Ka波段膜片加載曲線內(nèi)壁矩形喇叭天線

陳鐘榮，張 瑤，張 炎，劉子銳，韓 嘯

（南京信息工程大學(xué)，江蘇南京 210000）

0 引 言

饋源喇叭是反射面天線和多反射面準(zhǔn)光系統(tǒng)中的重要部件，具有增益高、駐波低、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)。近年來，波紋喇叭天線以其高效率、高斯波束饋源、良好的軸對稱性、低副瓣等優(yōu)點(diǎn)被廣泛研究[1-2]。但隨著頻率的增加，波紋喇叭天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度及成本顯著上升[3]，采用介質(zhì)加載賦形喇叭取代波紋喇叭，通過介質(zhì)實(shí)現(xiàn)喇叭內(nèi)場與自由空間的過度，改善口徑處的相位分布，提高輻射性能[4]。但喇叭天線增益與體積的取舍問題一直沒解決，兩段曲線組合成的光壁賦形喇叭的方向圖同樣具有低副瓣且更輕盈[5]，但兩段曲線優(yōu)化參數(shù)多，優(yōu)化效率低，設(shè)計(jì)難度高。本文采用高斯曲線光壁喇叭天線，高斯曲線沿波導(dǎo)端口平移而成的曲面。通過改變曲線輪廓對波導(dǎo)模進(jìn)行變換，有效地將輸入的主模轉(zhuǎn)換為與自由空間匹配的波束，縮小了天線的體積，在輻射喇叭結(jié)構(gòu)中加載反射膜片，提高波束寬度，有效地降低副瓣。

1 喇叭天線的曲面設(shè)計(jì)

喇叭天線由一段標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)傳輸線和逐漸張開的波導(dǎo)組成，末端不封閉完全張開[6]。喇叭天線內(nèi)部的場與標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)的輻射場相似，在兩部分連接處，由于導(dǎo)體連接不連續(xù)會產(chǎn)生高次模。張角越大，場分布差異就越大[7]。分析喇叭天線的輻射特性得分析喇叭天線的口徑場。一般波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)亩际侵髂鬏?，但是在波?dǎo)連接段由于口徑突然增大會激發(fā)產(chǎn)生高次模，前提假如只要喇叭的張角是漸變的，那么高次模都會在喇叭與波導(dǎo)附近衰減，所以默認(rèn)只有主模在喇叭內(nèi)傳播[8]。到達(dá)喇叭口面的場主要變化是沿波導(dǎo)寬邊方向的不同點(diǎn)到達(dá)的路徑不同而不同相[9]。對于饋源喇叭設(shè)計(jì)者來說，有很多賦形曲線可供選擇，如sinp、多項(xiàng)式及雙曲線等形式[10]，不同的賦形曲線喇叭輻射性能不同。內(nèi)壁曲線的不連續(xù)性會改變喇叭電壓的駐波比，連續(xù)的內(nèi)壁曲線可以獲得優(yōu)良的駐波比，本文設(shè)計(jì)的天線輻射結(jié)構(gòu)與波導(dǎo)相連，高斯曲線張角與標(biāo)準(zhǔn)角錐喇叭相比漸變平滑，而且其起始端點(diǎn)處導(dǎo)數(shù)為零，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)與喇叭口徑場的平滑過渡。曲線輪廓方程如下：

式中：Yi是矩形波導(dǎo)邊長的一半，Ka 波段采用WR42 型矩形波導(dǎo)（波導(dǎo)邊長10.886 mm，4.318 mm）；L是喇叭的長度；k是影響口徑面的參數(shù)。

根據(jù)球面波口徑面惠更斯原理[7]。通過目標(biāo)匹配法確定L和k的值，優(yōu)化后確定k=8，L=23.3 mm。圖1 為喇叭天線在中心頻率24.5 GHz 方向圖，增益為15.8 dB，E 面主瓣3 dB 波束寬度為29°，H 面主瓣3 dB 波束寬度為30.9°，副瓣電平-13.17 dB，圖2 顯示在整個(gè)頻率范圍內(nèi)駐波比低于1.2，輻射性能好。

圖1 曲面天線E面和H面方向圖Fig.1 Directivity diagram of curved antenna at E-plane and H-plane

