衛星便攜站饋源喇叭天線的研究和設計

吳　迪，李長勇，鄭　勇

(重慶通信學院 信息工程系，重慶 400035)

?

衛星便攜站饋源喇叭天線的研究和設計

吳迪，李長勇，鄭勇

(重慶通信學院 信息工程系，重慶 400035)

摘要：對衛星便攜站的饋源喇叭進行了研究，并設計了一款新結構的介質加載饋源喇叭天線，以替代該衛星便攜站原有的波紋喇叭饋源。該介質加載饋源喇叭天線的特點是結構簡單、組裝簡易、成本低廉。通過比較和分析，該天線具有增益高、反射小、交叉極化低、波束對稱及波瓣尖銳的優點，尤其是天線的口徑效率最高可達到95.7%。可見介質加載饋源喇叭非常適用于衛星便攜站的饋源以及卡塞格倫天線的初級輻射器。

關鍵詞：衛星便攜站；饋源喇叭天線；波紋喇叭；介質加載

0引言

衛星通信具有通信距離遠、容量大、質量好、可靠性高、保密性強及靈活機動等特點，在民用通信、軍事通信以及應急通信中都起著重要的作用[1]。衛星便攜站得到了廣泛的應用，它具有配置靈活、體積小、重量輕和便于攜帶的優點，特別適用于復雜環境下的通信聯絡，是重要的通信手段之一。常見的衛星便攜站饋源喇叭為Ku波段波紋喇叭天線，該饋源不僅價格昂貴，其結構相對復雜，加工精度要求較高，從而制約了衛星便攜站的發展。因此，研究一種可替代波紋喇叭的新型饋源喇叭天線勢在必行。

結合一個衛星便攜站饋源的性能和尺寸，設計了一種新結構的介質加載圓錐喇叭饋源，以替代原有的波紋喇叭饋源。本文對天線的性能進行了比較和分析，驗證了該饋源喇叭天線性能的優越性和可行性。

1天線的結構和原理

1.1衛星便攜站饋源的工作原理

在衛星通信中，要求饋源喇叭要具備低交叉極化、較小的漏溢和較大的口徑效率[2]。普通主模工作的喇叭，其口徑場相位成平方律分布，波束對稱性差，且E面和H面的相位中心差異較大，電磁波不能均勻的照射在反射面上，受口徑場相位偏差的影響，天線波束呈橢圓形截面[3]，所以不能夠直接用作衛星便攜站的饋源。波紋喇叭已成為當代高性能衛星通信、衛星電視和其他微波天線中照射器的主要模式，它波瓣對稱性好、交叉極化電平和副瓣電平低，頻帶較寬。波紋喇叭的結構特點是在喇叭的內壁上開許多波紋槽，起扼流圈的作用，達到改善喇叭天線波瓣對稱性并降低交叉極化的目的[4]，其缺點是加工困難，費用昂貴，特別是在毫米波以上的頻段內，波紋喇叭加工更加復雜。

介質加載喇叭天線具有結構簡單、原理簡明、易加工及成本低的優勢，因此得到了人們廣泛關注。大量關于介質環、介質棒、介質透鏡加載喇叭天線的研究不勝枚舉。SatohT在喇叭內壁加載薄介質片以引入不連續性，改變喇叭內部電場分布方式，從而改善了喇叭天線的輻射特性[5]。PhilipsB和ClarkPR研究在饋源喇叭內部填充錐體介質[6]，該結構的饋源雖然改善了波束對稱性、降低了交叉極化，但是由于天線等效口徑減小，增益明顯下降。可見，合理的加載介質體可以校正喇叭輻射場的相位分布，得到新結構的饋源喇叭天線。在圓錐喇叭內部加載帶有空氣缺口的圓錐體介質，并在圓錐底部連接一塊雙曲透鏡介質，即構成了新的介質加載圓錐喇叭天線，其結構如圖1所示。

圖1　介質加載圓錐喇叭天線結構示意圖

當天線工作頻率較高時，喇叭內部的電磁場向圓錐體介質匯聚[2]，從而導致喇叭E面和H面的場分布趨于對稱，兩主平面的相位中心也趨于重合。相位中心位置取決于喇叭的尺寸和張角。口徑面上平方律相差增加，相位中心向喇叭頂點方向移動[7]，故該喇叭相位中心可近似為頂點位置。雙曲透鏡介質的作用是把射入的球面波前在口徑前方校正為平面波前，使得喇叭方向性得到增強。

