賦形天線詳解

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(diǎn)，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(duì)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(jiǎn)化和降低成本。
當(dāng)覆蓋區(qū)域是中國(guó)政區(qū)圖時(shí)，考慮到中國(guó)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(gè)重要問題。因此，必須既考慮到全國(guó)有適當(dāng)?shù)墓β矢采w, 又應(yīng)對(duì)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(duì)西部地區(qū)略有降低，以便充分利用衛(wèi)星資源。這樣，對(duì)天線賦形后所產(chǎn)生的通信波束既能覆蓋全國(guó)，又能突出東部。為了防止信號(hào)干擾，對(duì)鄰國(guó)方向上的天線的主、交叉極化增益應(yīng)該足夠小。總之，對(duì)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(jì)通常是根據(jù)預(yù)期的覆蓋區(qū)域增益分布分析設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)于焦點(diǎn)有一個(gè)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(huì)在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域形成一組彼此相互獨(dú)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(jì)的重點(diǎn)在于優(yōu)化饋源的激勵(lì)系數(shù)和幾何排列等參數(shù)。其中一個(gè)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(lì)情況。但它們存在著固有的缺點(diǎn):天線系統(tǒng)的大量開銷將花費(fèi)在設(shè)計(jì)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(huì)引起射頻損耗，降低天線系統(tǒng)的總增益。這些缺陷會(huì)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(duì)單個(gè)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(duì)一個(gè)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(jì)，采用單饋成形反射面天線，這種賦形反射面天線具有機(jī)械加工簡(jiǎn)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(shì)[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(gè)反射面)天線。在賦形天線設(shè)計(jì)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(gè)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(jiǎn)單、質(zhì)心低的特點(diǎn)，同時(shí)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(yùn)用于衛(wèi)星通信中。在賦形反射面天線設(shè)計(jì)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(duì)偏置卡賽格倫或格里高利天線的兩個(gè)反射面的形狀賦形（從設(shè)計(jì)加工等方面考慮，一般只對(duì)副反射面進(jìn)行賦形設(shè)計(jì)），來達(dá)到賦形設(shè)計(jì)的目的。

2 賦形中常用的設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)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(duì)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(jí)數(shù)的形式表示。而間接方法的優(yōu)化對(duì)象是成形反射面天線的一些特性參數(shù)，如波前、口徑面場(chǎng)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(diǎn)， 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(yàn)?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(yàn)方法在實(shí)際中是否可行，還必須用嚴(yán)格的物理方法進(jìn)行驗(yàn)證。
2.1 波前法
　 早在1975年，KATAGI T和TAKEICHI Y提出了一種成形反射面的設(shè)計(jì)方法，即波前分析方法，這種方法是假定遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖的波前由兩部分組成：內(nèi)部是限制在所需輻射圖的一個(gè)角形范圍內(nèi)的球面波；外部是一個(gè)以內(nèi)部邊界輪廓作準(zhǔn)線的控制表面。饋源波前假定為球面波，這樣，用幾何光學(xué)方法根據(jù)入射和反射波前就完全可以確定反射面。從幾何光學(xué)意義上講，波前與波束剖面相對(duì)應(yīng)，波前決定反射面的成形。根據(jù)初始饋源在反射面上產(chǎn)生的面電流分布來計(jì)算天線方向圖，將天線方向圖的計(jì)算值與期望值相比較，如果計(jì)算值逼近期望值的結(jié)果并不理想,則重新調(diào)整決定波前和反射面的參數(shù)，計(jì)算天線方向圖，直至滿意為止[5,13]。
　 波前法的原理是：拋物面天線將饋源匯聚成的球形波前轉(zhuǎn)換成平面波前。當(dāng)平面波前、饋源和反射面上的一點(diǎn)給定時(shí)，由光路定律可以確定反射面上的所有點(diǎn);同理，當(dāng)賦形波前、饋源和反射面上的一點(diǎn)給定時(shí)，成形反射面也可由光路定理確定。這種方法比較粗略，可對(duì)邊界地形不是很復(fù)雜的覆蓋區(qū)進(jìn)行賦形，但對(duì)天線的一些遠(yuǎn)場(chǎng)特性無法確定。這一方法無法解決與反射波前的外部有關(guān)的幾何光學(xué)焦散問題。因此，在現(xiàn)代的賦形反射面天線的設(shè)計(jì)中，這種方法已經(jīng)很少被使用了。
2.2 口面場(chǎng)優(yōu)化法[13-17]
　 這種方法是通過優(yōu)化口徑面場(chǎng)的分布，來獲得特定的遠(yuǎn)場(chǎng)覆蓋模式。在優(yōu)化過程中，假設(shè)口徑面場(chǎng)的輻度分布不變，相位分布以三角函數(shù)等為基底函數(shù)展開。優(yōu)化對(duì)象是這些三角函數(shù)或其他基函數(shù)的系數(shù)，可以采用最小二乘法或者其他非線性優(yōu)化方法(如Minmax法)建立目標(biāo)函數(shù)，使遠(yuǎn)場(chǎng)增益逼近目標(biāo)值。根據(jù)優(yōu)化后口面場(chǎng)的相位分布，通過幾何光學(xué)原理，可以計(jì)算出反射面的表面形狀。
　 JORENSEN R于1980年提出了一種更為嚴(yán)格的口徑相位綜合技術(shù)。在這種方法中，口徑相位分布直接由遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖優(yōu)化得到，再用幾何光學(xué)方法確定反射面形狀?？趶较辔痪C合技術(shù)消除了焦散問題，能更方便地控制方向圖特性，但是這種方法不能同時(shí)優(yōu)化口徑幅度分布。這就是后來在改進(jìn)技術(shù)中為什么要先假定反射面的電場(chǎng)強(qiáng)度是大小不變的原因之一。JORENSEN R在分析中假定了一個(gè)固定的高斯幅度分布，對(duì)復(fù)雜的方向圖設(shè)計(jì)是不實(shí)用的。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。間接方法的優(yōu)化對(duì)象是成形反射面天線的一些特性參數(shù)，如波前、口徑面場(chǎng)分布等，通過優(yōu)化這些參數(shù)來滿足賦形要求，進(jìn)而確定反射面的形狀。
　 這種方法能夠取得較好的圖形效果，可以根據(jù)采樣點(diǎn)的增益分布控制主瓣與副瓣。但是在優(yōu)化過程中，假設(shè)口徑面場(chǎng)的幅度分布不變，而副瓣電平主要由起始的邊緣照射決定。實(shí)際上口徑面相位的變化會(huì)引起反射面表面形狀的變化，從而導(dǎo)致口徑面幅度分布有所變化，盡管這種變化不明顯，但也會(huì)影響遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算的精度。另外，有些基函數(shù)的選取并不能保證邊界形狀很復(fù)雜的覆蓋區(qū)有很好的賦形效果。