一種X/Ku/Ka三頻波紋喇叭的設(shè)計(jì)

曹國(guó)光， 吳建明

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

一種X/Ku/Ka三頻波紋喇叭的設(shè)計(jì)

曹國(guó)光， 吳建明

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

介紹了一種應(yīng)用于X/Ku/Ka三頻的波紋喇叭設(shè)計(jì)，該喇叭分別工作于8.6 GHz-9.5 GHz；15.7 GHz-17.7 GHz；33 GHz-36 GHz。波紋喇叭由輸入段、模轉(zhuǎn)換段、變角段和輻射段組成，其中模轉(zhuǎn)換段采用環(huán)加載的形式。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的天線電氣性能優(yōu)良，具有良好的實(shí)用性。測(cè)試結(jié)果表明波紋喇叭具良好的輻射特性。

波紋喇叭；X頻段；Ku頻段；Ka頻段

圓錐波紋喇叭由于良好的波束旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性、低交叉極化電平等性能被廣泛的用作反射面天線的饋源。 但是一般傳統(tǒng)的波紋喇叭帶寬一般在2∶1左右。 本文結(jié)合某項(xiàng)目需求，設(shè)計(jì)了一種X/Ku/Ka三頻波紋喇叭，整體頻帶帶寬跨度達(dá)到4∶1。

并采用商用軟件Champ進(jìn)行了仿真計(jì)算和實(shí)際加工測(cè)試。給出了仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果。

1 設(shè)計(jì)輸入

該喇叭工作頻率范圍：

(1)X頻段：8.6 GHz-9.5 GHz；(2)Ku頻段：15.7 GHz-17.7 GHz；(3)Ka頻段：33 GHz-36 GHz;(4)饋源照射角：17°。

2 參數(shù)設(shè)計(jì)

由于技術(shù)要求高，工作頻段寬，所以采用四段法設(shè)計(jì)，也就是波紋段分為輸入錐削段、模轉(zhuǎn)換段、過渡段(變頻段、變角段)、輻射段。喇叭工作在兩個(gè)頻段上，最高頻和最低頻相差4倍以上，通過分析，幾個(gè)頻段相對(duì)帶寬都不寬，而且頻率配置比較合適，可以采用單槽波紋方式，利用波紋壁導(dǎo)納的周期性實(shí)現(xiàn)雙頻共用，同時(shí)由于第二周期導(dǎo)納變化較快，特別注意以高頻段性能為主，比如選定平衡混和頻率即以高頻為主，利用高頻導(dǎo)納為零進(jìn)行選取，同時(shí)兼顧低頻性能，盡量減少負(fù)導(dǎo)納。由于頻帶太寬，模轉(zhuǎn)換器無法工作于單模區(qū)，所以需要采取各種措施對(duì)高頻段喇叭高次模加以抑制，設(shè)計(jì)的原則是盡量減少高次模的激勵(lì)，光壁段采用圓弧曲線減少不連續(xù)性，模轉(zhuǎn)換器內(nèi)壁為正弦曲線，入口與光壁段切線連續(xù)，出后張角為零，變頻段張角為零，變角段為圓弧短，降低高次模的激勵(lì)，為獲得寬頻特性，需要喇叭口面相差大于0.75π，需要喇叭口徑和張角加大，為獲得高照射效率，輻射段張角一般不得大于照射角，綜合考慮取15°，取喇叭口半徑為75mm，得到口面光程差為9.87mm，相差為：f=8.6GH時(shí)0.57π，f=36.00GH時(shí) 2.34π，考慮到副面位于近場(chǎng)，基本滿足寬頻帶饋源要求。

首先進(jìn)行輸入錐削段(光壁過渡段)的設(shè)計(jì)，此段要保證微波網(wǎng)絡(luò)和波紋喇叭的銜接，主要技術(shù)要求是尺寸小，平滑過渡，不激勵(lì)高次模，微波網(wǎng)絡(luò)出口尺寸為Φ23mm，設(shè)計(jì)得光壁過渡段入口為Φ23mm，由于是雙頻共用，模轉(zhuǎn)換器在保證駐波比情況下尺寸應(yīng)該盡量小，同時(shí)考慮到入口電尺寸太小可能造成駐波比不好，則模轉(zhuǎn)換器入口為24mm，取fi=8.6*1.15=9.89GHz，kia=2.48，為減小過光壁渡段長(zhǎng)度同時(shí)保證波導(dǎo)內(nèi)壁曲線導(dǎo)數(shù)連續(xù)，經(jīng)過綜合考慮采用圓弧過渡，模轉(zhuǎn)換器出口取出口尺寸為Φ33.56，kia=3.38。具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

