具有雙槽結構模變換器的雙頻段波紋喇叭

李 鵬，杜 彪，劉肖萌

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

隨著衛星通信技術的飛速發展，衛星通信天線已經從原來的單頻段擴展到雙頻段甚至多頻段，并帶動了雙頻饋源技術的發展。目前，波紋喇叭已經在L/C、C/Ku等雙頻段得到了廣泛的應用。而在某些雙頻段，如 Ku/Ka頻段，由于其特殊的頻帶特性——高頻段的工作帶寬很寬，低頻段的工作帶寬相對較窄，采用傳統的模變換器設計出來的雙頻段波紋喇叭，存在E面和H面輻射方向圖不等化，相位方向圖的相位差較大，駐波性能難以滿足要求等亟待解決的問題。

針對這種特殊的頻帶特性，文獻［1］提出了一種新型的雙槽結構模變換器，其每個周期由一個環加載槽和一個直槽組成。文獻［2］研究了圓柱型(不帶張角)的雙槽結構模變換器，而實際波紋喇叭設計中，模變換器是具有一定角度的。針對具有張角的雙槽結構模變換器，研究張角對喇叭的回波損耗、輻射特性及工作帶寬的影響。在此基礎上，設計出性能優良的Ku/Ka雙頻段波紋喇叭。

1 雙頻段波紋喇叭的設計

通常波紋喇叭由四段結構組成，分別是光壁段、模變換段、過渡段和輻射段［3］。本節對喇叭的輻射段、過渡段和光壁段進行了設計。

1.1 喇叭的口面參數

喇叭的輻射特性主要由喇叭的口面半徑a0和半張角θ0決定［4］。選取最優口面參數的步驟如下:

首先，根據喇叭工作頻帶，選取口面相差φm以及照射電平 S。大量研究表明，口面相差 φm≥0.75π，才能保證波紋喇叭具有寬頻帶輻射特性［4］。

然后，根據 HE11模輻射場幅度等值線數值表［4］，由工作相位 φm和照射電平 S，查得空間因子uM和 φ'(θm)。

經過上述過程得到的口面半徑a0和半張角θ0，并不能保證喇叭的輻射性能滿足天線對其提出的要求。因此，需要用球面波展開法［3］核算喇叭的輻射場是否符合要求。如果計算得到的喇叭輻射場不符合要求，則返回第一步，調整口面相差，重新計算，直至求得的喇叭輻射場滿足天線要求，即可確定喇叭的口面半徑a0和半張角θ0。

針對Ku/Ka雙頻段波紋喇叭，采用上述計算方法，優化得到喇叭的口面半徑為36.72 mm，半張角為20°。用球面波展開法計算喇叭的輻射方向圖如圖1所示。圖1(a)、圖1(b)、圖1(c)和圖1(d)中，上圖是相位方向圖，下圖是幅度方向圖。表示E面方向圖，表示H面方向圖。

圖1 各頻率的輻射方向圖

由圖1可知，喇叭的邊緣照射電平在－10～－20 dB，E面和H面輻射方向圖保持良好的等化;喇叭相位方向圖中的相位差在±60°以內。

1.2 喇叭的過渡段

喇叭輻射口面的半徑a0和半張角θ0與模變換器出口處的半徑ai和張角θi并不相同，此外，輻射段的平衡混合頻率［4］f0與模變換器出口處的平衡混合頻率fi也不相同［5］，所以從模變換器到輻射段需要一個過渡段來實現這些參數的過渡。

常用的過渡方式有2種［6］:

① 當θ0－θi＜10°～15°時，采用分別控制型，即過渡段由變頻段和變角段分別控制平衡混合頻率和角度的過渡;

② 當θ0－θi＞10°～15°時，采用綜合控制型，即內壁曲線采用曲率半徑為常數的圓弧，在圓弧上同時實現平衡混合頻率和角度的過渡。

考慮到Ku/Ka雙頻段波紋喇叭的半張角為20°，采用綜合控制型圓弧過渡，在下文的設計實例中也證明其可行性。

指視野中垂直范圍內所能清晰觀察到的物象界限。當不用微調就能看清楚一個物像的平面及上下結構，這個能夠看清的厚度即焦點深度。

1.3 喇叭的光壁段

光壁段的主要功能是使輸入波導與模變換器之間實現良好的匹配［4］。考慮到下節中對模變換器不同角度研究的需要，光壁段的內壁曲線采用正弦平方曲線，這種曲線僅需調整其中的參數，即可實現與模變換器的良好匹配［6］。正弦平方曲線方程式如下:

式中，g1和 g2是待確定的參數，由出口半徑 aout、光壁過渡段長度L和出口張角θ決定。

2 雙槽結構模變換器的張角

模變換器是波紋喇叭中關鍵的一段，決定著TE11模轉化為HE11模的純度和有害高次模的激勵程度，特別是頻率低端的EH11模和頻率高端的EH12模［7］。因此，模變換器對喇叭的回波損耗和輻射性能有重要影響。

