一種雙頻喇叭饋源的設(shè)計(jì)

張占春

（甘肅長(zhǎng)風(fēng)電子科技有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730070）

1 概述

饋源是發(fā)射和接收電磁波的無源微波器件，處于微波通信和天線系統(tǒng)的最前端，其性能對(duì)整個(gè)天線系統(tǒng)具有非常重要的影響。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和寬帶通信及探測(cè)設(shè)備的出現(xiàn)，寬帶天線系統(tǒng)以及天線系統(tǒng)的寬頻技術(shù)也在不斷的發(fā)展，為擴(kuò)大系統(tǒng)容量或?yàn)榱硕惚芷渌l率的干擾，實(shí)際的天線系統(tǒng)往往工作在兩個(gè)或兩個(gè)以上頻帶內(nèi)，但在不便安裝兩副天線的情況下，雙頻天線系統(tǒng)應(yīng)用而生了，這就需要雙頻饋源來接收和發(fā)射電磁信號(hào)。

所謂雙頻饋源是指在兩個(gè)不同的頻帶內(nèi)各項(xiàng)性能都能滿足天線系統(tǒng)要求的饋源，具體指標(biāo)包括：駐波比、增益、方向圖和效率等。

2 喇叭饋源的組成及原理

2.1 矩形口徑喇叭

矩形口徑喇叭的優(yōu)點(diǎn)是功率容量大，邊瓣及后瓣小，交叉極化小，方向圖便于控制（改變喇叭口徑尺寸），阻抗帶寬較寬等等。矩形口徑喇叭是由矩形波導(dǎo)兩壁張開形成的，它的形狀如圖1 所示。

圖1 矩形口徑喇叭結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)上述兩個(gè)公式，當(dāng)波導(dǎo)寬邊a 取20.1mm,波導(dǎo)窄邊b 取8mm 時(shí)可同時(shí)滿足X 波段和Ku 波段的微波信號(hào)傳輸要求。喇叭口的寬邊W 和窄邊H的尺寸應(yīng)根據(jù)天線系統(tǒng)方向圖的波束寬度以及天線邊緣照射等需求確定。為了形成方位差信號(hào)此喇叭饋源需要兩個(gè)矩形口徑喇叭。

2.2 E 面折疊雙T 接頭

從結(jié)構(gòu)上來看，E 面折疊雙T 是將魔T 的平分臂在E 平面內(nèi)折疊而成的，因此它們的工作原理相同。如圖2 所示，從3,4 端口進(jìn)入2 端口的兩路相位相反的TE10 型波在2 端口內(nèi)合并為TE20型波后形成方位差信號(hào)，在1 端口內(nèi)合并為TE10型波形成和路信號(hào)。根據(jù)波導(dǎo)尺寸邊界條件，通常E 面折疊雙T的1 臂和2 臂的橫截面尺寸選擇與主波導(dǎo)的橫截面的尺寸相同，從結(jié)構(gòu)對(duì)稱性來考慮，3 臂和4 臂的橫截面尺寸應(yīng)相同，并且它們的窄邊應(yīng)與主波導(dǎo)窄邊一樣。從1 臂與2 臂間的隔離來考慮,2 臂的寬邊只允許傳輸TE20模，不允許其它高次模傳輸。所以，在此饋源中選Ku 波段E 面折疊雙T 的寬邊為17mm,窄邊為8mm。X 波段E 面折疊雙T 的寬邊為22.86mm，窄邊為10.16mm。由于喇叭饋源結(jié)構(gòu)的需要此E 面折疊雙T 的3,4 路波導(dǎo)之間形成一定張角。

圖2 E 面折疊雙T 結(jié)構(gòu)圖

2.3 七端口網(wǎng)絡(luò)

七端口網(wǎng)絡(luò)是一種經(jīng)典的無源微波器件，如圖3 所示，也是此饋源中比較重要的一個(gè)濾波器件。兩個(gè)矩形口徑喇叭接收的微波信號(hào)輸入到1,2 端口的波導(dǎo)內(nèi)。其中在靠近3,4 端口的波導(dǎo)腔內(nèi)放置寬度為7mm，長(zhǎng)度為27.1mm，高度與波導(dǎo)內(nèi)腔高度一樣的金屬塊，在此處形成一個(gè)窄波導(dǎo)腔體，這樣從1,2端口波導(dǎo)內(nèi)輸入的微波信號(hào)經(jīng)過窄波導(dǎo)腔體濾波后只有Ku 波段信號(hào)從3，4 端口輸出到Ku 波段E面折疊雙T 中。

