一種Ka波段雙槽波紋喇叭天線的設(shè)計(jì)?

(中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心,甘肅酒泉732750)

0 引言

波紋喇叭天線是所有饋源天線中的黃金天線,具有高增益、低副瓣,輻射特性和駐波特性優(yōu)異,交叉極化電平低等優(yōu)點(diǎn),在航天制導(dǎo)、微波遙感[1]、目標(biāo)探測、衛(wèi)星通信、射電天文等方面都有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的波紋喇叭天線在結(jié)構(gòu)上可分為大張角喇叭和小張角喇叭兩種,理論上大張角波紋喇叭天線的波紋數(shù)目為4～6個,通過調(diào)整喇叭半張角可以將天線尺寸設(shè)計(jì)得很小,而小張角波紋喇叭天線由于采用四段式結(jié)構(gòu)或兩段式結(jié)構(gòu),橫縱向尺寸往往較大,結(jié)構(gòu)不夠緊湊,增加了加工成本。因此,如何優(yōu)化小張角波紋喇叭天線的結(jié)構(gòu)是目前工程研究的一個重要方面。

波紋喇叭天線的波紋一般有直槽、軸槽和斜向槽三種,直槽為波紋垂直于喇叭軸線,軸槽為波紋平行于喇叭軸線,斜向槽為波紋垂直于喇叭母線而與軸線成一定角度。單一地采用一種槽結(jié)構(gòu),天線容易出現(xiàn)縱向尺寸較大、交叉極化電平和副瓣電平較高的缺點(diǎn)[1]。采用雙槽結(jié)構(gòu)不僅能夠獲得較低的交叉極化電平和副瓣電平,而且能夠?qū)⑻炀€結(jié)構(gòu)小型化。雙槽結(jié)構(gòu)的理念最早用于雙頻或多頻段波紋喇叭天線中,但都采用雙直槽的設(shè)計(jì)。目前未見將直槽和軸槽設(shè)計(jì)在同一小張角波紋喇叭天線的文獻(xiàn)。

波紋喇叭天線在L,C及Ku頻段的應(yīng)用已經(jīng)相對成熟[2-3],但在Ka頻段的研究還較少。因此,基于波紋喇叭天線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了一種Ka波段新型雙槽波紋喇叭天線,模變換段采用軸槽設(shè)計(jì),而輻射段采用直槽設(shè)計(jì),并通過優(yōu)化天線結(jié)構(gòu),將所設(shè)計(jì)的喇叭天線作為饋源,應(yīng)用到卡塞格倫天線上。軟件仿真結(jié)果表明,該波紋喇叭天線不僅具有良好的輻射性能和駐波性能,而且尺寸結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化,作為饋源使用時(shí),卡塞格倫天線性能良好。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 波紋喇叭天線的結(jié)構(gòu)

波紋喇叭天線通常由四段式結(jié)構(gòu)構(gòu)成,包括輸入錐削段、模變換段、過渡段及輻射段。目前對波紋喇叭天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不再有明顯的區(qū)分,通常由緊湊的兩段式組成,主要包括模變換段和輻射段,模變換段的槽深一般是由輸入端的λc/2漸變到λc/4,這樣既起到模式轉(zhuǎn)換作用,又能滿足匹配要求,輻射段槽深則保持λc/4不變。圖1為兩段式波紋喇叭天線結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 波紋喇叭天線結(jié)構(gòu)示意圖

波紋喇叭天線的入口處連接的是一段光滑圓波導(dǎo),用A0來表示,主要傳輸TE11模式。模變換段為A1,它是波紋喇叭設(shè)計(jì)中非常重要的部分,主要作用是將TM11模和TE11模疊加形成HE11模,即實(shí)現(xiàn)TE11模向HE11模的轉(zhuǎn)換。輻射段用A2表示,用于傳輸平衡混合模式HE11模。A1,A2兩段的總長度即為喇叭天線的波紋總長度,θ為喇叭半張角,ai和ao分別為輸入半徑和輸出半徑。本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)為:中心頻率fc=34.64 GHz,半張角為15°,駐波比值 ≤1.2,副瓣電平值≤-30 d B。

