微波通信技术与抛物面天线设计
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摘 要：随着科学技术的不断革新，微波通信枝术与天线已经开始以更加多元化的形式出现在人们的生活中，并受到不同领域的重视。在本文中作者主要阐述了微波通信技术发展与应用，抛物面天线的结构和原理，同时仿真设计了一种工作于K波段的低副瓣抛物反射面天线，旨在通过此次设计所得出的结果，为类似的大口径反射面天线的设计提供有价值的参考。
关键词：微波通信;技术;抛物面天线;设计
引言：
微波通信是指利用波长为1米-0.1毫米（频率为0.3-3G Hz）的无线电波进行的通信。包括微波视距接力通信、卫星通信、散射通信、一点多址通信、毫米波通信及波导通信等。它是现代通信网的主要传输方式之一，也是空间通信的主要方式，在军事战略通信和战术中占有显著的地位。
我国微波通信广泛应用L，S，C，X诸频段，K频段的应用尚在不断的深入开发之中。由于微波的频率极高，波长又很短，其在空中的传播特性与光波相近，也就是直线前进，遇到阻挡就被反射或被阻断，因此微波通信的主要方式是视距通信，超过视距以后需要中继转发。长距离微波通信干线可以经过几十次中继而传至数千公里仍可保持很高的通信质量。微波站的设备包括天线、收发信机、调制器、多路复用设备以及电源设备、自动控制设备等。为了把电波聚集起来成为波束，送至远方，一般都采用抛物面天线，其聚焦作用可大大增加传送距离。
一、φ1.3m抛物面天线有限元模型
整个天线系统是一个比较复杂的装配体，包含的零件非常多，零部件之间的装配方式也是多种形式，考虑到有限元模型复杂程度及运算，在建模时对整体结构进行了适当简化。这里简要介绍结构强度关系比较紧密的部分：口径为小1.3m的天线，反射面与中心盘、反射面和围子、围子与罩板均通过铆钉连接;中心盘和挂架通过螺栓连接，且挂架又通过螺栓紧固在抱柱上。
天线罩板、围子、抛物反射面均为薄壁结构，厚度比其它尺寸小得多，因此在ANSYS中选用SHELL63号单元。中心盘、弯板和挂架选用solid45号单元构造三维实体结构。
二、時延抖动原因分析
抛物面天线接收链路馈线段指的是从天线中心体内的场放输出端到发射机房信道机柜输入端，整个馈线段包含有方位关节、俯仰关节和各段连接线缆。为了保障天线转动跟踪目标时，信号能够不中断连续传输，因此引入了旋转关节和线缆卷绕装置。
在同轴传输线中引入的耦合间隙对主传输线的影响可以用传输线理论进行分析。由于主传输线的电流被间隙隔断，将在间隙上受高频能量激励，当间隙比波长小很多时，在间隙输入端相当于串联一个阻抗。从主传输线隔断点向耦合间隙看去的输入阻抗等于主同轴线的特性阻抗加上耦合间隙的串联阻抗。如果串联阻抗等于零，则从主传输线隔断点向耦合间隙看去的输入阻抗就等于主同轴线的特性阻抗，此时相当于一个普通的同轴传输线。因此要使扼流槽引入的反射最小，耦合间隙应尽量小，以使串联阻抗尽量小。但同时也必须考虑功率容量的问题，耦合间隙的尺寸必须在反射最小和最大功率容量间进行折衷选取。这样就能保证在关节在旋转时，而电信号稳定连续传播。
耦合式旋转关节在转动时其时延特性很不稳定，馈线上任何微小的震动也会引起天线时延的跳动，而在天线转动时微小的震动是不可避免的，因此既要保证旋转关节转动时的时延稳定特性，又要控制馈线因受力不均匀造成的抖动。
三、切割抛物面天线方案
（一）切割抛物面天线阵结构
采用侧而切割抛物天线可以减小相邻天线的间距。由于切割的而积占整个天线而积的比值较小，因此对天线整体增益的影响较小，在仿真中，仍可采用未切割时的单个天线方向图进行方向图合成，而只是在训一算阵因子方向图中减小了天线间距。
为了进一步减小天线的高度，也可以同时将天线的上下部分进行切害。
（二）天线阵分析
假设天线单元为4天线，当切割距离即天线间距减小2cm时，此时采用等幅馈电（即1：1：1：1馈电）时天线两旁瓣的电平分别为一15.56 dB和一12.98 dB;采用不等幅馈电（文中采用0.8：1：1：0.8）时天线两旁瓣的电平分别为一15.35 dB和一15.83 dB。显然该方法可以显著降低天线的最高旁瓣。因此，当以降低最高旁瓣为优化口标时，所需采用的最佳幅度加权应使合成后的天线方向图中的两个最高旁瓣电平相同。
总之，在能够保证抛物而天线方向性的前提下，尽量减小天线间距并结合不等幅馈电能够显著降低天线阵的PSLL。
四、天线时延抖动解决策略
针对以上问题，对抛物面天线整个接收信号流程进行了梳理，并采取了相应的纠正措施：
①在原来耦合式旋转关节动环与定环间屏蔽了原有耦合探针式信号传输路径，而是采用机械柔软稳相电缆直接连接非接触式耦合关节动环与定环。选用宽温机械柔软稳相电缆，由电缆组件制作专业厂家制成具有金属防护外套和N型连接器的电缆组件，每个电缆组件代替一路关节。电缆组件两端的N型连接器与非接触式耦合关节动环电缆连接器连接并用热塑管封装，电缆组件与伺服控制电缆捆绑在一起与其联动，构成射频信号传输通道。
②改进了耦合式关节动环与定环间连接线缆随卷绕装置转动方式，从而达到当天线转动时稳相电缆依附着卷绕钢缆转动，避免了转动力直接作用到稳相电缆，从而导致的时延抖动。
③对天线中所有信号传输电缆采用稳定可靠的固定绑扎，从而避免天线转动时，因线缆无规律晃动引起的不规则受力从而导致的时延抖动。
④天线中设备连线尽量使用长线缆，减少转接头的使用。转接头需要有锁定装置，防止因天线转动导致接头松动时引起的时延抖动。
结语：
抛物面天线主要用作点对点通信，其作用是把高频电流转换为电磁波并投射到抛物面上，在抛物面上形成平面波，从而实现信号的远距离传输，这使得抛物面天线具有锐波束、高增益的性能，可以把抛物面天线想象成一个手电筒反射器，其向一个特定的方向汇聚无线电波，或从一个特定的方向接收无线电波，从而实现收发功能。由于抛物面天线结构简单，高频段、高增益、低成本抛物面天线将会成为接力通信的主要研究方向之一。
参考文献
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