航天器天线设计：双圆极化天线的应用

双圆极化天线的类型有多种，常见的有双圆极化器配合喇叭天线或反射面天线的形式，以及平面螺旋天线的变种——正弦天线等。对于星载数传应用来说，频率一般为X频段或Ka频段，因此使用喇叭天线或反射面天线具有馈电结构简单、功率容量大、易于形成点波束等优势。

一般地，如果需要的波束覆盖范围较大，就可以采用增益较低的喇叭天线；如果需要的波束覆盖范围较小，就必须采用增益较高的反射面天线。这里增益较高和较低的分界线大致在25 dBi。采用喇叭天线的优点是体积小、重量轻，对指向精度的要求不高；而这也是反射面天线的劣势，反射面天线意味着更大的尺寸和重量，以及对指向控制的更高要求。实际工程应用时，应根据具体的EIRP要求来合理地选择天线口径，在微波功率源的功耗和重量、天线包络尺寸和重量之间取得平衡。

对于用作数传的圆极化喇叭天线，主要的要求是宽频带，波束E面和H面等化好、轴比好，例如多模圆锥喇叭、波纹喇叭等。这些喇叭工作的主要原理是在辐射口径面上形成理想的电场分布，对于多模圆锥喇叭，一般是在口径面上叠加2个以上的模（TE11、TM11、TE12等）；对于波纹喇叭，则是在喇叭内部形成一种混合的HE11模。相较而言，波纹喇叭具有更好的宽带特性，结构易于加工实现，设计方法成熟。图3-27所示为一种用于数传的双圆极化波纹喇叭，喇叭口径为200 mm，其方向图仿真结果如图3-28所示，在8～9 GHz，方向图峰值增益大于22 dBi。

图3-27　双圆极化波纹喇叭天线

用作数传的双圆极化反射面天线类型较多，本来没有反射面类型选择的问题，但是，如前所述，25 dBi是一个选择喇叭还是反射面天线的分界点，而一般的星载数传需求在X频段受限于包络尺寸，通常只允许φ400 mm的口径，这恰好是一个喇叭天线无法企及、反射面天线无法发挥高效率优势的两难境地。如果在这种条件下设计双圆极化反射面天线，从天线的效率考虑，环焦型反射面天线是最佳的选择。这是因为环焦型反射面天线的副反对主反的遮挡较小，而且会把馈源初级波束中心较为集中的能量反射到主反的边缘，使口径场分布更接近等幅同相分布，从而获得较高的效率。

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图3-28　双圆极化喇叭天线仿真方向图（8.0 GHz）

有关环焦型反射面天线电性能设计，可参考相关文献。图3-29所示为一种环焦型点波束双圆极化天线，由主反射面、副反射面、双圆极化喇叭馈源、波导旋转关节、波导传输线等组成，采用双轴驱动机构实现天线指向地面站。其方向图仿真结果如图3-30所示。

图3-29　环焦型点波束双圆极化天线示意

图3-30　环焦型双圆极化天线仿真方向图（8.0 GHz）

而在Ka频段，尺寸的约束显得不像X频段那样的严苛，同样是直径400 mm的口径，有更多的反射面构型方案可供选择。例如，采用前馈式的单反射面是一种较好的方案。并且，主反射面由于受到的遮挡更小了，所以能够在主波束范围内实现更好的双圆极化特性。