一種低副瓣波紋喇叭天線的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

常興華

（92941部隊，遼寧葫蘆島125003）

圓錐喇叭既可以獨(dú)立當(dāng)作天線使用，又可以作為衛(wèi)星通信和射電望遠(yuǎn)鏡的饋源[1-2]。當(dāng)作為獨(dú)立天線使用時，利用其寬頻帶、低副瓣、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，可以用于測量校準(zhǔn)其他天線[3-4]。當(dāng)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(shù)指標(biāo)。因此，要求饋源具有穩(wěn)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(shè)計過程中，通常通過在喇叭天線壁上設(shè)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(dǎo)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(dǎo)饋電[11-13]。

圓錐波紋喇叭天線具有旋轉(zhuǎn)對稱的機(jī)械結(jié)構(gòu)。通過正交方式進(jìn)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(tǒng)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(shè)計方案，其孔徑內(nèi)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(jié)構(gòu)與原理

天線由圓波導(dǎo)管、喉部、模式轉(zhuǎn)換器和高斯分布的紋波槽構(gòu)成的輻射器所組成[16]。

喉部為光滑波導(dǎo)，線性過渡到轉(zhuǎn)換器。其中，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的槽深度都是相同的深度。設(shè)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(jié)距（槽寬+脊寬）。天線組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1所示為錐形過渡和模式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換與軸向夾角；P=T+W ，表示槽距；a0是根據(jù)增益確定的喇叭輻射口面直徑。

圖1 高斯波紋喇叭結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of Gaussian corrugated horn

為了保證喇叭天線整體結(jié)構(gòu)緊湊，在喇叭輸入端增加雙極化同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，用于饋電[17]。

同軸正交饋電結(jié)合了波導(dǎo)同軸適配器和OMT（正交模變換器）綜合設(shè)計方法。端口1、端口2、短路面、隔離針結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

輸入圓波導(dǎo)半徑的選擇，應(yīng)該避免激發(fā)高次模，帶來回波損耗突變和輻射方向圖變形。設(shè)計時，須要根據(jù)工作頻率要求進(jìn)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(dǎo)內(nèi)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(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of coaxial waveguide feed

2 天線參數(shù)設(shè)計與建模

波紋喇叭設(shè)計過程如圖3 所示。首先，根據(jù)設(shè)計指標(biāo)（頻率、增益和旁瓣）確定天線的模式和波紋槽的形式；然后，設(shè)計喉部、模式轉(zhuǎn)換器和輻射器的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)（如圓波導(dǎo)直徑、轉(zhuǎn)換槽數(shù)量、孔徑張角等）；隨后，用仿真軟件進(jìn)行天線方向圖仿真和具體指標(biāo)計算，如果不滿足指標(biāo)，則返回進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，直到滿足要求后進(jìn)行結(jié)果的輸出。

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

按照前述設(shè)計方法，進(jìn)行了波紋喇叭天線設(shè)計：具體指標(biāo)為工作頻率34～36 GHz，增益20 dBi，旁瓣小于-23 dB。

根據(jù)前述設(shè)計步驟，可以計算各參數(shù)如下：T=0.35 mm ，W=1.5 mm ，H=1.65 mm ，R=25°。高斯分布槽數(shù)為18 個，模式轉(zhuǎn)換器槽數(shù)11 個。天線輻射口徑D=40 mm，輸入圓波導(dǎo)直徑為6 mm。

3 仿真和測試結(jié)果

根據(jù)上述參數(shù)，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(shè)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(biāo)系，如圖4 所示。天線軸向線和相對坐標(biāo)系中W(Z)軸一致，輻射邊界如圖5所示。不設(shè)置對稱面，網(wǎng)格設(shè)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(jié)果如圖6、7所示。

從仿真結(jié)果可以看出，天線增益和方向圖滿足設(shè)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(zhuǎn)換器過度緊湊的結(jié)構(gòu)帶來的不利結(jié)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(shè)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(jù)前述仿真模型加工的實(shí)物如圖8 所示，對其進(jìn)行性能測試。測試在微波遠(yuǎn)場暗室進(jìn)行，測試設(shè)備為網(wǎng)分8 722 D，駐波如圖9 所示，方向圖如圖10 所示，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖8 喇叭實(shí)物照片F(xiàn)ig.8 Photograph of the fabricated horn

圖9 駐波比測試結(jié)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(jié)果表明，實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果符合較好。天線駐波比在全工作帶寬內(nèi)小于1.5。方向圖在主瓣的E 面和H 面具有良好對稱性，遠(yuǎn)區(qū)副瓣的不對稱是饋電波導(dǎo)和模式變換部分同軸度超出了公差要求，導(dǎo)致高次模激勵造成的。

4 結(jié)論

本文介紹了一種低副瓣波紋喇叭天線的設(shè)計，根據(jù)上述方法設(shè)計了一款Ka 波段波紋喇叭。實(shí)測表明，根據(jù)上述方法設(shè)計的喇叭天線具有指標(biāo)優(yōu)異、結(jié)構(gòu)小巧緊湊的特點(diǎn)，適合便攜式通信設(shè)備應(yīng)用，設(shè)計成果已經(jīng)成功用于某型實(shí)際裝備中。