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[摘 要]设计了频率21.2-23.6GHz小口径超高性能天线。该天线采用短焦低剖面深锅及溅散板馈源结构，具有增益好，前后比高，结构简单和紧凑的特点。
[关键词]短焦深锅；低剖面；溅散板式馈源；天线；高增益
[Abstract]A Ultra high performance small-aperture antenna is designed to operate at frequency band 21.2-23.6GHz. The antenna has characteristic of high gain， large front-to-back ratio， easily constructed and compact because of short-focal and low-profile deep paraboloid and feed with splatter being taken.
[Key words]short-focal deep paraboloid； low profile； splatter feed； high gain； antenna
中图分类号：TN957.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）15-0123-01
微波通信天线作为数字微波传输网络中的重要部件，其质量的好坏直接影响到系统的综合质量；九十年代以前，一般多采用标准性能天线；由于微波通信的快速发展和对网络质量的要求，进入二十一世纪后，大量采用具有较好抗干扰能力和防护性能的高性能天线（符合欧洲二级标准，ESTI-Class2）；而随着近年来3G/4G等高质量通信网络的大力发展，加之更加日益复杂多变的空间地磁波波境下，超高性能天线因具有很强的抗干扰能力和防杂电波辐射性能，电气指标符合ESTI-Class3（歐洲三级标准），其推广和使用已经势在必行，象欧美等西方发展国家中，目前的微波通信网络基本上都采用欧三标准以上的天线（即超高性能天线），也就是说，超高性能天线是今后微波通信发展的必然方向。本文报导了我们研制短焦低剖面深锅及溅散板馈源结构天线的工作，其工作频段为21.2-23.6GHz。
一、短焦低剖面深锅及溅散板馈源结构天线
所设计的天线如图1所示。其主要由溅射板馈源、短焦深锅反射面和天线罩组成。相对于其他形式的面天线，其具有增益好、前后比高、结构紧凑和安装方便的优点。
该天线馈源为设计的难点。该馈源由金属圆波导（TE11单模工作）、介质波导（一端为渐变圆介质波导另一端为口面呈一定凹陷面的圆锥介质喇叭）和涂敷在凹陷面上的金属反射面组成，见图2（左）所示。为了减小馈源遮挡效应，要求馈源辐射出心形波瓣图，这样的方向图再经过抛物面的反射才会形成高增益波瓣。
二、设计原理分析
根据介质波导理论HE11模式是介质圆波导的主模，最低的两个高次模分别为模。TE11金属圆波导主模经过介质波导渐变段的耦合逐渐耦合过渡为介质圆波导中的主模HE11模，由于介质波导直径波长比为1以上[1，2]，所以这些HE11电磁波绝大部分经过逐渐变粗的介质波导照射到附在介质波导末端的合适的溅射板所反射形成心形波瓣。根据以上原理，设计馈源要根据波导理论先给出理论上金属圆波导单模尺寸、介质圆波导的单模尺寸，根据部分波理论设计介质波导锥角；然后，根据锥销电平和容许的抛物面直径，确定抛物面的焦径比。此外，还要合理设置过渡阶梯介质圆波导的尺寸，使得反射最小，这可以根据渐变线理论来设计。
三、馈源优化计算和测试
为了降低计算时间和减小设计复杂度，我们先设计出性能良好的馈源，然后再根据馈源设计合适焦径比的抛物反射面，使得天线增益和前后比达到要求。计算时我们选用以远场分布图和驻波比最小为优化目标，几何结构参数为优化参量，编写了优化计算程序先对馈源进行优化设计，该程序调用CST软件进行全波计算，然后将驻波比及方向图数据返回给计算程序，由计算程序判断是否达到最优，如果没有最优，由优化程序给出另外一组结构参数给CST重新进行计算，直至达到优化目标为止。经过优化计算，我们得到了最优的馈源结构参数，此时馈源的波束形状如图2（右）所示，馈源波束旋转对称，中心为一场强极低（是最大场强的15分之一）的区域，心形波瓣的-12dB边缘照射夹角为。加上反射面后而馈源的实测回波损耗为-19dB以下（见图3），与仿真结果基本吻合，达到了整机设计的目标（-17.7dB）。
我们设计0.6m天线中心频率的增益为40.5dB及馈源锥销电平-12dB的波束角，由式（1）和（2）[3]可得抛物面焦距和抛物面直径参数分别为96mm和600mm。
（1）
（2）
其中，，和分别为抛物面天线口径、抛物面焦距和工作波长。
为了达到较好的辐射方向图，我们还对反射面曲线进行了一定的赋形修正，以及增加扼流环、吸收材料等技术，使得天线的前后比达到66dB，辐射方向图符合ETSI Class-3标准。图4给出了实测和ETSI Class-3标准（虚线）对照，从该图可发现天线辐射方向图满足标准。
四 结论
我们根据介质波导理论和金属波导理论以及面天线相关理论设计了短焦低剖面深锅及溅散板馈源结构天线结构。实验结果与理论预测基本吻合。该处的设计方法可以为设计类似天线做参考。
参考文献
[1] John D. Kraus，Ronald J. Marhefka. Antennas：For All Applications[M].北京：电子工业出版社，2008.
[2] G.E.Mueller and W.A. Tyrrell. Polyrod Antennas[J].Bell System Technical Journal，1989，10（6）：837-851.
