一种高增益多波束反射面天线设计

基于超材料的高增益对拓Vivaldi天线设计张月;井甜甜;杨君;徐娟;赵建平【摘要】随着无线通信技术对人类生活影响力的提高,无线通信在通信领域的地位越来越重要.无线通信系统依靠无线电波传递信号,而无线电波的接收和发射则离不开天线.Vivaldi天线是一种超宽带天线,是渐变缝隙天线的一种特殊情况,也是一类经典的行波天线.但是,Vivaldi天线一般存在后向辐射大、主辐射方向增益低的缺点.可以通过对Vivaldi天线加载零折射率超材料的方式,在保证阻抗带宽不变的情况下,显著提高天线在整个频带内的增益.【期刊名称】《通信技术》【年(卷),期】2018(051)012【总页数】5页(P2861-2865)【关键词】Vivaldi天线;零折射率;超材料;天线增益【作者】张月;井甜甜;杨君;徐娟;赵建平【作者单位】曲阜师范大学,山东曲阜 273165;曲阜师范大学,山东曲阜 273165;曲阜师范大学,山东曲阜 273165;曲阜师范大学,山东曲阜 273165;曲阜师范大学,山东曲阜 273165【正文语种】中文【中图分类】TN920 引言在过去的几十年里，无线通信成为发展最迅猛的领域之一。

天线是无线通信系统中极其重要的部分，通信系统中的信号的接收和发送都离不开天线[1]。

随着无线通信的不断发展，不但要求通信速率要高，而且通信质量的要求也较高。

但是，由于用户数量的增加，加上频谱资源比较匮乏，实现天线的宽带化和小型化的必要性日趋明显[2]。

Vivaldi天线是一种超宽带、小型化的天线，是渐变缝隙天线的一种特殊情况[3]。

Vivaldi天线呈指数状槽线，结构较为简单，可直接印刷在介质基板上。

Vivaldi天线的带宽很宽，但现实中会有很多因素限制其带宽，所以对拓Vivaldi天线应运而生。

比起普通的Vivaldi天线，它的结构更紧凑，带宽更宽，容易实现阻抗匹配，交叉极化水平更优[3]。

为了提高天线的增益，可以靠加载零折射率超材料来实现。

卫星天线波束常指卫星天线辐射方向图的主波瓣。

在其内集中了绝大部分的辐射能量。

分有聚束式和扩展式两种。

波束在地球上的照射区即天线的覆盖区。

不同用途的卫星采用不同的天线波束,通信卫星使用的有全球波束、区域波束、点波束、多波束、成形波束等。

按照天线波束形状，将卫星通信天线分为三类：全球波束天线、点波束天线、赋形波束天线。

1）全球波束天线是指波束覆盖地球上的整个视区。

2）点波束天线是指覆盖一个很小的区域。

点波束将卫星的功率集中在一个区域，大大降低了地面便携式移动终端的功率、体积以及通信费用。

点波束技术一般是应用在卫星的远距离信息传输上面。

3）赋形波束天线是指覆盖地球上的某一个特殊形状的区域，一般用一个波束形成网络来控制，也称区域波束天线。

赋形波束通过调整天线阵列中每个阵元的加权系数产生具有指向性的波束，从而能够获得明显的阵列增益。

下面重点对多波束天线进行阐述。

卫星多波束天线没有采用单一大张角覆盖的思路，而是使用了若干个高增益的窄波束共同覆盖较大的区域，这些窄波束也被称为点波束，这样的通信方式也称为卫星蜂窝移动通信，与地面蜂窝移动通信相对应；由于点波束的空间隔离作用，系统可以采用频率复用技术，点波束的高信号增益与频率复用的结合进一步提高了卫星通信的频谱效率。

卫星多波束天线可分为多波束反射面卫星天线、多波束透镜卫星天线、多波束阵列卫星天线三种。

1）多波束反射面卫星天线多波束反射面天线包括独立天线和多波束馈源、反射面这两大结构。

独立天线结构式就是每个波束都使用一个单独自己的天线而且每个独立的天线分别朝向某个特定的通信区域，对应的波束采用各自独立的馈源，因此邻近的波束可以采用相同的频率，不仅缓解频率受限的问题，不同波束间的干扰也可以忽略不考虑。

