低交叉極化波紋喇叭天線設(shè)計

張榮蜀，逯貴禎，殷紅成，白楊

(1.中國傳媒大學，北京 100024；2.北京環(huán)境特性研究所，北京 100854)

1 引言

饋電喇叭天線被廣泛應(yīng)用于微波遙感、衛(wèi)星以及廣播通信等領(lǐng)域，它有著低交叉極化特性、高增益、寬頻帶以及對稱的輻射特性等特點。尤其是交叉極化特性決定了天線的有用帶寬，而有用帶寬則決定了所有輻射參數(shù)能滿足性能要求的頻段。通過使用兩個正交的極化，可以充分利用有限的頻段。

Hiroyuki Deguchi提出了一種新型的墻壁結(jié)構(gòu)的且包含有曲線輪廓的喇叭天線，并研究了口徑場幅度的影響，其對測量的精度要求較高[1]。Jorge Teniente設(shè)計了一種寬頻帶波紋喇叭天線，其帶寬為9-16GHz，但隨著頻率提高，其副瓣變大[2]。Sajid Muhaimin Choudhury設(shè)計了X波段的口徑匹配喇叭天線，從理論上分析了其共極化和交叉極化分量，但加工難度較大[3]。K B Parikh針對非對稱正弦輪廓喇叭天線進行參數(shù)分析，給出了具體的設(shè)計[4]。Joshua M Kovitz對緊湊型曲線輪廓的喇叭天線進行了優(yōu)化從而獲得了較高的增益但波束寬度角窄[5]。Jorge Teniente給出了設(shè)計包含水平波紋和垂直波紋的喇叭天線的指導性建議[6]。Haas Alexander[7]等人設(shè)計了一種用于雷達領(lǐng)域的波紋喇叭天線，其E面和H面波束寬度相近。U Schwerthoeffer[8]提出一種基于高斯波束的高性能波紋喇叭天線的設(shè)計方法，其相對帶寬能到達40%。Niraj Tevar對比了不同的波紋喇叭天線設(shè)計，研究了高斯輪廓的波紋喇叭天線性能[9]。

本文設(shè)計優(yōu)化了一種頻段為6-9GHz的波紋喇叭天線，并進行仿真及實物加工。仿真以及實際測量的結(jié)果顯示，其在目標頻段內(nèi)，在φ=45°時有著較低的交叉極化。

2 天線設(shè)計

對于錐形喇叭天線，為了得到具有高純極化分量的喇叭天線，通常采用一定的幾何結(jié)構(gòu)將TE11和TM11的圓波導模式進行混合，得到具有純極化的場分布混合模式H11，如圖1所示。

圖1 圓波導天線模式工作原理

獲取混合模式H11的天線幾何結(jié)構(gòu)有許多不同的實現(xiàn)方式，有些通過改變喇叭天線輪廓，有些通過引入溝槽?？紤]到加工誤差對天線性能的影響，本文采用垂直與水平溝槽組合的方法實現(xiàn)具有低交叉極化分量的喇叭天線。

圖2 高性能天線設(shè)計原理

該天線對于加工誤差具有較好的容忍度，同時具有很好的極化特性。

天線設(shè)計如圖2所示，分為垂直部分和水平部分。其中Ri代表內(nèi)徑，pH，pV分別是水平波紋和垂直波紋的周期寬度，tV，tH是皺狀齒寬度，dV和dH是波紋槽深度。為了得到更低的交叉極化水平，pH的值一般取λfmax/8到λfmax/5之間。水平波紋槽深度dH為λfmin/4到λfmin/3，對于垂直波紋，pV的取值范圍通常是λfmax/5到λfmax/3，dV通常在λfmim/5到λfmin/3之間。通常情況下，水平槽深度dH要大于垂直槽深度dV。本文采用pH=6.3 mm，Ri=38.1 mm，D=67mm，L=108mm。無線輪廓見圖3，具體設(shè)計參數(shù)見表1。

圖3 波紋喇叭天線輪廓

VariableValueRi0.381λfmindH0.31λfmintH0.45pHdV0.274λfmintV0.5pVLH56.2mmRH0.84λfminpV0.258λfmaxpH0.189λfmax

喇叭天線的激勵模式為TE11模式，該模式下輻射遠場可表示為：

(1)

(2)

其中Eco和Ecr分別表示共極化分量和交叉極化分量，通過上式，可獲得天線的交叉極化特性。

3 測量與仿真

首先利用CST對上文設(shè)計的天線進行仿真并加工實物進行測試。圖4是波紋喇叭天線的天線駐波比，在6-9GHz范圍內(nèi)，低于1.5。圖5、圖6顯示的是頻率f=6GHz和8GHz時，仿真與實測進行歸一化后的結(jié)果，其中COM、CRM分別是喇叭天線共極化分量和交叉極化分量的測量值，COS、CRS分別是喇叭天線共極化分量和交叉極化分量的仿真結(jié)果。

由圖5、圖6可知，在預期頻段內(nèi)，波紋喇叭天線的仿真結(jié)果與實測結(jié)果較為符合。其中在6GHz時，在0°<θ<25°范圍內(nèi)，天線的交叉極化水平低于-30dB。頻率f=8GHz時，測試值要好于仿真結(jié)果，能保證在0°<θ<25°范圍內(nèi)，天線的交叉極化水平低于-25dB。

圖4 低交叉極化喇叭天線輸入駐波比

圖5 f=6GHz時，喇叭天線的共極化分量和 交叉極化分量的仿真與實測結(jié)果

圖6 f=8GHz時，喇叭天線的共極化分量和 交叉極化分量的仿真與實測結(jié)果

4 結(jié)論

針對6-9GHz頻段的波紋喇叭天線進行了設(shè)計與優(yōu)化，仿真與實測結(jié)果顯示，該天線在φ=45°時能提供較低的交叉極化特性，且在相對較寬的頻帶中，也能保持較低的交叉極化水平。