1.2 波紋喇叭天線模變換段設(shè)計(jì)

當(dāng)喇叭的有效輻射口徑相同時(shí),與其他兩種槽比較而言,軸槽波紋喇叭的口面直徑較小,具有良好的輻射特性,且結(jié)構(gòu)緊湊,加工方便[4]。通常情況下,軸槽的設(shè)計(jì)適用于大張角波紋喇叭,而在小張角的波紋喇叭天線中很少用到。本文將利用軸槽的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn),將其應(yīng)用于模變換段的設(shè)計(jì)中,以減小波紋喇叭天線的縱向尺寸。

模變換段應(yīng)實(shí)現(xiàn)圓波導(dǎo)與輻射段的良好過渡,為簡便,模變換段A1中軸槽應(yīng)采用變槽深的設(shè)計(jì),可從λc/2至λc/4線性減小,且槽寬和齒寬分別與輻射段A2的槽、齒寬相同。在槽個數(shù)的設(shè)計(jì)上,分別研究了軸槽數(shù)目為2,3,4,5個時(shí)喇叭的輻射特性,并在HFSS中建模仿真,仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 槽數(shù)變化時(shí)的輻射特性

從圖中可以看出,當(dāng)軸槽數(shù)目為3,4,5個時(shí),主極化方向圖雖然對稱性良好但副瓣電平較大,基本在-5～-10 dB之間,當(dāng)槽數(shù)目為2個時(shí),E面、H面方向圖對稱性良好,E面的副瓣電平為-34 dB,H面的副瓣電平在-21 dB,明顯優(yōu)于其他槽數(shù)的輻射特性,因此本文將采用2個軸槽的模變換段結(jié)構(gòu),且第一個軸槽深為λc/2,第二個軸槽深為λc/4。

1.3 波紋喇叭天線輻射段設(shè)計(jì)

波紋喇叭天線的喇叭長度會對天線旁瓣和相位中心的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,因此其長度的設(shè)計(jì)不僅要考慮到工程應(yīng)用的需求,同時(shí)也要兼顧到成本和重量。通常情況下,喇叭的長度應(yīng)在5λc～10λc[5],我們?nèi)?λc,即A2段的長度為8λc。波紋喇叭天線的剖面線采用簡單的線型,這樣將利于加工。輻射段A2的槽深度將保持λc/4不變。理論上來說,喇叭天線的相對長度越長,槽周期則越大,天線的性能也就越好,但槽周期的增大會給實(shí)際加工帶來困難。為了找到合適的槽周期,對每個波長分別取3,4,5個槽周期來對波紋喇叭天線建模仿真。仿真結(jié)果顯示,3種情況下天線歸一化輻射方向圖的副瓣電平值均在-30 d B以下,滿足性能指標(biāo),但駐波性能存在優(yōu)劣性,如圖3所示。當(dāng)槽周期數(shù)為3個時(shí),天線駐波比完全在1.17以下且平坦度較好,駐波性能優(yōu)于其他兩種情況。綜合看來,波紋喇叭天線的槽周期數(shù)應(yīng)取3個,故喇叭輻射段的總槽數(shù)為24個。

圖3 變槽周期時(shí)駐波比仿真結(jié)果

2 波紋喇叭天線建模與仿真

將波紋喇叭天線的設(shè)計(jì)目標(biāo)與上述方法相結(jié)合,設(shè)計(jì)了Ka波段雙槽波紋喇叭天線,如圖4所示,并在仿真軟件HFSS中進(jìn)行建模計(jì)算,其中光滑圓波導(dǎo)A0的長度取為λc/2,天線的槽寬w和齒寬t之比取為4。