1.2喇叭形狀和介質材料

由某衛星便攜站的接收和發射頻率，可以確定饋源喇叭天線的上行工作頻率范圍為14.0～14.5 GHz，下行工作頻率范圍為12.25～12.75 GHz。為保證反射面的均勻照射，更準確的與衛星便攜站的波紋喇叭饋源進行比較，本文設計的介質加載喇叭口徑和張角與原波紋喇叭饋源保持一致。喇叭口徑D=2b=90 mm，總長度為67.2 mm，其中波導段長度24 mm，擴張段長度43.2 mm，張角θ=80.4°。選用國家標準型號波導BY120[8]，內徑中間值2a=17.475 mm的圓波導作為喇叭前端。該尺寸波導工作頻率為11.6～15.9 GHz。波導對各模式的截止頻率為：TE11模10 GHz，TM01模13.1 GHz，可見波導內只能傳輸主模TE11模和TM01模13.1 GHz以上的頻率，仿真時考慮3個高次模即可。該天線采用波導饋電，圓錐喇叭壁厚為1 mm。

1.3介質透鏡表面方程的設計

(1)

把最大張角點P2(0,b1)帶入上式，可計算出介質透鏡的厚度為d1。對式(1)簡化，最終推導出雙曲線方程式(3)如下：

d1=n(R1-L1)/(n-1)。

(2)

(3)

2天線的仿真和分析

2.1天線仿真模型建立

使用HFSS14.0對天線仿真，模型如圖2所示。饋源喇叭天線的下行工作中心頻率為12.5GHz，離散掃頻范圍12.25～12.75GHz，上行工作中心頻率為14.25GHz，離散掃頻范圍從14～14.5GHz。空氣盒子為矩形，邊界距離喇叭最近為λ/3，饋電端口類型為waveport。

圖2　天線仿真模型

2.2增益和口徑效率

介質加載喇叭饋源天線下行工作和上行工作時的增益變化曲線如圖3和圖4所示。可以看到，隨著工作頻率的升高，天線增益線性升高，增益最高可以達到22.4dB。這是因為頻率越高，越適合用光學方法來分析介質透鏡，分析結果也越準確。同時，頻率越高，空氣缺口里的電磁場向介質匯聚的能力就越強，可見介質加載饋源喇叭最適合工作在微波及以上的頻段。

圖3　上行工作時增益變化曲線

圖4　下行工作時增益變化曲線

使用常規的饋源喇叭，反射面天線的口徑效率約為50%～60%，而若采用波紋喇叭作為饋源可獲得75%～80%的口徑效率[12]。由式(4)可知[13]，天線口徑效率主要受增益和工作頻率的影響。在上行中心頻率時，天線口徑效率為95.7%，下行中心頻率時，天線口徑效率為89.9%。雖然在喇叭內部加載介質后，由于喇叭內壁與介質體之間具有空氣缺口，使得天線的等效口徑減小了2mm，但是由于喇叭天線在縱向長度得到補償，其增益和口徑效率均大幅度增強。由此可見，該介質加載饋源喇叭的口徑效率比原波紋喇叭饋源更具備優勢。

(4)

2.3交叉極化

饋源喇叭天線在接收和發射中心頻率點時的歸一化輻射波瓣圖如圖5所示。從圖中可看到該天線交叉極化峰值電平均小于-50dB，旁瓣電平較低。天線主瓣較尖銳，且E面和H面波束幾乎重合。該天線E面和H面主瓣寬度在12.5 GHz時分別為15.7°和16.3°，在14.25 GHz時分別為14.2°和14.4°。隨著頻率升高，波束對稱性得到改善，主瓣更加尖銳。

圖5　天線的輻射波瓣圖

2.4電場分布

天線E面和H面的電場強度瞬時值分布圖如圖6所示。從圖中可以看到喇叭內部電場在空氣缺口中逐漸向介質體匯聚，使得E面和H面的輻射場分布趨于對稱，兩主平面相位中心趨于重合。由于在喇叭內部填充了介質，其電場逐漸向介質匯聚，空氣缺口里的電場逐漸減小，在喇叭口徑處完全消失。喇叭內部介質體中的電磁場傳輸到喇叭口附近時，E面電場和H面電場非常對稱，使得2個面的相位中心趨于重合，波束對稱性較好。經過介質透鏡的折射，輻射出去的電磁場相位得到校正。并且在喇叭和透鏡的結合處反射非常小，由仿真結果可知，天線的回波損耗在整個頻帶內均<-20 dB，滿足衛星便攜站的要求。

