对称抛物面反射器的方向图分析

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这个例子研究了馈电位置和反射面几何形状对半波长偶极馈电对称抛物面反射面远场辐射方向图的影响。

对称抛物面反射器通常也称为“碟形”，是一种简单而广泛使用的高增益天线。这些天线通常用于卫星通信，在民用和军事应用。这些天线的高增益是由于天线的电尺寸，也称为孔径。对称抛物面反射镜具有圆形孔径，其电尺寸通常以直径表示。根据不同的应用，反射器的直径可以在10-30之间 $\λ美元$ (甚小孔径终端)，或超过100个 $\λ美元$ (射电天文学)。

反射器参数

对于本例，我们将考虑一个通用的c波段下行链路频率，该频率由卫星使用，例如服务于美洲地区[1]的Intelsat-30卫星。此外，我们将针对非常小孔径终端(VSAT)的应用，因此，限制反射器的直径为1.2米。在上端，反射器的电尺寸约为15 \lambda。最后，选择F/D比为0.3。

C_band = [3.4e9 3.7e9];vp = physconst (“光速”）;C_band_lambda = vp. / C_band;D = 1.2;D_over_lambda_C = d / C_band_lambda;F_by_D = 0.3;

设计反射器

在选定的频率3.5 GHz处设计反射器，并根据实例的需要调整参数。重新定位抛物面反射镜，使其轴线与x轴对齐。

f = 3.5 e9;λ= vp / f;p =设计(reflectorParabolic f);p.Radius = D / 2;p.FocalLength = F_by_D * D;p.Tilt = 90;p.TiltAxis = [0 1 0];图显示(p)视图(45岁,25)

获取内存需求的估计

由于抛物面反射镜是一个电大结构，在设计频率下估计解决给定结构所需的RAM数量是很好的。使用memoryEstimate函数来做这件事。

m = memoryEstimate (p, f)

m = '740 MB'

三维模式

计算前半平面(包括钻孔)的三维远场方向图。此外，我们使用PatternPlotOptions重新调整大小以增强模式中的特性。

阿兹= 90:1:90;el = 90:1:90;图模式(p, f, az, el)

创建PatternPlotOptions对象并重新缩放绘图的大小。

patOpt = PatternPlotOptions;patOpt。magnitescale = [-10 35];图模式(p, f, az, el,“patternOptions”patOpt)

计算孔径效率

抛物面反射镜的最大增益是在孔径(振幅，相位)的均匀照明下实现的。进料模式补偿了球面扩散损失，同时在边缘处变为零，以避免外溢相关损失，将实现统一[2]的理想效率。在现实中，我们有不同类型的天线用作馈源，如偶极子、波导、喇叭等。通过图形分析，我们可以对孔径效率进行数值估计。这种计算得到偶极馈电的孔径效率约为50%。

距离=模式(p, f, 0, 0);eta_ap =(10 ^(距离/ 10)/(π^ 2))*(λ/ D) ^ 2

eta_ap = 0.4969

进给轴向位移的影响

在某些应用中，可能需要将馈源放置在远离反射器焦点的位置。正如预期的那样，这样的配置将引入相位畸变，这将转化为模式退化。研究进给量的轴向位移，无论是朝向焦点还是远离焦点对轴向增益的影响，即(az,el) =(0,0)度。为此，改变抛物面反射器上的feedooffset属性的x坐标。

feed_offset =λ:0.1 *λ:λ;Dmax_offset = 0(大小(feed_offset));为i = 1:numel(feed_offset) p. feeddoffset = [feed_offset(i)，0,0];Dmax_offset (i) =模式(p, f, 0, 0);结束图绘制(feed_offset. /λ,Dmax_offset,“啊——”，“线宽”(2)包含'轴向进给位移(x/\lambda)') ylabel (“在Boresight (dBi)的方向性”网格)在标题(“轴向进给位移引起的轴向方向性变化”）

