一種低副瓣波紋喇叭天線的設計與實現

常興華

（92941部隊，遼寧葫蘆島125003）

圓錐喇叭既可以獨立當作天線使用，又可以作為衛星通信和射電望遠鏡的饋源[1-2]。當作為獨立天線使用時，利用其寬頻帶、低副瓣、結構簡單等優點，可以用于測量校準其他天線[3-4]。當作為反射面天線饋源使用時，饋源的性能直接影響整體反射面天線的技術指標。因此，要求饋源具有穩定的相位中心、對稱的初級方向圖和低的副瓣，用以提高增益、降低交叉極化和副瓣[5-7]。

在天線設計過程中，通常通過在喇叭天線壁上設計波紋[8]，防止表面電流從邊緣流動得到外部形成衍射，從而改善方向圖，減小交叉極化[9-10]。

圓波導喇叭的軸對稱性使其能夠處理任何極化激勵，包括圓極化。為了得到線極化，可以使用單個同軸探針或波導饋電[11-13]。

圓錐波紋喇叭天線具有旋轉對稱的機械結構。通過正交方式進行饋電，可形成并饋雙極化或圓極化天線[14-15]。

在車載通信系統中，為縮減天線體積，減小旁瓣干擾，須要增益高、副瓣低的喇叭天線作為車載通信天線的饋源。本文提出了一種采用高斯分布的波紋喇叭饋源設計方案，其孔徑內部張角較小，具有較高的增益和輻射效率，交叉極化電平低，且相位中心不隨頻率變化。

1 波紋喇叭天線的結構與原理

天線由圓波導管、喉部、模式轉換器和高斯分布的紋波槽構成的輻射器所組成[16]。

喉部為光滑波導，線性過渡到轉換器。其中，轉換器部分中的波紋槽從最大頻率處的大約1/2波長的初始值到中心頻率處的1/4波長的深度逐漸減小。模式轉換器后面跟著一個直線相位部分，然后饋送到高斯輪廓部分。超出模式轉換器的槽深度都是相同的深度。設計的槽和脊的寬度比恒定在4 ∶1。在最大頻率處具有1/4 的節距（槽寬+脊寬）。天線組成結構如圖1所示。

圖1所示為錐形過渡和模式轉換器的波紋槽。T表示脊寬；W 表示槽寬；H 表示槽深；R 表示模式轉換與軸向夾角；P=T+W ，表示槽距；a0是根據增益確定的喇叭輻射口面直徑。

圖1 高斯波紋喇叭結構圖Fig.1 Structure diagram of Gaussian corrugated horn

為了保證喇叭天線整體結構緊湊，在喇叭輸入端增加雙極化同軸波導轉換器，用于饋電[17]。

同軸正交饋電結合了波導同軸適配器和OMT（正交模變換器）綜合設計方法。端口1、端口2、短路面、隔離針結構圖如圖2所示。

輸入圓波導半徑的選擇，應該避免激發高次模，帶來回波損耗突變和輻射方向圖變形。設計時，須要根據工作頻率要求進行選擇[18]。

短路面與端口之間距離小于λ/4，50 Ω 同軸輸入，探針長于波導內壁表面約λ/8；隔離針主要用于提高端口1和端口2之間的隔離度和匹配。

圖2 同軸波導饋電結構圖Fig.2 Structure diagram of coaxial waveguide feed

2 天線參數設計與建模

波紋喇叭設計過程如圖3 所示。首先，根據設計指標（頻率、增益和旁瓣）確定天線的模式和波紋槽的形式；然后，設計喉部、模式轉換器和輻射器的具體結構參數（如圓波導直徑、轉換槽數量、孔徑張角等）；隨后，用仿真軟件進行天線方向圖仿真和具體指標計算，如果不滿足指標，則返回進行相關結構參數的優化，直到滿足要求后進行結果的輸出。

圖3 波紋喇叭天線設計流程框圖Fig.3 Block diagram of corrugated horn antenna design process

按照前述設計方法，進行了波紋喇叭天線設計：具體指標為工作頻率34～36 GHz，增益20 dBi，旁瓣小于-23 dB。

根據前述設計步驟，可以計算各參數如下：T=0.35 mm ，W=1.5 mm ，H=1.65 mm ，R=25°。高斯分布槽數為18 個，模式轉換器槽數11 個。天線輻射口徑D=40 mm，輸入圓波導直徑為6 mm。

3 仿真和測試結果

根據上述參數，使用CST STUDIO SUITE 2018三維全波電磁場仿真軟件天線工作室模塊建立的喇叭仿真模型如圖4 所示。仿真頻率設置范圍為31～38 GHz ，尺寸單位為mm ，頻率分別為34 GHz 、35 GHz、35.5 GHz、36 GHz。模型建立和仿真使用直角坐標系，如圖4 所示。天線軸向線和相對坐標系中W(Z)軸一致，輻射邊界如圖5所示。不設置對稱面，網格設置為20/λ（λ 為中心頻率波長）。使用T（時域）求解器計算仿真結果如圖6、7所示。

從仿真結果可以看出，天線增益和方向圖滿足設計要求，方向圖E面、H面的對稱性相差1°左右，第一副瓣隨著頻率的升高而變差。這是高斯輻射面和模式轉換器過度緊湊的結構帶來的不利結果，即由于高階模式的激勵，使得旁瓣抬高。

圖4 仿真模型Fig.4 Simulation model

圖5 CST輻射邊界設置Fig.5 CST Radiation Boundary Setting

圖6 喇叭天線H面方向圖Fig.6 H-plane pattern of horn antenna

圖7 喇叭天線E面方向圖Fig.7 E-plane pattern of horn antenna

根據前述仿真模型加工的實物如圖8 所示，對其進行性能測試。測試在微波遠場暗室進行，測試設備為網分8 722 D，駐波如圖9 所示，方向圖如圖10 所示，測試數據如表1所示。

圖8 喇叭實物照片Fig.8 Photograph of the fabricated horn

圖9 駐波比測試結果Fig.9 VSWR measured results

圖10 喇叭測試方向圖Fig.10 Horn measured pattern

表1 喇叭測試增益Tab.1 Horn measured gain

測試結果表明，實測結果與仿真結果符合較好。天線駐波比在全工作帶寬內小于1.5。方向圖在主瓣的E 面和H 面具有良好對稱性，遠區副瓣的不對稱是饋電波導和模式變換部分同軸度超出了公差要求，導致高次模激勵造成的。

4 結論

本文介紹了一種低副瓣波紋喇叭天線的設計，根據上述方法設計了一款Ka 波段波紋喇叭。實測表明，根據上述方法設計的喇叭天線具有指標優異、結構小巧緊湊的特點，適合便攜式通信設備應用，設計成果已經成功用于某型實際裝備中。