[3] 魏文元，宫德明，陈必森.天线原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，1996.
[关键词]短焦深锅；低剖面；溅散板式馈源；天线；高增益
[Abstract]A Ultra high performance small-aperture antenna is designed to operate at frequency band 21.2-23.6GHz. The antenna has characteristic of high gain， large front-to-back ratio， easily constructed and compact because of short-focal and low-profile deep paraboloid and feed with splatter being taken.
[Key words]short-focal deep paraboloid； low profile； splatter feed； high gain； antenna
中图分类号：TN957.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）15-0123-01
微波通信天线作为数字微波传输网络中的重要部件，其质量的好坏直接影响到系统的综合质量；九十年代以前，一般多采用标准性能天线；由于微波通信的快速发展和对网络质量的要求，进入二十一世纪后，大量采用具有较好抗干扰能力和防护性能的高性能天线（符合欧洲二级标准，ESTI-Class2）；而随着近年来3G/4G等高质量通信网络的大力发展，加之更加日益复杂多变的空间地磁波波境下，超高性能天线因具有很强的抗干扰能力和防杂电波辐射性能，电气指标符合ESTI-Class3（歐洲三级标准），其推广和使用已经势在必行，象欧美等西方发展国家中，目前的微波通信网络基本上都采用欧三标准以上的天线（即超高性能天线），也就是说，超高性能天线是今后微波通信发展的必然方向。本文报导了我们研制短焦低剖面深锅及溅散板馈源结构天线的工作，其工作频段为21.2-23.6GHz。
一、短焦低剖面深锅及溅散板馈源结构天线
所设计的天线如图1所示。其主要由溅射板馈源、短焦深锅反射面和天线罩组成。相对于其他形式的面天线，其具有增益好、前后比高、结构紧凑和安装方便的优点。
该天线馈源为设计的难点。该馈源由金属圆波导（TE11单模工作）、介质波导（一端为渐变圆介质波导另一端为口面呈一定凹陷面的圆锥介质喇叭）和涂敷在凹陷面上的金属反射面组成，见图2（左）所示。为了减小馈源遮挡效应，要求馈源辐射出心形波瓣图，这样的方向图再经过抛物面的反射才会形成高增益波瓣。
二、设计原理分析
根据介质波导理论HE11模式是介质圆波导的主模，最低的两个高次模分别为模。TE11金属圆波导主模经过介质波导渐变段的耦合逐渐耦合过渡为介质圆波导中的主模HE11模，由于介质波导直径波长比为1以上[1，2]，所以这些HE11电磁波绝大部分经过逐渐变粗的介质波导照射到附在介质波导末端的合适的溅射板所反射形成心形波瓣。根据以上原理，设计馈源要根据波导理论先给出理论上金属圆波导单模尺寸、介质圆波导的单模尺寸，根据部分波理论设计介质波导锥角；然后，根据锥销电平和容许的抛物面直径，确定抛物面的焦径比。此外，还要合理设置过渡阶梯介质圆波导的尺寸，使得反射最小，这可以根据渐变线理论来设计。
三、馈源优化计算和测试
为了降低计算时间和减小设计复杂度，我们先设计出性能良好的馈源，然后再根据馈源设计合适焦径比的抛物反射面，使得天线增益和前后比达到要求。计算时我们选用以远场分布图和驻波比最小为优化目标，几何结构参数为优化参量，编写了优化计算程序先对馈源进行优化设计，该程序调用CST软件进行全波计算，然后将驻波比及方向图数据返回给计算程序，由计算程序判断是否达到最优，如果没有最优，由优化程序给出另外一组结构参数给CST重新进行计算，直至达到优化目标为止。经过优化计算，我们得到了最优的馈源结构参数，此时馈源的波束形状如图2（右）所示，馈源波束旋转对称，中心为一场强极低（是最大场强的15分之一）的区域，心形波瓣的-12dB边缘照射夹角为。加上反射面后而馈源的实测回波损耗为-19dB以下（见图3），与仿真结果基本吻合，达到了整机设计的目标（-17.7dB）。
我们设计0.6m天线中心频率的增益为40.5dB及馈源锥销电平-12dB的波束角，由式（1）和（2）[3]可得抛物面焦距和抛物面直径参数分别为96mm和600mm。
（1）
（2）
其中，，和分别为抛物面天线口径、抛物面焦距和工作波长。
为了达到较好的辐射方向图，我们还对反射面曲线进行了一定的赋形修正，以及增加扼流环、吸收材料等技术，使得天线的前后比达到66dB，辐射方向图符合ETSI Class-3标准。图4给出了实测和ETSI Class-3标准（虚线）对照，从该图可发现天线辐射方向图满足标准。
四 结论
我们根据介质波导理论和金属波导理论以及面天线相关理论设计了短焦低剖面深锅及溅散板馈源结构天线结构。实验结果与理论预测基本吻合。该处的设计方法可以为设计类似天线做参考。
参考文献
[1] John D. Kraus，Ronald J. Marhefka. Antennas：For All Applications[M].北京：电子工业出版社，2008.
[2] G.E.Mueller and W.A. Tyrrell. Polyrod Antennas[J].Bell System Technical Journal，1989，10（6）：837-851.
[3] 魏文元，宫德明，陈必森.天线原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，1996.