电平和交叉极化电平等:其次,确定在卫星轨道位置时天线坐标系的 覆盖范围:第三,由要求的天线增益,副瓣电平,交叉极化电平和卫星结构约束确定天线121径, 天线焦距和偏置距离:第四,根据确定的天线参数确定所需馈源数量并综合天线覆盖区域辐射特 性. 2.1.1天线主反射面直径 天线反射面直径取决于天线方向图波束宽度,增益副瓣电平和相邻波束之间的距离.下式给 出了根据天线辐射方向图半功率波束宽度,第一副瓣电平和相邻波束间距计算天线反射面直径范 围的近似公式: 天线反射面直径最大值D用下式计算: J[)一 = (33.2—1.55SL)2/ ?收稿日期;2007年1月8日 总第116期段玉虎:星载多波束天线设计?3. 天线反射面直径最小值Di用下式计算: D曲=(3.74—2.55SL),t/O. 式中:D.x,Di别为天线口径直径最大值和最小值; _相对于天线波束峰值的旁瓣电平值(一dB); 6——半功率波束宽度; —— 相邻波束间距; —— 工作波长. 2.1.2焦径比(F/D) 对反射面天线而言,F/D是天线系统主要参数之一.焦径比通常选择在F/D=0.8～1.4范围内. 较小的F/D会使多波束天线的扫描特性恶化,同时由于馈源尺寸较小导致馈源单元之间的互耦增 加,对于较小的F/D值,由于较小的馈源单元电器尺寸会引起较大的互耦,使多波束天线的扫描 特性和方向图变坏. 2.1.3偏置距离(H) 反射器的偏置距离选择原则是使馈源阵列不对反射器造成几何遮挡,就多波束天线而言,必 须避免馈源阵列引起几何遮挡. 2.2多波束天线馈源 通信卫星的特点是服务区域大,服务区天线增益起伏小.在频带不太宽时采用能覆盖需服务 区的大型多波束天线(MBA)是一种合理的选择.多波束天线的主要形式有直接辐射阵列(DRA) 和用阵列作为反射器天线馈源的阵列馈电反射器(AFRA).对所照射区域相对来说较窄时,宜采 用AFRA. 2.2.1基本型馈源 基本馈源概念如图1所示.它是用每个馈源形成一个波束,即波束数与馈源数一一对应. 这种设计所提供的波束峰值增益比用一个最佳尺寸的单馈源喇叭所提供的增益低2~3dB.它主要 是受天线的限制,为了提高天线增益,需要馈源口径尺 寸较大,以减小馈源漏射;而为了改善天线相邻波束间 的交迭电平,需要馈源口径较小,即使相邻馈源间的间 距较小.采用基本馈源的优点是馈电网络简单,缺 点是交迭电平,峰值副瓣电平及天线辐射效率之间的矛 盾. 2.2.2增强型馈源 增强型馈源如图2所示.它是指采用一簇喇叭, 而不是单个喇叭来产生一个波束.这种多波束天线的合 波束号 1 2 3 4 5 6 7 图1基本馈源 喇叭号 1 2 3 4 5 6 7 波束可以在覆盖区内与各个子波束相对应的位置上同时产生.它通常由1个中心喇叭和6个喇叭 构成喇叭阵列,这种馈源被认为是多波束天线的一种较好的选择,这是因为