【文献综述】
- 引言
随着科学技术的发展，反射面天线正朝着大口径、高增益和宽频带的方向发展，对天线增益、副瓣电平、波束宽度、天线效率等电性能指标提出了越来越高的要求。为了改善卫星跟踪与通信应用的反射面天线的性能，人们开始采用由主反射面、副反射面和馈源三者组成的双反射面天线，卡塞格伦天线就是比较有代表性的一种。由于其高增益、锐波束、低噪声、结构简单、设计灵活的特点，已被广泛应用于卫星通信、微波中继通信、雷达和射电天文设备中。本文将对卡塞格伦天线的研究背景以及研究现状进行综述，并对其发展趋势进行展望。
- 正文
2.1研究背景反射面天线是目前通信、雷达和射电天文中应用很广的一类天线[1][2]，由于其具有高增益、主瓣窄及低副瓣等特点，因此成为了雷达天线的主要形式之一。反射面天线是继赫兹发现电磁传播现象后就开始使用。第二次世界大战期间，在军事雷达的应用刺激下，反射面天线的分析和设计得到进一步的研究与发展。当反射面天线的原理形成后，由于当时没有计算机的辅助计算，导致发展受到了限制。数字化计算机的发展为数值计算提供了有利的条件，反射面的计算分析和设计方法日趋成熟与精确，反射面天线在理论和设计方面同时有了惊人的发展，使得反射面天线在更多的领域有了广泛的应用。而随着通信技术的持续发展，对天线的要求也越来越高，反射面天线的设计仍然面临更大的机遇和挑战。
反射面天线通常可分为单反射面系统和双反射面系统，双反射面又分为卡塞格伦型和格里高利型双反射面天线。卡塞格伦天线是由卡塞格伦光学望远镜发展起来的一种微波天线，它在单脉冲雷达、卫星通信以及射电天文等领域中得到了广泛的应用。标准卡塞格伦天线是典型的双反射面天线，由主反射面、副反射面和馈源组成，其中喇叭天线是一种常用的卡塞格伦天线的馈源。与抛物面天线相比，卡塞格伦天线以较短的纵向尺寸实现了长焦距抛物面天线的口径场分布，因而具有高增益、窄波束，同时由于馈源后馈，减少了噪声。不仅如此，卡塞格伦天线的设计自由度多，可以灵活地选取主反射面、副反射面形状，对波束进行赋形。但是卡塞格伦天线也有以下缺点：副反射面边缘绕射效应大，副面遮挡也会使方向图变性。为了提高带宽和口径效率，通常要对馈源和反射面进行改进，近年来有很多新颖的技术成果面世。
2.2国内外研究现状
卡塞格伦天线与普通抛物面天线相比，其具有高增益、窄波束、低噪声的优点，并且在设计的时候有较高的灵活性，易于对波束进行赋形。但是由于副反射面、副反射面的支杆以及馈源必然会在主反射面上带来遮挡影响，这使得卡塞格伦天线副瓣电平升高、增益降低。根据这些特点，国内外的研究主要通过对卡塞格伦天线的馈源以及反射面进行改进，从而提升卡塞格伦天线的性能。
在馈源方面，卡塞格伦天线的馈源多采用波导辐射器和喇叭天线。波导辐射器由于受到传输波型的限制，口径较小，方向性差，适用于较短焦距的抛物面天线。喇叭天线是一种较为常见的馈源，比较适合于口径比较大的反射面天线。目前国内外研究最多的、高性能的馈源喇叭主要有波纹喇叭、多模喇叭和介质加载喇叭。
1966年Simons和Lawrie等[3][4]提出以波纹喇叭作为反射面天线的馈源后，这种馈源以其低旁瓣、辐射场的幅度相位轴对称性及其低交叉极化等优异性能，引起了人们强烈的关注，并在60年代末70年代初掀起了研究波纹喇叭的热潮。70年代中期以来研究工作主要集中于新型结构的波纹壁和波纹喇叭辐射场的交叉极化及波导内各种模的转换问题，出现了部分填充介质的波纹壁，v形槽波纹壁和环加载波纹壁用以展宽波纹喇叭的工作频带；Clarricoats和Olver等[5]全面系统地从实验与理论上研究了波纹喇叭的传播和辐射特性，并提出了在喇叭上加扼流圈用以改善小口径波纹喇叭的交叉极化。80年代又出现了新型结构的波纹壁，如双槽波纹壁和特殊内壁轮廓波纹壁，用以改善辐射场的交叉极化电平。国内的章日荣、杨可忠、陈木华等也对波纹喇叭进行了深入的理论研究及实验检验，提出了一套系统的关于波纹喇叭的设计理论。1963年，Potter研发出了一种性能很好的双模喇叭[6]，通过一个锥形连接两个圆波导，从而产生部分TM11模，双模喇叭的提出引起了研究者的关注。Pickett和Hardy等人在此基础上分析了四个不同波长的双模角锥喇叭[7]，该天线具有高斯波束方向图、E面和H面的波瓣宽度相等，且副瓣低。2009年，龚云峰和谢拥军等人[8]利用内壁光滑的指数型多模喇叭满足高功率微波天线对馈源高功率容量和良好辐射特性的要求，并将介质透镜加载于喇叭馈源口面，得到X频段高功率近场卡塞格伦天线的结构尺寸，使其理论功率容量大于600mW。
在反射面改进方面，国内外的学者主要通过波束赋形、偏置反射面、极化扭转、优化设计参数等方法来改进卡塞格伦天线，从而达到更好的增益效果。在各种反射面天线中，前馈式的旋转对称抛物面天线是应用最为广泛的，它在面天线的发展史上起到了奠基作用。但是，这种天线也有不足的地方。首先由于反射面的反射作用，必然导致馈源喇叭驻波特性的恶化；其次，馈源系统及其支撑结构的阻挡会导致增益和波束效率的下降，也会使得旁瓣电平和交叉极化电平升高。为了提高天线效率，满足通信系统所要求的高增益、低副瓣、低交叉极化，提出了偏置反射面天线的设计。1999年，Aoki等人[9]提出了一种馈源偏置椭圆口径的双反射面天线，通过改变反射面的形状，实现低交叉极化，并在卫星新闻采集系统中对天线性能进行了验证。单偏置反射面天线既可以改善馈源的输入电压驻波比，又可以消除由于遮挡造成的副瓣电平上升，表现出很大的优越性。若要求高极化鉴别率时，可以将反射面天线设计成双偏置反射面天线，此外，还可以通过对反射面天线的赋形，来达到更高的电性能指标要求。2010年，中电五十四所伍洋、杨可忠等人[10]针对采用旋转副镜方式切换频段的大型卡塞格伦天线，提出根据等光程条件和主反射镜的射线描迹对副反射镜进行二次赋形，以修正偏轴对光程造成的影响。2014年，Yanxun Wang等人[11]提出了一种轴向偏移单脉冲卡塞格伦天线，该天线用阶梯状抛物面作为主反射面，并对5个不同焦距的馈源馈电，根据几何光学理论推导出设计方法。
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