寬帶、雙極化四脊喇叭饋源研究

高 喜 李思敏 劉揚清 于新華 姜彥南

（1.桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林541004；2.桂林安德立通信技術有限公司，廣西 桂林541004）

引 言

隨著電子對抗以及電子偵察技術的發展，要求天線具有寬頻帶、極化可變等特性.拋物面天線在雷達系統中經常被用作收發天線，而高性能的寬頻帶饋源系統的設計，能夠有效改善拋物面天線的工作性能，并實現天線小型化，從而實現整個雷達系統的小型化，增加其隱蔽性.但是，對于反射面天線而言，要設計具有高增益、低副瓣、寬頻帶，同時要滿足主天線兩個主平面的邊緣照射電平等綜合電特性的饋源，具有相當的難度.

喇叭天線具有結構簡單、易于加工、方向圖好、增益高等優點，因此，被廣泛用于拋物面天線的饋源.在喇叭天線中采用脊加載方法能極大擴展喇叭天線的工作帶寬.如果采用四脊加載，即四脊喇叭，還能夠實現雙極化要求.因此，采用脊加載喇叭天線作為拋物面天線的饋源具有較大的優越性［1］.本文設計了一種具有漸變后腔的4～12GHz高性能四脊雙極化喇叭饋源天線，對脊波導段、喇叭段、后腔以及探針位置對天線輻射特性的影響進行了分析并對參數進行了優化.結果表明，所設計的饋源在整個工作頻段內具有低副瓣、高增益特性，在低頻端兩個主平面的-12dB的邊緣照射角大于110°，高頻端兩主平面的-12dB的邊緣照射角均大于60°.

1 基本理論

對四脊喇叭天線，當只在某一極化端口激勵時，與該極化方向正交的那對脊對天線性能的影響極小，也就是說相互正交的兩端口之間的隔離度很好.因此在設計本喇叭天線時，首先設計方形雙脊喇叭，得到優化的喇叭以及脊的結構參數，將設計好的雙脊復制到喇叭天線的另外兩壁上，形成四脊喇叭天線［2］.而雙脊喇叭天線分為雙脊波導、脊加載的喇叭段以及后腔三部分，具體結構如圖1所示.在矩形波導中加載膜片能夠以幾倍量級增加H10模的截止波長，同時H30模式的截止波長降低，從而大大拓寬了其工作頻帶.對脊波導參數的選擇是確保脊加載喇叭天線在整個工作頻帶范圍內單模工作的關鍵.

圖1 喇叭天線的縱截面結構

為了與同軸線阻抗匹配，假定所設計的脊波導中H10模的特征阻抗ZTE10＝50Ω，根據文獻［3］中的方法，選取s/a1＝0.2，d/b＝0.1.其中s為脊寬，d為脊間距，a1、b為波導的寬和高（這里a1＝b）.令TE10模的截止頻率fTE10＝2GHz（低于天線工作頻率的下邊頻），得到脊波導的參數為：s＝4.2mm，d＝2.1mm，a1＝b＝21mm.

在脊喇叭段，脊曲線采用指數曲線形式［4］為

式中：0＜z＜L，z為喇叭中軸線坐標；A1，B1，C1為待定系數，取值分別為：為喇叭的口徑.式（1）中線性項C1z能有效縮短天線的軸向長度L，喇叭口徑a的取值大于天線最低工作頻率的半個波長，L和a的具體取值根據所設計天線電參數的要求進行優化.

為了降低駐波，天線的后腔采用漸變腔，以代替通常使用的方形腔，如圖1所示，而且脊波導中的脊嵌入在漸變腔內.在這些設計基礎上，將設計好的脊復制到喇叭的另外兩個光滑壁上，即得到四脊喇叭天線的模型，圖2為四壁喇叭天線中脊波導段的橫截面結構.

圖2 方形四脊波導橫截面結構

2 模擬分析

在得到四脊喇叭天線模型的基本參數基礎上，利用CST電磁仿真軟件對天線的輻射性能進行模擬分析，并對天線的整體結構參數進行優化.由于天線兩對脊間的間距較小，而脊又具有一定的厚度，為了使脊不互相接觸，對脊的邊沿采用45°倒角處理.

方向圖是天線一個重要的設計指標，通過模擬發現，與普通喇叭天線一樣，四脊喇叭天線的方向圖和增益主要受喇叭段長度L和喇叭口徑面尺寸a的影響：3dB波束寬度隨L和a的增加而減少；增益隨L的增加而增加.根據天線增益和波束寬度的要求對L和a進行優化.另一方面，脊間距d、脊寬度s以及脊邊沿倒角的角度對天線輻射性能的影響在文獻［5］中有詳細論述，因此對這一工作的分析在此不再贅述.

為了分析天線后腔對天線駐波比的影響，在其他參數一定的情況下，對后腔為矩形結構以及漸變結構進行了對比研究，結果如圖3所示.圖中顯示，當后腔為矩形結構時，天線在工作頻段內的駐波比最大值為2.8，而當后腔為漸變腔時，駐波比得到了很大程度的改善，最大駐波比為1.8.因此，采用漸變的后腔結構能有效降低天線的駐波比.