独立天线结构简单易懂、成本低等优势，但通常只适用于点波束数量不多的通信环境中。

可以直接简单理解为多个单波束天线的组合。

多波束馈源、反射面结构式主要包括馈源、反射面、波束形成网络。

常用卫星通信天线简介天线是卫星通信系统的重要组成部分，是地球站射频信号的输入和输出通道，天线系统性能的优劣影响整个通信系统的性能。

地球站与卫星之间的距离遥远，为保证信号的有效传输，大多数地球站采用反射面型天线。

反射面型天线的特点是方向性好，增益高，便于电波的远距离传输。

反射面的分类方法很多，按反射面的数量可分为双反射面天线和单反射面天线；按馈电方式分为正馈天线和偏馈天线；按频段可分为单频段天线和多频段天线；按反射面的形状分为平板天线和抛物面天线等。

下文对一些常用的天线作简单介绍。

1．抛物面天线抛物面天线是一种单反射面型天线，利用轴对称的旋转抛物面作为主反射面，将馈源置于抛物面的焦点F上，馈源通常采用喇叭天线或喇叭天线阵列，如图1所示。

发射时信号从馈源向抛物面辐射，经抛物面反射后向空中辐射。

由于馈源位于抛物面的焦点上，电波经抛物面反射后，沿抛物面法向平行辐射。

接收时，经反射面反射后，电波汇聚到馈源，馈源可接收到最大信号能量。

图1 抛物面天线抛物面天线的优点是结构简单，较双反射面天线便于装配。

缺点是天线噪声温度较高；由于采用前馈，会对信号造成一定的遮挡；使用大功率功放时，功放重量带来的结构不稳定性必须被考虑。

2．卡塞格伦天线卡塞格伦天线是一种双反射面天线，它由两个发射面和一个馈源组成，如图2所示。

主反射面是一个旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面，馈源置于旋转双曲面的实焦点F1上，抛物面的焦点与旋转双曲面的焦点重合，即都位于F2点。

从从馈源辐射出来的电磁波被副反射面反射向主反射面，在主反射面上再次被反射。

由于主反射面的焦点与副反射面的焦点重合，经主副反射面的两次反射后，电波平行于抛物面法向方向定向辐射。

对经典的卡塞格伦天线来说，副反射面的存在遮挡了一部分能量，使得天线的效率降低，能量分布不均匀，必须进行修正。

修正型卡塞格伦天线通过天线面修正后，天线效率可提高到0.7—0.75，而且能量分布均匀。

目前，大多数地球站采用的都是修正型卡塞格伦天线。

电波卫士介质透镜1 引言多波束天线能实现一副天线同时接收多路信号的功能，在卫星监测中开始得到越来越广泛的应用。

目前，多波束天线在星载天线上得到了较为广泛的运用，而地球站天线由于较高增益要求使用多波束天线的成本仍然较高，导致运用不够广泛。

随着卫星数量的爆炸性增长，及天线成本的下降，未来多波束天线将是卫星监测天线的主流天线技术之一。

2 多波束天线2.1 多波束天线的定义多波束天线是指能产生多个高增益波束的天线，这些波束（称为元波束）可以合成一个或几个成形波束，以覆盖特定的空域。

目前多波束天线主要有三种形态：透镜式、反射面式、相控阵式等三种基本形式，此外，还有以相控阵作为反射面或透镜馈源的混合形式。

2.2 透镜式多波束天线利用透镜把馈源所辐射的能量汇聚起来形成一个锐波束，当透镜焦点附近设置多个馈源时，便相应形成指向不同的多个元波束。

其工作原理如图1所示。

作者简介：蔡鸿昀，本科，助理工程师，主要从事无线电监测、卫星干扰源上行站定位以及卫星监测设备维护工作，主要研究方向为卫星监测新技术、天线技术研究等。

李思静，本科，工程师，主要从事无线电监测、短波监测定位以及卫星干扰源上行定位工作，主要研究方向为短波监测新技术、信号分析等。

周 平，硕士研究生，工程师，主要从事无线电监测、卫星干扰源上行站定位工作，主要研究方向为卫星监测新技术、天线技术等。

卫星监测多波束天线技术研究蔡鸿昀，李思静，周 平（国家无线电监测中心深圳监测站，深圳 518120）摘要：本文综述了三种主要形态的多波束天线，并分别给出其工作原理图，对三种基本多波束天线进行了性能比较。

关键词：多波束天线；卫星监测；相控阵天线doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.08.026中图分类号：TN82 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2017）08-0063-05Abstract: This paper reviews three major multi-beam antennas, and describesthe working principle of threekinds of antennas respectively, in addition, performs performance comparison of Threebasic multi-beam Antennas.Keywords: multi-beam antenna; Satellite monitoring; Phased array antennaCai Hongyun, Li Sijing, Zhou Ping(National Radio Monitoring Center Shenzhen monitoring station, Shenzhen, 518120)Research on Multi-beam Antenna Technology图1 多波束透镜天线工作示意图由于馈源偏离透镜焦点会引起彗形像差而使旁瓣电平升高，馈源的偏焦角不能过大，但可适当组合多个喇叭组成馈源阵来压低波束的旁瓣电平。