圖2 曲面喇叭天線駐波比Fig.2 Standing wave ratio of curved horn antenna

2 曲面膜片加載喇叭天線的設(shè)計(jì)與仿真測試

膜片是插放在曲面輻射喇叭的端口與波導(dǎo)面之間，在圓柱形金屬膜片上開啞鈴型槽，天線結(jié)構(gòu)如圖3 所示，通過改變槽的尺寸來改善天線的阻抗匹配特性，采用目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化法，設(shè)反射系數(shù)低于-20 為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化得出膜片尺寸，圓柱形法蘭盤半徑為16 mm，厚度為1 mm，安裝固定天線，槽由兩圓柱孔和長方體槽組成，沿矩形膜片長邊中心點(diǎn)連線軸對稱，兩圓孔之間的中心距為3.4 mm，圓孔半徑為1.2 mm，連接兩圓型孔的矩形槽寬度為0.8 mm，槽結(jié)構(gòu)俯視圖如圖4 所示。

圖3 喇叭結(jié)構(gòu)側(cè)視圖Fig.3 Side view of horn antenna structure

圖4 加載膜片喇叭天線俯視圖Fig.4 Top view of horn antenna with diaphragm loading

利用HFSS 軟件對該膜片加載曲線內(nèi)壁矩形喇叭天線進(jìn)行仿真，得到該天線的反射系數(shù)曲線圖如圖5 所示。頻率范圍[11]為22.5～26.5 GHz 內(nèi)，天線的駐波比VSWR 小于1.8，當(dāng)頻率為24.5 GHz時(shí)加載膜片喇叭天線增益為15.3 dB，E 面波束寬度為31.55°，H 面為33.9°，副瓣電平低于-25 dB，相對于曲面喇叭天線，加載膜片增大了波束寬度，降低了副瓣電平，如圖6 所示。

圖5 膜片加載曲面喇叭反射系數(shù)Fig.5 Reflection coefficient of curved horn antenna with diaphragm loading

為證明這種新型饋源的性能，將曲線輪廓喇叭天線與一個(gè)同樣工作在22.5～26.5 GHz 經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)喇叭饋源進(jìn)行對比，如圖7，表1 所示。

圖6 膜片加載曲面喇叭方向圖Fig.6 Directivity diagram of curved horn antenna with diaphragm loading

圖7 膜片加載曲面喇叭天線與標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線E面方向圖Fig.7 Directivity diagram of curved horn antenna with diaphragm loading and horn antenna with standard gain at E-plane

表1 膜片加載曲面喇叭與標(biāo)準(zhǔn)增益角錐喇叭測試對比Table 1 Test comparison of curved horn antenna with diaphragm loading and pyramid horn antenna with standard gain

由圖7和表1 可得出以下結(jié)論：

1）膜片加載曲面喇叭比標(biāo)準(zhǔn)增益角錐喇叭長度縮短了25%，口徑面比標(biāo)準(zhǔn)增益角錐喇叭小了一半，相對來說體積減小。

2）膜片加載曲面喇叭天線的增益和波束寬度略大于傳統(tǒng)喇叭，較寬的波束寬度為后續(xù)加載反射面研究提供便利，能夠充分利用反射面。

3）膜片加載曲面喇叭的副瓣電平比標(biāo)準(zhǔn)喇叭的副瓣電平低9 dB，低副瓣電平能夠有效降低鄰近饋源之間的電磁干擾，有利于目標(biāo)信號的有效獲取。

3 結(jié) 論

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了膜片加載曲線內(nèi)壁矩形喇叭天線，比傳統(tǒng)喇叭天線體積小一半，輻射性能好，通過HFSS仿真軟件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真對比結(jié)果可以看出，天線在整個(gè)工作頻段內(nèi)電壓駐波比小于1.8，副瓣電平比主瓣低25 dB 以上，體積比傳統(tǒng)角錐喇叭天線縮短一半，波束寬度比角錐喇叭寬。該天線具有結(jié)構(gòu)簡單、易于加工、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，作為后續(xù)研究的偏饋反射面天線的饋源，具有參考意義和較高的工程推廣價(jià)值。