高边环圆环背射天线设计

高边环圆环背射天线设计

潘一博

中国人民解放军78135部队成都

摘  要：随着航天技术的飞速发展，对远距离无线信号的传输要求越来越高，天线的增益和体积之间的矛盾越来越突出；为了提高天线的增益，通常采用口面较大的抛物面或多个天线单元形成阵列以提高增益，这些方法要造成天线面积大，带宽窄，影响了使用。本文设计了一种高边环圆环背射天线，馈源采用圆环结构，是因为圆环天线的增益比折合振子高0.8dB，且带宽较大，易于匹配；反射面采用高边环腔体，能使合成辐射场增强，旁瓣减小。经过设计、制作，实测该天线增益高达15.6dB，旁瓣电平低于-28dB，可广泛应用于无线定向通信系统中。

关键词：长背射天线，圆环馈电，等效焦点，旁瓣增益

背射天线是在端射面天线理论及实验的基础上发展起来的，端射面天线的馈源位于焦点上，反射面通常是不同形式的抛物面。短背射天线结构如图1所示，由反射背腔T、副反射器R、和馈源A三部分组成。背射天线也可以认为有一个等效焦点，馈源的相位中心也正好近似地位于等效焦点处。

1．背射天线的工作原理

短背射天线与射面天线有许多内在的联系，它可视为一种变形的射面天线，它的辐射特性加上一些附加条件就可用相似于端射面天线的分析方法近似求解。下面用波的相干性来解释背射天线的工作原理。

背射天线向空间的辐射场可分为E1、E2、E3三部分。其中E1是馈源射向反射背腔T底面被反射的波，E2是被反射背腔边环拦截并辐射的波，E3是被副反射器R反射向反射背腔后又被反射到空间的波。

(1)

(2)

(3)

根据波的相干性原理将式(1)、(2)、(3)合并为：

(4)

所以，适当选择振子和边环高度，反射背腔和副反射器大小，以及它们间的相对距离，使各相位相等或相差，便可得到：

其中：

所以，背射天线几何尺寸的选择就是尽可能使式(4)的振幅达到最大，也就是馈源的能量得到了充分的利用。

背射天线增益较高的原因是比较充分地利用了馈源的能量，即合理的选择了D，W，h，并且长背射天线增益高于短背射天线，是因为增加引向器的结果。根据实际制作的经验证明：

圆环振子长度时，短背射天线处于最佳工作状态。

边环的作用可等效于表面波反射器直径D的有效尺寸的增量（称为有效电增量，记为），如图2所示

其中

背射天线的表面波反射器直径D应尽量取在最佳值附近，若想用增大表面反射器直径D的办法来提高天线增益是不可能的，因为此时的方向图将发生畸变，且随着D的增加，边环的作用不再明显。所以选择合适的边环高度（W约为，为了减小旁瓣，可使W达到）就能使合成辐射场增强，旁瓣减小。

2.高边环圆环背射天线设计、制作与测试

根据前面的理论分析，自主设计、制作了如图3所示的用圆环作馈源的圆桶形长背射天线，经过多次实验选定如下基本结构参数：

其中：

天线的馈源选用圆环，是因为圆环天线的增益比折合振子高0.8dB，且带宽较大，易于匹配，当周长为时，馈电结构如图4所示，在选定以上参数后，Si和ri（）的选择直接影响着天线的阻抗特性、增益、波瓣宽度及旁瓣电平，理论计算得Si和ri数据为：

，，，，。最后在理论尺寸附近进行微调找出最佳点，以获得最大的增益和最佳的远场辐射特性。从大量的数据记录中选取的一组最优化的参数如下：

实测驻波、Smith圆图和方向图如图5、6、7所示，天线的3dB波瓣宽度E面和H面均为，增益为15.6dB，旁瓣电平低于-28dB。

3.结束语

本文设计了一种高边环圆环背射天线，该天线以圆桶形背腔为反射面，以圆环为馈源，馈源前增加了四个引向器，经过测试，该天线具有良好的宽带性能，增益高，旁瓣小，辐射功率大的特点，可广泛应用于定向传输通信系统中，也可作为通信中继天线。

参考文献：

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