横向位移进给的影响

进给方式从轴的位移，横向导致束扫描。对于对称抛物面反射镜，这种效应是有限的。与上一节类似，我们继续研究沿y轴位移的进给函数的孔瞄准镜增益变化。

Dmax_offset = 0(大小(feed_offset));为i = 1:numel(feed_offset) p.FeedOffset = [0,feed_offset(i)，0];Dmax_offset (i) =模式(p, f, 0, 0);结束图绘制(feed_offset. /λ,Dmax_offset,“啊——”，“线宽”(2)包含'侧向进给位移(y/\lambda)') ylabel (“在Boresight (dBi)的方向性”网格)在标题(“横向进给位移引起的轴向方向性变化”）

随机表面误差对反射器表面的影响

理想情况下，抛物面反射镜的表面将是完美的光滑，没有任何表面缺陷。制造过程和机械应力导致表面偏离完美的抛物面。对每个坐标使用均方根表面误差项，并分析地估计由于表面误差[3]造成的增益退化。

epsilon_rms =λ/ 25;chi = (4*F_by_D)*sqrt(log(1 + 1/(4*F_by_D)^2));Gmax_est = 10 * log10 (eta_ap *(π* D /λ)^ 2 * exp(1 *(4 *π*气* epsilon_rms /λ)^ 2))

Gmax_est = 29.0012

接下来，我们建立了带有表面误差的反射器的几何模型。为了做到这一点，我们将反射镜的网格单独隔离，并用零均值高斯随机过程扰动表面上的点。这个过程的标准偏差被指定为均方根表面误差。在对这些点进行扰动后，我们计算均方根表面误差，以确定工艺偏差确实接近我们设置的。

p.FeedOffset = (0, 0, 0);[Pt t] = exportMesh (p);idrad =找到(Pt (: 1) > = p.FocalLength);idref =找到(Pt (: 1) < p.FocalLength);removeTri = [];为i = 1:尺寸(t) 1)如果任何(t(我,1)= = idrad) | |任何(t(我,2)= = idrad) | |任何(t(我,3)= = idrad) removeTri = (removeTri,我);结束结束不洁净的= t;不洁净的(removeTri:) = [];图em.internal.plotMesh (Pt,不可食用的(:1:3))

为扰动的表面网格创建高斯噪声

n = epsilon_rms * randn(元素个数(idref), 3);pdd = pdd (idref，:) + n;rms_model_error =√意味着(Pt (idref:) -Ptnoisy)。^ 2,1))

Rms_model_error = 0.0034 0.0034 0.0034

从反射器表面创建一个STL文件，并使其成为安装天线分析的平台，如图所示。激发元件和以前一样。使用抛物面反射器上的馈位属性指定元素的位置。

TR =三角(不可食用的(:,1:3),Ptnoisy);stlwrite (TR,“noisyref.stl”) pn =已安装天线;pl =平台;励磁机= p.Exciter;励磁机。倾斜= 0;励磁机。TiltAxis = [0 1 0];pl.FileName =“noisyref.stl”；pl.Units =“米”；pn。平台= pl;pn。元素=励磁机;pn。ElementPosition = [p.FeedLocation (1), 0, 0);图显示(pn)

带有误差的反射面远场三维模式

表面误差对反射器的影响导致3 dB的轴向增益降低。这种效应在Ka、Ku和更高的波段尤为重要

patnOpt = PatternPlotOptions;patnOpt。magnitescale = [-10 35];图模式(pn, f, az, el,“patternOptions”patnOpt)

参考文献

［1］https://www.intelsat.com/fleetmaps/?s=G-13

[2] W. L. Stutzman, G. A. Thiele，天线理论与设计，p. 307, Wiley，第3版，2013。

[3] J.Ruze，“天线容差理论综述”，《IEEE期刊》，第54卷，第4期。pp.633 - 640年4月,1966年。

另请参阅

扇区天线2.4 GHz Wi-Fi™