FEKO天线应用3：反射面天线系列内容：偏馈反射面天线一、模型描述1.1模型描述：图1：偏馈反射面-全模型示意图1.2计算方法描述：表1: 偏馈反射面（offset Reflector）天线方法说明** 采用GO 方法计算类似的辐射问题，对于馈源，建议采用远场等效源的方式，即：远场方向图点源等效和球面模式等效源。

**对于反射面天线，FEKO 可以采用的方法很多，大家可以根据问题的规模和计算时间的要求等，灵活选择计算方法。

1.3计算方法描述-等效源法图示：图2偏馈反射面天线：近场等效源法（左）与远场等效源法（右）计算项目：计算该偏馈反射面的3D 辐射方向图，比较不同计算方法的结果；二、主要流程：启动CadFEKO ，新建一个工程：Offset_Reflector_MLFMM.cfx ，在以下的各个操作过程中，可以即时保存做过的任何修正。

2.1：定义长度单位：默认为m点击菜单“Home”中的图标按钮“Model unit”，在“Model unit”对话框中，选择Inches(in)；图3：单位设置2.2：定义变量：在CadFEKO中左侧的树型浏览器中双击“Variables”节点，依次定义如下变量：工作频率：freq=6.25e9长度缩放系数：sc = 0.0254工作波长：lam = c0/freq/sc喇叭天线的底部半径：Horn_a=0.51*lam喇叭天线的高度：Horn_h=3.05*lam：Horn_b_0=0.65*lam：Horn_b=1.0*lamTE11模的波导波长：lamc_TE11=3.41*Horn_aTE11模式的截止波长：lamg_TE11=lam/sqrt(1-(lam/lamc_TE11)^2)：Horn_L=1.5*lamg_TE11：反射面天线的焦距F=10：H=0抛物面在x轴的投影长度：D=18：Rp=1.1*(H+D)：Hp=Rp^2/(4*F)相位中心：phs_center=-lam/(sqrt(2)*12)喇叭轴线与Z轴的夹角(弧度)：psi_C= 2*arctan((D/2 + H)/(2*F))反射面剖分尺寸：tL0=lam/6.5波导喇叭馈电端口剖分尺寸：tL1=lam/20图4：变量定义2.3：定义关键点Horn_S3：点击菜单“Construct”中的“Named Point ”图标按钮，弹出“Create Named point”对话框：图5：定义关键点Name: Horn_S3Point:X: -phs_center*sin(psi_C)Y: 0Z: phs_center*cos(psi_C)+F点击“Create”按钮。

一种双频段圆极化波纹喇叭天线设计作者：胡强熊海亮王睿来源：《信息技术时代·上旬刊》2019年第01期摘要：本论文属于卫星通信雷达天线技术领域，特别涉及一种既能在Ku频段内又能在X 频段内工作的双频段圆极化波纹喇叭天线。

初级馈源采用收发共用的双频段圆波导波纹喇叭，在两种频段上工作的极化形式均为圆极化方式。

波纹喇叭是理想的宽频带卫星通信地球站天线的初级馈源，工作频带的高低频之比为1.52：1。

通过理论分析计算和软件仿真4.5米反射面天线在发射频率（fT=17.3GHz～17.8GHz）内增益达到56.35dB，最大副瓣电平为-30.66dB；在接收频率（fR=11.7GHz～12.2GHz）内增益达到53.66dB，最大副瓣电平为-22.94dB；收发增益以及最大副瓣电平均满足系统性能指标要求。

关键词：双频段；圆极化；波纹喇叭；反射面1引言自上个世纪中叶以来，随着航空航天技术、空间电磁频谱和电子技术的快速发展，卫星通信雷达技术也在不断进步，并广泛地的应用于军事和民用领域。

后来随着光纤通信和地面蜂窝移动通信的崛起，传统的国际、国内长途通信和地面移动通信业务已经不再占据卫星通信的主导地位。

科学技术的迅速发展和人们生活逐渐现代化和社会化对通信的需求和质量越来越高，比如电视、手机通信等业务，不仅要求有高质量的传输语言、图像、数据等信息，而且还要求通信设备具有共用性、宽带性。

