一種小型高頻段雙極化喇叭天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

黃欣婷，汪 奕，陳 金，嚴(yán)成偉

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京 210039）

引 言

喇叭天線具有增益高、工作頻帶寬、功率容量大且極易實(shí)現(xiàn)多種極化等特點(diǎn)，在各領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值[1]。研究、開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造在雙頻段、多頻段、寬頻帶均具有優(yōu)良性能的天線，一直以來都是喇叭天線發(fā)展的核心課題。近年來國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都研究了加脊喇叭天線。文獻(xiàn)[2]提出了雙極化寬帶加脊喇叭天線的性能優(yōu)化方法，并進(jìn)行了理論分析，然而缺乏實(shí)物測(cè)試數(shù)據(jù)的支撐；文獻(xiàn)[3-4]設(shè)計(jì)了超寬帶喇叭天線，并且都有驗(yàn)證天線性能的實(shí)物測(cè)試，然而天線均為單極化，且尺寸較大。本文設(shè)計(jì)了一種超寬帶、小型化（口徑僅一角硬幣直徑大?。?、雙極化喇叭天線，并詳細(xì)描述了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝實(shí)現(xiàn)過程[5]。綜合考慮加工裝配各環(huán)節(jié)對(duì)整個(gè)天線性能的影響，并對(duì)實(shí)際測(cè)試結(jié)果和電磁軟件仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)保證天線性能的有效性。

1 雙極化喇叭天線理論仿真設(shè)計(jì)

本文采用三維電磁仿真軟件HFSS設(shè)計(jì)了一種小型的雙極化加脊喇叭天線，天線輻射單元圖形如圖1所示。為保證結(jié)構(gòu)的可實(shí)施性，對(duì)喇叭內(nèi)側(cè)進(jìn)行半徑為1 mm的圓角處理，同時(shí)為避免脊之間距離過近，對(duì)脊的下部進(jìn)行切角處理。雙極化的饋電均在喇叭后側(cè)，通過直徑為0.6 mm的探針進(jìn)行饋電，能夠?qū)崿F(xiàn)7 GHz帶寬，工作于X～Ku頻段。天線輻射單元端口陣中駐波比≤2.5，端口隔離度≥40 dB，同時(shí)對(duì)加脊喇叭天線外形尺寸精度提出了較高的要求，見表1。

表1 精度要求

圖1 加脊喇叭天線外形

2 雙極化喇叭天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文根據(jù)理論仿真設(shè)計(jì)開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。雙極化加脊喇叭天線頻段較高，單元間距和喇叭口徑小，而且尺寸精度要求高，導(dǎo)致天線的加工成型具有一定難度。

2.1 饋電設(shè)計(jì)

為了對(duì)該天線輻射單元進(jìn)行整體性能摸底分析，設(shè)計(jì)了8×8小陣面，兩兩喇叭之間緊密相連，饋電點(diǎn)無法從側(cè)壁出，只能從喇叭底面出，傳統(tǒng)饋電形式無法在該天線上使用，饋電形式成為一個(gè)難題。喇叭天線后續(xù)使用環(huán)境為機(jī)載和星載，為了實(shí)現(xiàn)天線輕量化設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮后續(xù)饋電連接問題，本文設(shè)計(jì)定制了兩款高度不同的拐彎拆分式射頻同軸連接器，使其完全埋在喇叭天線內(nèi)部，不突出底面。該射頻同軸連接器的上部為拐彎的玻璃燒結(jié)組件，下部為超小型推入式（Sub-Miniature Push, SMP）連接器的外殼體，前者焊接在脊上，后者壓裝在喇叭底座上，兩者裝配時(shí)組合在一起形成SMP連接器，后續(xù)使用時(shí)可直接采用SMP盲插形式，能有效縮小饋電連接的空間。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