圖3 七端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

在波導(dǎo)窄邊開寬度為1mm，長(zhǎng)度為17.5mm 的隙縫，用隙縫耦合的方式把波導(dǎo)內(nèi)的X 波段信號(hào)耦合到5,6 端口波導(dǎo)腔中，為了放大所需微波信號(hào)在靠近耦合隙縫處波導(dǎo)腔內(nèi)形成一個(gè)λ/4 波長(zhǎng)的諧振腔體，其中諧振腔體長(zhǎng)度為8mm，微波信號(hào)經(jīng)諧振放大后從5,6 端口輸出到X 波段E 面折疊雙T 內(nèi)，這樣七端口網(wǎng)絡(luò)就把兩個(gè)頻段的信號(hào)分開了。

七端口網(wǎng)絡(luò)腔體內(nèi)的每一個(gè)尺寸對(duì)它本身的電性能影響較大，在調(diào)整一個(gè)尺寸時(shí)會(huì)對(duì)各個(gè)端口的電性能產(chǎn)生影響，所以我們?cè)谟肏FSS 軟件仿真的時(shí)候要兼顧各個(gè)端口之間的電性能，對(duì)每一個(gè)尺寸進(jìn)行調(diào)整時(shí)要同時(shí)調(diào)整其他的尺寸，使它們之間的變化對(duì)各端口的電性能的影響降到最低。

2.4 喇叭饋源整體結(jié)構(gòu)

將上面3 種器件連接后就組成喇叭饋源，整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。兩個(gè)E 面折疊雙T 的1 端口和2 端口分別輸出各自頻段的和路信號(hào)和方位差信號(hào)，在兩個(gè)矩形喇叭波導(dǎo)端口內(nèi)寬壁上中間位置開長(zhǎng)度為7.45mm，寬度為2.1mm 的耦合隙縫，耦合出兩路Ku 波段信號(hào)，此兩路信號(hào)在波導(dǎo)內(nèi)合并后形成俯仰差信號(hào)從七端口網(wǎng)絡(luò)的7 端口輸出，在耦合隙縫處波導(dǎo)內(nèi)加金屬塊進(jìn)行駐波匹配，金屬塊的具體尺寸通過HFSS 軟件仿真確定。其中標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)端口與饋源的各個(gè)非標(biāo)端口之間用金屬臺(tái)階進(jìn)行過度，金屬臺(tái)階的尺寸及個(gè)數(shù)均由HFSS 軟件仿真得到。在饋源的兩個(gè)矩形喇叭口之間加一金屬板可以有效改善天線邊緣照射并增加方位差零深深度，通過HFSS 仿真軟件確定金屬板的長(zhǎng)度和厚度。

圖4 喇叭饋源結(jié)構(gòu)圖

在每個(gè)端口波導(dǎo)內(nèi)加金屬銷釘或金屬塊進(jìn)行駐波匹配。需對(duì)每個(gè)金屬銷釘和金屬塊的位置、直徑、厚度以及耦合隙縫的長(zhǎng)度、寬度等尺寸進(jìn)行仿真調(diào)試，為調(diào)試方便在七端口網(wǎng)絡(luò)中3,4 端口波導(dǎo)內(nèi)的金屬塊位置活動(dòng)可調(diào)，待各端口參數(shù)調(diào)試合格后焊接固定。

3 喇叭饋源電性能仿真結(jié)果

此喇叭饋源模型經(jīng)過Ansoft HFSS 11 仿真軟件計(jì)算每個(gè)端口的電壓駐波比在帶內(nèi)小于2，方位差零深和俯仰差零深均小于-30dB,Ku 波段饋源增益在14dB 左右，X 波段饋源增益在10dB 左右，波束寬度、旁瓣、端口隔離度等指標(biāo)也都符合設(shè)計(jì)要求，仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 喇叭饋源電性能仿真結(jié)果

4 結(jié)論

文章設(shè)計(jì)了一種工作在雙頻段的喇叭饋源，將幾種常見的無源微波器件組合并用合適尺寸的波導(dǎo)進(jìn)行微波信號(hào)傳輸，經(jīng)過各種調(diào)諧塊和端口的匹配就可以達(dá)到雙頻段工作的目的，特別是在微波抗干擾工作模式下比較有優(yōu)勢(shì)。由于在該饋源中耦合隙縫、調(diào)諧金屬銷釘?shù)鹊某叽缦嗷ブg的位置對(duì)饋源的端口S 參數(shù)影響較大，所以這些關(guān)鍵尺寸的加工精度要求在0.02mm 內(nèi)。