(1)光壁過渡段

入口半徑：ai=11.5mm;出口半徑：a1=12mm；長(zhǎng)度：Z0=10mm；

模轉(zhuǎn)換器入口張角：θ=2tg-1((a1-ai)/Z0)=5.72481045°；圓弧半徑：R=(a1-ai)/(1-cosθ)=100.25mm。

(2)模變換器

入口半徑：a1=12mm；出口半徑：a2=16.78mm；長(zhǎng)度：Z1=75mm；周期：P=2.5mm；加載槽槽底槽寬：W=1.8mm；內(nèi)徑：a=a1+(a2-a1)*sin(π*z/2/z1)；槽口寬度：bi=0.1+1.7×(i-1)/29；加載槽槽深：d1=6.75+(7.2-6.75)*(i-1)/29；加載槽深：hi=5.76mm。

(3)變頻段

初始頻率：fi=33GHz；變頻頻率：f0=35GHz；槽寬：W=1.8mm；內(nèi)徑：a=a3+z*tgθ；入口半徑：a3=16.78mm；出口半徑：a4=16.78mm；長(zhǎng)度：Z2=50mm；周期：P=2.5mm。

(4)變角段

入口半徑：a5=16.78mm；出口半徑：a6=23.36924mm；平衡混合頻率： f0=35GHz；長(zhǎng)度：Z3=50mm；周期：P=2.5mm；槽寬：W=1.8mm。

(5)喇叭輻射段

圖1 三頻喇叭示意圖

入口半徑：a7=23.37mm；出口半徑：ah=75.62mm；長(zhǎng)度：Z3=195mm；周期：P=2.5mm；槽寬：W=1.8mm；半張角：θh=15°；槽口半徑：ai=a7+P×(i-1)tgθh；平衡混合頻率： f0=35GHz；相位中心離口面距離220mm。

三頻喇叭示意圖如圖1所示。

3 仿真計(jì)算

分別采用兩種商用軟件champ對(duì)饋源建立模型，進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算饋源幅度和相位方向圖，以及饋源的回波損耗。如圖2～圖5所示。

圖2 饋源方向圖仿真結(jié)果(X頻段)圖3 饋源方向圖仿真結(jié)果(Ku頻段)

圖4 饋源方向圖仿真結(jié)果(Ka頻段)圖5 駐波仿真結(jié)果

由仿真分析結(jié)果可得：

a) 饋源在X頻段內(nèi)回波損耗≥23dB，即電壓駐波比≤1.15；滿足設(shè)計(jì)需求，在Ku和Ka頻段內(nèi)的駐波均在1.05以內(nèi)，故沒有列出仿真結(jié)果。

b) 當(dāng)ψ=17°時(shí)，照射電平約為-10dB～-20dB之間，能夠保證良好照射。

c) E面與H面的方向圖等化較好。

4 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)喇叭進(jìn)行了加工測(cè)試，喇叭外形圖如圖6所示。

圖6 喇叭外形圖

加工完成后在微波暗室對(duì)該波紋喇叭的輻射特性進(jìn)行了測(cè)試，如圖7～圖9所示。測(cè)試結(jié)果表明：該波紋喇叭在三個(gè)頻段內(nèi)均具有較好的圓對(duì)稱的輻射特性，滿足項(xiàng)目使用要求。

圖7 饋源方向圖測(cè)試結(jié)果(X頻段)

圖8 饋源方向圖測(cè)試結(jié)果(Ku頻段)

圖9 饋源方向圖測(cè)試結(jié)果(Ka頻段)

5 結(jié)束語

通過對(duì)三頻波紋喇叭需要的分析，在喇叭的各個(gè)組成段均給出了合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)了一種能夠同時(shí)工作在X/Ku/Ka三個(gè)頻段的波紋喇叭。仿真結(jié)果表明，該波紋喇叭電性能優(yōu)良，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果吻合良好。此波紋喇叭已用于某7.3m車載天線中。

[1] 楊可忠，楊智友，章日榮,等.現(xiàn)代面天線新技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，1993.

An design of X/Ku/Ka tri-band corrugated horn

CAO Guo-guang,WU Jian-ming

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

This paper presents a corrugated horn design for X/Ku/Ka triples, which operate at 8.6GHz-9.5GHz; 15.7GHz-17.7GHz; 33GHz-36GHz. The corrugated speaker consists of an input section, a mode conversion section, a variable angle section and a radiation section, wherein the mode conversion section is in the form of a ring loading. Simulation and experimental results show that the design of the antenna electrical performance is excellent, with good practicality. The test results show that the corrugated horn has good radiation characteristics.

Corrugated horn;X-band;Ku-band;Ka-band

2017-01-10

曹國(guó)光(1985-)，男，工程師,主要研究方向：天線電氣設(shè)計(jì).

1001-9383(2017)01-0035-05

TN823

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