喇叭天線為雙極化，考慮減輕天線重量，天線輻射單元的喇叭腔體和脊均采用鋁合金。雙極化加脊喇叭天線相較于單極化的天線內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，中間有四脊，兩兩對(duì)應(yīng)的脊之間有電連接關(guān)系。考慮到工藝加工難度和可實(shí)現(xiàn)性，本文對(duì)天線輻射單元進(jìn)行拆分設(shè)計(jì)，利用CREO三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將結(jié)構(gòu)拆分為喇叭腔體及4個(gè)單脊，通過嚴(yán)格控制每一個(gè)零件的尺寸公差來保證裝配精度。脊寬精度通過腔體的精度來控制。兩個(gè)極化腔體的上口徑寬度的尺寸精度公差為?0.01～+0.04，而兩脊寬的設(shè)計(jì)焊接尺寸公差為?0.04～+0.01，采用過渡配合的方式，既可保證可裝配性，又可保證裝配精度。脊高的裝配精度通過分別控制零件的高度尺寸來保證；饋電探針傾斜角則通過工裝保證，防止探針受力變形；而脊裝配錯(cuò)位通過喇叭底座的裝配槽精度來控制。

將喇叭腔體拆分成底座和喇叭壁，有利于提高喇叭底座裝配槽的加工精度，兩者通過焊接成形，防止四脊裝配錯(cuò)位。饋電安裝通過在兩個(gè)單脊側(cè)邊局部開槽，埋放射頻同軸連接器，再與另一對(duì)應(yīng)的脊焊接形成一對(duì)脊，見圖2。最后兩對(duì)脊與喇叭腔體通過底部的螺釘固定，同時(shí)為避免四脊與喇叭壁之間存在裝配間隙，在四壁處涂導(dǎo)電膠以保證天線與側(cè)壁之間良好的導(dǎo)電接觸。另外在探針開孔處使用熱縮套管封堵，一來能夠避免水汽進(jìn)入脊內(nèi)部的空氣腔，防止內(nèi)部腐蝕，二來起到支撐電連接器探針、提高強(qiáng)度的作用。

圖2 8×8小陣面天線設(shè)計(jì)示意圖

2.3 裝配精度保證

由于四脊與喇叭壁采用零件形式的拆分設(shè)計(jì)，因此關(guān)鍵裝配尺寸精度的保證是至關(guān)重要的。每一對(duì)脊在焊接玻璃燒結(jié)組件時(shí)很難人為保證單元間距，而脊寬的精度對(duì)天線的性能影響較大，因此本文設(shè)計(jì)了焊接工裝，利用工裝的兩個(gè)立臂和底面的安裝槽位限制兩脊，實(shí)現(xiàn)每一對(duì)脊的定位焊接，可有效控制每一對(duì)脊的間距以滿足兩脊焊接精度要求，有效保證天線性能。

為避免裝配干涉，設(shè)計(jì)時(shí)通過玻璃燒結(jié)組件將兩個(gè)單脊焊接在一起形成一對(duì)脊，然而玻璃燒結(jié)組件的探針只有0.6 mm，僅靠0.6 mm的探針進(jìn)行連接，裝配時(shí)探針局部受力易變形。為此本文設(shè)計(jì)了裝配夾具（圖3），裝配時(shí)先用兩夾板同時(shí)夾住一對(duì)脊，再將其整體裝入喇叭腔體，最后用螺釘緊固，從而有效避免玻璃燒結(jié)組件的探針受力變形，保證饋電探針傾斜角精度。

圖3 夾具設(shè)計(jì)圖

3 天線的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

根據(jù)前文的仿真設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成了天線實(shí)物模型的加工裝配，見圖4。對(duì)實(shí)物模型的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行逐一測(cè)量對(duì)比，并在微波暗室中完成實(shí)物天線輻射單元性能的檢測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容包括方向性系數(shù)、增益、輸入阻抗、駐波比和隔離度。

圖4 8×8小陣面天線實(shí)物

3.1 實(shí)物關(guān)鍵尺寸測(cè)量對(duì)比

腔體的喇叭上口徑和下口徑及間距等關(guān)鍵的零件和裝配尺寸的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表2?？梢园l(fā)現(xiàn)零件的測(cè)量結(jié)果均在允許的公差范圍內(nèi)，而裝配尺寸精度均有不同程度的超差，大部分尺寸在理論間距范圍內(nèi)，少量超差較大。探針傾角裝配后無法測(cè)量，目測(cè)發(fā)現(xiàn)少量探針存在輕微傾斜現(xiàn)象。