圖4 雙槽波紋喇叭天線建模

光滑圓波導(dǎo)的長度、波紋喇叭的槽寬和槽深會對其性能產(chǎn)生一定的影響。通常在初始設(shè)計(jì)時(shí),光滑圓波導(dǎo)的長度取為λc/2,槽寬和齒寬滿足關(guān)系w/(w+t)=(0.7,0.9),槽深取為λc/4。在實(shí)際工程應(yīng)用中,往往要求所設(shè)計(jì)的天線或饋源體積重量盡量小,結(jié)構(gòu)最優(yōu)[6]。為了得到最佳的波紋喇叭結(jié)構(gòu),對光滑圓波導(dǎo)的長度、槽寬w和槽深h進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,最終得到如圖5所示的仿真結(jié)果。

圖5 雙槽波紋喇叭天線仿真結(jié)果

從圖中可以看出,該雙槽波紋喇叭天線E面、H面輻射方向圖在-50°～50°的范圍內(nèi)基本重合,歸一化輻射電平較小,約為-20 dB,且方向圖對稱性良好。在所設(shè)計(jì)的Ka波段內(nèi),天線的駐波比較小,均在1.17以內(nèi),駐波性能良好。

3 波紋喇叭在卡塞格倫天線中的仿真應(yīng)用

通過設(shè)計(jì)得到的波紋喇叭天線具有較好的輻射特性和駐波特性,且結(jié)構(gòu)簡單,具有較小的橫、縱向尺寸,存在廣泛的應(yīng)用潛力。為了更加深入地研究波紋喇叭天線的性能,將該雙槽波紋喇叭天線作為饋源,應(yīng)用到卡塞格倫天線中。同時(shí),結(jié)合1.3節(jié)中天線輻射段的仿真結(jié)果,設(shè)計(jì)了一副傳統(tǒng)的單槽波紋喇叭天線,同樣作為饋源應(yīng)用卡塞格倫天線中。單槽波紋喇叭的槽周期數(shù)、總槽數(shù)及槽深、齒寬等結(jié)構(gòu)參數(shù)均與雙槽波紋喇叭相同,模變換段采用無槽光滑喇叭結(jié)構(gòu)。圖6為卡塞格倫天線建模圖。

圖6 卡塞格倫天線建模

圖7(a)顯示,當(dāng)單槽波紋喇叭作為饋源工作于卡塞格倫天線中時(shí),E面和H面方向圖在主波瓣方向已經(jīng)出現(xiàn)兩個明顯的峰值,且第一副瓣電平仍然較高,約為-4 dB,天線性能與指標(biāo)要求還存在較大差距。

從圖7(b)中可以看出,當(dāng)采用前文設(shè)計(jì)的雙槽波紋喇叭作為饋源時(shí),卡塞格倫天線E面和H面方向圖均具有較好的對稱性能和主極化性能,且二者在主極化方向上方向圖基本重合。方向圖的3 dB波束寬度較窄,約為1.2°。H面方向圖的第一旁瓣電平值約為-40 dB,但E面方向圖的第一旁瓣增益值還較大,約為-25 dB,存在一定的改善空間。

圖7 卡塞格倫天線仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

本文采用軸槽和直槽相結(jié)合的方法,設(shè)計(jì)了一種工作于Ka波段的新型波紋喇叭,并在此基礎(chǔ)上對該波紋喇叭進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。為了進(jìn)一步驗(yàn)證波紋喇叭的性能,將所設(shè)計(jì)的雙槽波紋喇叭與另一單槽波紋喇叭分別作為饋源,應(yīng)用到卡塞格倫天線中建模仿真。仿真結(jié)果表明,該雙槽波紋喇叭具有良好的輻射特性和駐波特性,而且天線結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化,作為饋源使用時(shí),卡塞格倫天線在主極化方向上的輻射性能良好。本文的設(shè)計(jì)方法能夠?qū)Σy喇叭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的理論指導(dǎo),所設(shè)計(jì)的雙槽波紋喇叭可應(yīng)用到其他反射面天線當(dāng)中。

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