卫星通信的工作频段也逐渐向更高频段发展，而圆极化电磁波对云雨杂波的影响具有一定的衰减作用。

为了获得高增益、低副瓣性能，在通信、雷达、射电天文领域等设备中广泛地采用反射面天线。

卫星通信天线特别是卫星通信地球站天线，经过三十多年的发展到今天有以下几个显著的特点：1.频谱复用；2.低旁瓣化；3.高极化纯度；4.驻波特性好；5.馈源插入损耗小；6.宽频带化；7.新频段的开拓；8.双频共用或者多频共用卫星通信天线；9.多波束卫星通信天线。

星载相控阵天线结构星载相控阵天线结构是一种用于卫星通信的天线系统。

它采用多个单元构成的阵列，通过改变各单元之间的相位和幅度，实现波束的电子调控。

下面将介绍一种常见的星载相控阵天线结构及其特点。

一种常见的星载相控阵天线结构是四面体阵列。

这种结构由四个边长相等的三角形单元组成，每个单元上分布着多个发射或接收天线元件。

四面体阵列的特点是结构简单紧凑，方便部署和维护。

通过调节各单元之间的相位差和振幅，可以实现对波束的灵活调控，使信号能够聚焦在特定的方向上。

与传统天线系统相比，星载相控阵天线具有以下几个优点。

首先，它具有快速波束转向的能力。

相对于机械转向的方向盘天线，星载相控阵可以实现电子控制，迅速调整波束的方向。

其次，它具有高增益和低副瓣特性。

相控阵天线能够通过相位差控制来增强主波束的能量集中度，减小副瓣的干扰。

此外，相控阵天线还具有多波束同时工作的能力，可以同时服务多个用户或任务。

然而，星载相控阵天线结构也存在一些挑战。

首先，相控阵天线的设计和制造技术要求较高，需要精确控制每个天线元件的相位和振幅。

其次，相控阵天线在发射和接收过程中的功耗较大，需要有效的供电和散热系统。

此外，相控阵天线还受到电磁干扰和天气条件等因素的影响，需要采取相应的干扰抑制和自适应技术。

星载相控阵天线结构是一种具有灵活波束调控、快速转向和高增益的卫星通信天线系统。

它能够满足多波束服务需求，并具有较低的副瓣干扰。

然而，相控阵天线的设计和制造技术要求较高，并且需要解决功耗、干扰和天气等方面的挑战。

随着技术的进一步发展，相控阵天线在卫星通信领域将有更广泛的应用。

常用卫星通信天线介绍（一）寇松江(爱科迪信息通讯技术有限公司，北京，100070)E -mail:天线是卫星通信系统的重要组成部分，是地球站射频信号的输入和输出通道，天线系统性能的优劣影响整个通信系统的性能。

地球站与卫星之间的距离遥远，为保证信号的有效传输，大多数地球站采用反射面型天线。

反射面型天线的特点是方向性好，增益高，便于电波的远距离传输。

反射面的分类方法很多，按反射面的数量可分为双反射面天线和单反射面天线；按馈电方式分为正馈天线和偏馈天线；按频段可分为单频段天线和多频段天线；按反射面的形状分为平板天线和抛物面天线等。

下文对一些常用的天线作简单介绍。

1．抛物面天线抛物面天线是一种单反射面型天线，利用轴对称的旋转抛物面作为主反射面，将馈源置于抛物面的焦点F上，馈源通常采用喇叭天线或喇叭天线阵列，如图1所示。

发射时信号从馈源向抛物面辐射，经抛物面反射后向空中辐射。

由于馈源位于抛物面的焦点上，电波经抛物面反射后，沿抛物面法向平行辐射。

接收时，经反射面反射后，电波汇聚到馈源，馈源可接收到最大信号能量。

图1 抛物面天线抛物面天线的优点是结构简单，较双反射面天线便于装配。

缺点是天线噪声温度较高；由于采用前馈，会对信号造成一定的遮挡；使用大功率功放时，功放重量带来的结构不稳定性必须被考虑。

2．卡塞格伦天线卡塞格伦天线是一种双反射面天线，它由两个发射面和一个馈源组成，如图2所示。

主反射面是一个旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面，馈源置于旋转双曲面的实焦点F1上，抛物面的焦点与旋转双曲面的焦点重合，即都位于F2点。

从从馈源辐射出来的电磁波被副反射面反射向主反射面，在主反射面上再次被反射。

由于主反射面的焦点与副反射面的焦点重合，经主副反射面的两次反射后，电波平行于抛物面法向方向定向辐射。

对经典的卡塞格伦天线来说，副反射面的存在遮挡了一部分能量，使得天线的效率降低，能量分布不均匀，必须进行修正。

修正型卡塞格伦天线通过天线面修正后，天线效率可提高到0.7—0.75，而且能量分布均匀。