结构因素对圆锥喇叭电性能影响的仿真分析.pdf

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1、Vo1．11No．1天文研究与技术第11卷第1期Jan．，2014ASTRONOMICALRESEARCHANDTECHN0L0GY2014年1月CN53-1189／PISSN1672—7673结构因素对圆锥喇叭电性能影响的仿真分析刘涛，陈志平，张巨勇，王松根’(1杭州电子科技大学，浙江杭州310018；2中国科学院国家天文台，北京100012)摘要：馈源是射电望远镜天线系统的一个重要组成部分，其性能将直接影响整个天线系统的电性能。针对射电望远镜天线系统中典型的圆锥喇叭馈源。通过三维电磁仿真软件(CSTSTUDIOSUITE12．0)进行建模，分析了不同圆锥度、椭圆度及不圆度对圆锥喇叭馈

2、源远场方向性的影响。结果表明：口径面的椭圆度在一定范围内变化时。对圆锥喇叭馈源方向性的影响较小，且其回波损耗小于一l5dB；圆柱波导段的圆锥度大于1：20时，圆锥喇叭的效率会受到一定的影响：不圆度的影响则较大文中得到的结构因素对圆锥喇叭馈源电性能影响的研究结果，对射电望远镜天线系统中圆锥喇叭馈源的设计和制造具有一定的参考作用。关键词：射电望远镜；馈源；圆锥喇叭；圆锥度；椭圆度；不圆度；电压驻波比中图分类号：TN823文献标识码：A文章编号：1672—7673(2014)0卜OOl9-08射电望远镜作为射电天文观测的基本设备。一般由天线系统、接收机系统和处理、显示系统3部分组成(图1)，在

3、第二次世界大战之后飞速发展起来l1]。馈源作为射电望远镜天线系统的一个重要部分，其性能直接影响着整个天线系统的总体性能。喇叭天线常用作反射面天线的馈源，具有结构简单、馈电便捷、频带较宽、功率容量大和增益高等优点_2]。但目前国内外针对结构因素对喇叭馈源电性能影响方面的研究还很少，本文选用中心频率在x波段(8～12GHz)的圆锥喇叭作为研究对象，就结构因素对圆锥喇叭馈源电性能的影响做了初步探究。圆锥喇叭馈源的结构因素包括圆锥喇叭波导段的圆锥度、口径面的椭圆度以及不圆度等。针对不同的圆锥度、椭圆度和不圆度，利用三维电磁仿真软件CSTSTUDIOSUITE12．0对其进行建模和仿真分析，得到圆

4、锥喇叭馈源的远场增益、回波损耗以及电压驻波比等特性参数，通过大量仿真比较．获得结构因素对圆锥喇叭馈源电性能的影响规律。一11标准圆锥喇叭的理论基础及仿真图1射电望远镜的结构示意图Fig．1Aschematicdiagramofaradiotelescope1．1标准圆锥喇叭的理论基础圆锥喇叭由圆形波导终端逐渐张开形成(图2)，它采用圆波导馈电时，如果圆波导结构部分传输的是主模TE模，则圆锥喇叭中激励的主模也是TE模[3]。主要区别是：圆波导开口面上的场是同相分布的．而圆锥喇叭口径面上的场幅度近似为圆波导中场分布，但相位近似为平方律相位分布。喇叭中的电磁波沿逐渐张开的喇叭波导传输，最后过渡

5、到自由空间，由于是平滑过渡，其喇叭口径面的反射较小。可以忽略反射波。因此，圆锥喇叭的口径场只比同相口径场多了平方律相位分布项。如图3，建立圆口径辐射面的三维坐标系，其中点P为距离坐标原点r处的任意一点，则圆锥喇叭馈源的远区辐射场可表示为J：基金项目：国家自然科学天文联合基金(11078011)；浙江省教育厅科研项目(Y200804882)资助收稿日期：2013-02—24；修定日期：2013—03-20作者简介：刘涛，男，硕士．研究方向：馈源及天线技术．Email：ttjs513@126．corp~天文研究与技术1l卷Zy图2圆锥喇叭示意图图3圆波导口径辐射面及其坐标系示意图Fig．2A

6、schematicdiagramofaconicalhornFig．3Illustrationoftheradiationapertureofacircularwaveguideandtheassociatedcoordinatesystem=(1+cos)p，c。s(一+JD，sin()]inScos(~-tp')pdP：l(1)I=(1+c。s．>ffE一(p，，)sin(一)+(JD，，)c。s(一，)]in呻

7、)pdp式中，a为圆口径面的半径；S为口径物理面积；r为原点到场点P的距离；R为口径面上某点到场点P的距离；p为口径面上的极坐标；E。为理想点源场强；E(p，)表示圆口面上

8、的场强分布。1．2标准圆锥喇叭馈源的仿真分析以某口径面口径为43mm、工作频率为8—12GHz的x波段标准圆锥喇叭馈源为对象，其波导段为一个半径l0mm、长度20mm的圆柱．波导段过渡到口径面的张角为3O。。按照1／10波长划分方形网格，网格点数目为44616个，用三维电磁仿真软件CSTSTUDIOSUITE12．0l7建立如图4的圆锥喇叭馈源模型。在仿真中，背景材料选用空气，圆锥喇叭的材料选用金属(PEC)，周围充满空气，圆锥喇叭