表2 關(guān)鍵的零件和裝配尺寸的測(cè)量數(shù)據(jù)mm

3.2 電性能測(cè)試對(duì)比

3.2.1 輸入阻抗和駐波比

天線輸入阻抗是饋線的阻抗形式，決定饋線的駐波狀態(tài)。駐波比是天線的重要指標(biāo)之一，一般超寬帶天線的駐波比小于2.5。圖5為天線輻射單元陣中駐波仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，f0為中心頻點(diǎn)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：1）實(shí)測(cè)與仿真的駐波比變化趨勢(shì)基本一致；2）兩個(gè)極化在較高頻段吻合度均較高，且駐波比小于2.5，但兩者在f0?2.5 GHz處性能較差，駐波比明顯變大。

圖5 天線輻射單元陣中駐波仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

本文采用三維電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)駐波比實(shí)測(cè)差異進(jìn)行分析：由于天線頻段較高，駐波比對(duì)天線的裝配精度較敏感，裝配實(shí)測(cè)精度部分不理想，兩探針裝配角度誤差會(huì)造成較低頻段的駐波比變大；四脊裝配錯(cuò)位會(huì)不同程度地使駐波比變大；脊的高度偏差等也會(huì)帶來一定影響，具體見圖6。因此后續(xù)將對(duì)結(jié)構(gòu)、工裝的設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

圖6 誤差原因

3.2.2 方向圖

天線方向圖是表征天線輻射特性空間角度的關(guān)系圖形。本文對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的幾個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)測(cè)，并給出了天線輻射單元陣中f0+2.3 GHz實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比圖（圖7），可以發(fā)現(xiàn)方向圖的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。

圖7 天線輻射單元陣中f0+2.3 GHz方向圖

3.2.3 方向性系數(shù)和增益

方向性系數(shù)和增益是表征天線性能的重要指標(biāo)，增益大小影響天線發(fā)射信號(hào)的覆蓋范圍和強(qiáng)度。

表3為3個(gè)頻點(diǎn)的8×8小陣面增益的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果，計(jì)算的效率分別約為91.14%，89.59%，96.37%。可以發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)增益與仿真增益吻合較好，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)保證電性能的有效性。

表3 8×8小陣面增益dB

3.2.4 隔離度

隔離度是描述雙極化天線雙端口純度的參數(shù)。實(shí)測(cè)與仿真的隔離度見圖8。理論仿真的隔離度優(yōu)于40 dB，實(shí)測(cè)的隔離度較小，優(yōu)于30 dB。

圖8 天線輻射單元陣中端口隔離度

4 結(jié)束語

本文完成了一種小型超寬帶高頻段雙極化加脊喇叭天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)物加工，通過暗室實(shí)測(cè)天線輻射單元雙極化的方向圖、駐波比、增益和隔離度等，均有較好的性能指標(biāo)，能滿足X～Ku頻段7 GHz的超寬帶工作要求。同時(shí)通過與理論仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)天線的實(shí)測(cè)方向圖和增益與仿真數(shù)據(jù)較吻合，駐波比變化趨勢(shì)一致，高頻段吻合較好，驗(yàn)證了此喇叭天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。

同時(shí)分析了造成駐波比局部差異的原因：喇叭天線帶寬較寬，且工作于高頻段，受加工和裝配誤差的影響較大，零件尺寸精度較好，而裝配精度較差，導(dǎo)致局部駐波比較大。因此，為進(jìn)一步提高天線輻射單元的性能，后續(xù)將在以下兩個(gè)方面開展相關(guān)研究工作：1）理論設(shè)計(jì)上通過仿真手段減少天線輻射單元對(duì)裝配尺寸的敏感度；2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上通過優(yōu)化工裝設(shè)計(jì)，提高裝配精度。

本文結(jié)合結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，保證了小尺寸復(fù)雜高頻雙極化天線的電性能指標(biāo)，為類似天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)思路，對(duì)未來更高精度分辨率雙頻干涉合成孔徑雷達(dá)的設(shè)計(jì)具有參考意義。