圖3 不同背腔結構對應的駐波比

天線由兩個正交且錯開的探針饋電，以得到兩個不同的極化方向的輻射特性.為了提高天線兩個端口駐波比的一致性，采用特制的饋電探針，探針直徑φ＝0.7mm，同時將兩探針的間距設置盡量?。?］.為了研究探針伸入脊波導內部的位置對駐波比的影響，在固定天線其他結構參數情況下模擬了不同探針位置對應的駐波比，結果如圖4所示，圖中d0表示探針到一對脊中另一膜片端面的距離（見圖2）.從圖4可以看出，天線的駐波比隨d0的減少而降低，尤其在低頻段，駐波比降低更為迅速，當d0＝0 mm，也就是說探針完全伸入到一對脊中另一膜片內部時，天線的駐波比達到最優值，在整個工作頻帶范圍內小于2.究其原因，同軸線的內導體通過第一個脊的腔體，連到第二個脊上形成短路，此時內導體在波導腔中可看作單極子輻射器，同時脊波導的阻抗與同軸線阻抗基本一致，形成良好的阻抗匹配，使輸入駐波比得到很大程度的改善.圖5為不同頻率下天線的遠場輻射圖.可以看出，該天線具有較好的方向圖特性，在整個工作頻段增益處于10～13dB之間.同時，饋源的兩個主平面（E面及 H面）的-12dB波瓣寬度在低頻端（4GHz）大于110°，隨著頻率的升高，波瓣寬度變窄，在高頻端（12GHz）最小，此時E面的-12dB波瓣寬度為60°，H面的-12dB波瓣寬度為90°.

圖4 不同探針位置對應的駐波比

3 實驗測試

在模擬的基礎上，對該喇叭進行了加工測試.并在整個工作頻段以1GHz為頻率間隔采樣點，對天線的方向圖特性和駐波特性進行了測試.圖6、7為4～12GHz之間2個典型頻點的E面方向圖測量結果及相應CST仿真結果的對比.其中，實線為實驗測試結果，虛線為模擬結果.可以看出，測量結果與仿真結果總體上吻合較好.然而在高頻段，測試結果與模擬結果之間的差異變大，這主要是由于高頻段對應電磁波波長變短，此時加工工藝對測試結果的影響變得明顯所致.

4 結 論

設計了一個工作于4～12GHz的雙極化四脊喇叭天線，利用CST軟件分析了不同后腔結構及探針位置對天線輻射性能的影響.研究結果表明，天線后腔如果采用漸變結構能有效降低天線的輸入駐波比，同時探針的位置對天線駐波比也有很大影響，當探針伸入到一對脊中的另一膜片內部時，天線輸入駐波比達到最佳值，在整個工作頻帶范圍內小于2.天線在整個工作頻帶范圍內都具有較好的方向圖特性，E面、H面的-12dB波瓣寬度在低頻端大于110°，隨著頻率升高，波瓣寬度有所降低，但是仍然能滿足主天線的要求，總體上，整個頻帶范圍內，-12 dB波瓣寬度均大于60°.實驗測試結果與模擬研究結果具有較好的一致性.本文設計的天線適合用作特定情況下拋物面天線的饋源.

［1］何山紅，傅永生.分析款頻帶、雙極化、恒束寬四脊喇叭的混合方法［J］.電波科學學報，2002，17（2）：160-164.HE Shanghong，FU Yongsheng.A hybrid method for analyzing quadruple-ridged horns with wide-bandwidth，dual polarization and constant beamwidth［J］.Chinese Journal of Radio Science，2002，17（2）：160-164.（in Chinese）

［2］PYLE J R.The cutoff wavelength of the TE10mode in ridged rectangular waveguide of any aspect ration［J］.IEEE MTT，1966，14（4）：175-183.

［3］藤秀文.電子戰四脊喇叭天線［J］.電子對抗技術，1995，9（4）：22-27.

［4］KERR J L.Short axial length broad-band horns［J］.IEEE Tans Antennas and Propagation，1973，21：710-714.

［5］毛 岫，李鵬程，鄧 輝，等.500MHz～3.5GHz高性能寬帶雙極化天線的研制［J］.微波學報，2008，24（增刊）：93-97.MAO Xiu，LI Peng-cheng，DENG Hui，et al.A high performance 500MHz～3.5GHz broadband and dualpolarized antenna［J］.Journal of Microwave，2008，24（Sup）：93-97.（in Chinese）

［6］李 彬，楊 永.寬帶雙極化四脊圓喇叭天線的分析與設計［J］.信息與電子工程，2011，9（2）：180-184.LI Bin，YANG Yong，Analysis and design of broadband dual-polarized quadruple-ridged circular horn antenna［J］.Information and Electronic Engineering，2011，9（2）：180-184.（in Chinese）