圖6　介質加載饋源喇叭E面電場瞬時值

圖7　介質加載饋源喇叭H面電場瞬時值

3結束語

結合一個衛星便攜站饋源的性能和尺寸，設計了一款新結構的介質加載圓錐喇叭饋源天線，以替代原波紋喇叭饋源。該介質加載饋源喇叭天線結構簡單、成本低，完全可以做到自主研發及生產。通過分析和比較，找到了介質加載喇叭天線性能隨工作頻率變化的規律。由此可見，通過在喇叭內部加載帶有空氣缺口的介質體，可以校正喇叭口徑場相位，使得喇叭天線在口徑處輻射平面波，天線的方向性和口徑效率均得到大幅度增強。介質加載饋源喇叭天線還可以獲得非常對稱的輻射波瓣圖，并且具備主瓣尖銳、副瓣較小、低反射及低交叉極化的優點。該天線在性能上可替代常見的波紋喇叭，且非常適用于衛星便攜站的饋源以及卡塞格倫天線的初級輻射器。

參考文獻

[1]劉國梁，榮昆璧.衛星通信[M].西安:西安電子科技大學出版社,2001.

[2]林昌錄,聶在平.天線工程手冊[M].北京:電子工業出版社,2002.

[3]謝處方,邱文杰.天線原理與設計[M].西安：西北電訊工程學院出版社,1985.

[4]約翰.克勞斯.天線(第3版)[M].章文勛，譯.北京:電子工業出版社,2012.

[5]Potter P D.A New Horn Antenna with Suppressed Sidelobes and Equal Beamwidth[J].Microwave journal,1963,6(6):71-78.

[6]Philips B,Olver A D.Design and Performance of Profiled Dielectric Loaded Horns,Microwaves,Antennas and Propagation[J].IEEE Proceedings,1994,141(5):337-341.

[7]林昌祿.近代天線設計[M].北京:人民郵電出版,1990.

[8]GB 11450.4-89,空心金屬波導( GB 11450.4-89，Hollow Metallic Waveguides)[S],1989.

[9]Tan C Y,Selvan K T.The Metallic Cone-Sphere-Inserted Conical Horn as an Alternative to the Dielectric-Loaded Conical Horn[C]∥Applied Electromagnetics Conference,2009:1-4.

[10]Dielectric Properties of ROHACELL IG,A,HF[EB/OL] http:∥www.rohacell.cn/product/rohacell/en/products-services/rohacell-hf/Pages/default.aspx.

[11]WU Di,FENG Zheng-he,LIU Wei.A Novel Conical Horn Antenna Loaded with Ball Cone Dielectric[C]∥Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation,2014:631-634.

[12]巴拉尼斯.天線理論-分析與設計下冊[M].鐘順時,任凱湘,譯.北京:電子工業出版社,1988.

[13]Vali M S H,Rama R T.Concave Lens Integrated Conical Horn at 60 GHz for Energy Efficient Wireless Applications[C]∥Advances in Computing,Communications and Informatics(ICACCI),2013 International Conference on，2013:1491-1495.

Research and Design on Feed Horn Antenna of Portable Satellite Station

WU Di,LI Chang-Yong,ZHENG Yong

(Information Engineering Department,Chongqing Communication Institute,Chongqing 400035,China)

Abstract：A type of portable satellite station feed horn antenna is studied.A novel feed horn antenna loaded with dielectric is designed in order to replace the original corrugated horn antenna.The feed horn antenna loaded with dielectric is characterized by simple structure,easy assembly and low cost.Through comparison and analysis,the proposed antenna has such advantages as high gain,small reflection,low cross-polarization level,symmetrical beam,and sharp lobe.In particular,the antenna aperture efficiency can be up to 95.7%.Therefore the feed horn antenna loaded with dielectric is a perfect candidate for portable satellite station and primary radiator of Cassegrain antenna.

Key words：portable satellite station;feed horn antenna;corrugated horn;dielectric load

中圖分類號：TN 820.1

文獻標志碼：A

文章編號：1003-3114(2016)03-59-4

作者簡介：吳迪(1984—)，男，碩士，教員，主要研究方向：微波通信與智能天線。李長勇(1970—)，男，博士，副教授，主要研究方向：超寬帶無線通信技術、天線技術。

收稿日期：2016-01-20

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.16

引用格式：吳迪，李長勇，鄭勇.衛星便攜站饋源喇叭天線的研究和設計[J].無線電通信技術,2016,42(3):59-62.