雙槽結構模變換器的張角，對高次模，尤其是EH12模會產生顯著的激勵。這些高次模對回波損耗產生影響，限制了模變換器的工作帶寬［8］。下面研究模變換器的角度對喇叭的回波損耗及工作帶寬的影響。

2.1 模變換器的角度對喇叭工作帶寬的影響

為了研究雙槽結構模變換器的角度對喇叭駐波特性和工作帶寬的影響，在上節對喇叭的光壁段和變角段的設計，分別采用正弦平方曲線和圓弧曲線，它們均能適應模變換器不同的角度。在此基礎上，分別計算模變換器不同角度下喇叭的回波損耗，分析模變換器的角度對喇叭工作帶寬的影響。表1為模變換器不同角度下喇叭的帶寬特性，其中帶寬比為回波損耗優于22 dB的帶寬比。

表1 模變換器不同張角下喇叭的帶寬特性

由表1可知，這種雙槽結構模變換器的低頻段工作帶寬明顯小于高頻段工作帶寬;無論是低頻段還是高頻段，帶寬比都隨著模變換器角度的增大先增大后減小;在模變換器的角度為6°時，喇叭低頻段和高頻段的工作帶寬比均達到最大，分別是1.324和1.816。

2.2 模變換器入口槽導納對喇叭工作帶寬的影響

模變換器入口處的波紋槽導納(入口槽導納)主要由波紋槽的槽深、槽寬、槽周期以及喇叭內徑所決定［9］，它對喇叭駐波性能有重要影響。模變換器的角度不同，喇叭內徑會發生變化，對模變換器中的槽導納產生影響。

在模變換器的角度為6°時，調整槽參數，使入口槽導納在10.95 GHz時分別在25、20、15和10的水平［10］，研究入口槽導納對喇叭工作帶寬的影響。由上節可知，高頻段的帶寬比保持在較高水平，所以僅計算不同入口槽導納下喇叭在低頻段的工作頻帶范圍，如表2所示，工作帶寬為回波損耗優于22 dB的工作帶寬。

表2 不同入口槽導納下喇叭低頻段工作頻帶范圍

由表2可知，喇叭低頻段的帶寬比保持在1.3的水平，低頻段的工作帶寬并不隨入口槽導納的改變有較大變化;但是，隨著入口槽導納值逐漸減小，喇叭低頻段的工作頻帶范圍逐漸向高頻方向移動;可見，在模變換器的角度為6°時，低頻段的工作帶寬不變，但是通過調整模變換器入口槽導納的值，可以實現喇叭工作頻帶范圍的上下移動，從而使模變換器工作在需要的頻帶范圍。

3 設計實例

設計一個Ku/Ka雙頻段波紋喇叭，工作頻率為10.95 ～14.5 GHz，19.6 ～21.2 GHz和29.4 ～31 GHz，照射角26°，邊緣照射電平為－8～－25 dB。

喇叭的結構示意圖如圖2所示。光壁段內壁曲線采用正弦平方曲線;模變換器采用雙槽結構，張角為6°;過渡段采用綜合控制型圓弧過渡;喇叭輻射段半張角為20°，口面半徑為36.72 mm。

圖2 波紋喇叭結構示意圖

3.1 駐波特性

計算該喇叭的回波損耗如圖3所示。

圖3 回波損耗

由圖3所示，喇叭在10.95～11.7 GHz，回波損耗優于22 dB(電壓駐波比VSWR＜1.17);在11.7～14.5 GHz，回波損耗優于27 dB(電壓駐波比VSWR＜1.1);在19.6～31 GHz，回波損耗優于30 dB(電壓駐波比VSWR＜1.065)。

3.2 輻射特性

由圖4可知，該喇叭在工作頻帶范圍內，輻射方向圖均保持良好的等化;喇叭的交叉極化水平在20 dB以下，滿足設計要求。

綜上所述，該饋源可以良好的工作在10.95～14.5 GHz和19.6～31 GHz，其 E面和 H面輻射方向圖保持良好的等化，回波損耗在Ku頻段優于22 dB，在Ka頻段優于30 dB，交叉極化優于20 dB。

圖4 輻射方向圖

4 結束語

從饋源的輻射性能出發，優化選取喇叭輻射段的口面半徑以及半張角，用球面波展開法計算了喇叭的輻射方向圖;為了適應模變換器張角的變化，喇叭的變角段和光壁段分別采用了圓弧曲線和正弦平方曲線。

研究了模變換器的角度對喇叭駐波性能及工作帶寬的影響，模變換器的角度從2°增加到10°時，低頻段和高頻段的帶寬比均先增大后減小;在模變換器的角度達到6°時，喇叭低頻段和高頻段的工作帶寬比均達到最大，分別是1.324和1.816;雙槽結構模變換器的低頻段工作帶寬低于其高頻段的工作帶寬。

給出了一個Ku/Ka雙頻段波紋喇叭的設計實例，E面和H面輻射方向圖等化良好，回波損耗在Ku頻段優于22 dB，在Ka頻段優于30 dB，解決了目前Ku/Ka雙頻段波紋喇叭駐波性能差和輻射方向圖不等化的問題。

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