具有雙槽結(jié)構(gòu)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(wèi)星通信技術(shù)的飛速發(fā)展，衛(wèi)星通信天線已經(jīng)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(shù)的發(fā)展。目前，波紋喇叭已經(jīng)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(tǒng)的模變換器設(shè)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(jié)構(gòu)模變換器，其每個周期由一個環(huán)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(jié)構(gòu)模變換器，而實際波紋喇叭設(shè)計中，模變換器是具有一定角度的。針對具有張角的雙槽結(jié)構(gòu)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(chǔ)上，設(shè)計出性能優(yōu)良的Ku/Ka雙頻段波紋喇叭。

1 雙頻段波紋喇叭的設(shè)計

通常波紋喇叭由四段結(jié)構(gòu)組成，分別是光壁段、模變換段、過渡段和輻射段［3］。本節(jié)對喇叭的輻射段、過渡段和光壁段進行了設(shè)計。

1.1 喇叭的口面參數(shù)

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(yōu)口面參數(shù)的步驟如下:

首先，根據(jù)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(jù) HE11模輻射場幅度等值線數(shù)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(jīng)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(diào)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(yōu)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(nèi)。

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(xiàn)這些參數(shù)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(nèi)壁曲線采用曲率半徑為常數(shù)的圓弧，在圓弧上同時實現(xiàn)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(shè)計實例中也證明其可行性。

指視野中垂直范圍內(nèi)所能清晰觀察到的物象界限。當不用微調(diào)就能看清楚一個物像的平面及上下結(jié)構(gòu)，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(xiàn)良好的匹配［4］?？紤]到下節(jié)中對模變換器不同角度研究的需要，光壁段的內(nèi)壁曲線采用正弦平方曲線，這種曲線僅需調(diào)整其中的參數(shù)，即可實現(xiàn)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(shù)，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(jié)構(gòu)模變換器的張角

模變換器是波紋喇叭中關(guān)鍵的一段，決定著TE11模轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)模變換器的張角，對高次模，尤其是EH12模會產(chǎn)生顯著的激勵。這些高次模對回波損耗產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)對喇叭的光壁段和變角段的設(shè)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(chǔ)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(yōu)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(nèi)徑會發(fā)生變化，對模變換器中的槽導納產(chǎn)生影響。

在模變換器的角度為6°時，調(diào)整槽參數(shù)，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(jié)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(yōu)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(diào)整模變換器入口槽導納的值，可以實現(xiàn)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(shè)計實例

設(shè)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(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。光壁段內(nèi)壁曲線采用正弦平方曲線;模變換器采用雙槽結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(yōu)于22 dB(電壓駐波比VSWR＜1.17);在11.7～14.5 GHz，回波損耗優(yōu)于27 dB(電壓駐波比VSWR＜1.1);在19.6～31 GHz，回波損耗優(yōu)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(nèi)，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(shè)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(yōu)于22 dB，在Ka頻段優(yōu)于30 dB，交叉極化優(yōu)于20 dB。

圖4 輻射方向圖

4 結(jié)束語

從饋源的輻射性能出發(fā)，優(yōu)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(jié)構(gòu)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(shè)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(yōu)于22 dB，在Ka頻段優(yōu)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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