一種X波段多極化橢圓波紋喇叭設(shè)計(jì)

王明啟

(安徽博微長(zhǎng)安電子有限公司,安徽 六安 237000)

0 引 言

現(xiàn)代武器和飛行技術(shù)的發(fā)展對(duì)雷達(dá)的極化方式、抗干擾能力、作用距離、分辨精度等性能提出了越來(lái)越高的指標(biāo)要求。在這種背景下,雷達(dá)天線須具有極化可變能力和低副瓣性能,同時(shí)在垂直面、水平面分別形成賦形和窄波束,以提高搜索范圍和分辨精度。雙彎曲天線口徑通常為矩形或橢圓形,其饋源形式的選擇與天線口徑的寬高比有關(guān)。在大寬高比多極化天線設(shè)計(jì)中,饋源作為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,其性能的優(yōu)劣直接影響反射面天線的輻射特性。

饋源一般選擇矩形喇叭天線,矩形喇叭可分成H面扇形喇叭、E面扇形喇叭和角錐喇叭。當(dāng)反射面天線寬高比小于1.5,且不要求多極化轉(zhuǎn)換時(shí),可選擇其作為饋源。但當(dāng)反射面天線寬高比很大,且要求多極化轉(zhuǎn)換時(shí),矩形喇叭由于其雙極化方向圖很難等化,E、H面波瓣寬度差異性不大等因素,不適合作為大寬高比多極化反射面天線饋源[1]。

橢圓波紋喇叭由于波紋槽使喇叭口徑邊緣的繞射得到很好的抑制,其方向圖具有副瓣低及等化性好等優(yōu)點(diǎn),是高性能反射面天線饋源的最佳選擇。針對(duì)X頻段大寬高比、多極化可變雙彎曲反射面天線的需求,設(shè)計(jì)一種帶正交模的橢圓波紋喇叭,其具有頻段寬、交叉極化電平低、方向圖平坦和雙極化波瓣等化性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 喇叭設(shè)計(jì)

1.1 波紋喇叭傳輸特性分析

利用表面電阻法分析饋源中波紋結(jié)構(gòu)的傳輸特性。假定波紋的周期遠(yuǎn)小于波長(zhǎng),但在實(shí)際加工中,受加工工藝限制,波紋周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的假設(shè)不成立,因此該方法只適用于大體研究波紋的傳輸特性。

利用表面阻抗法推導(dǎo)出波紋喇叭的特性方程為

(1)

定義等效壁導(dǎo)納

(2)

式中,Nm為紐曼函數(shù)[2]。

1.2 正交模耦合器設(shè)計(jì)

正交模耦合器用于實(shí)現(xiàn)天線極化分離,作為實(shí)現(xiàn)雙極化天饋單元的重要部件,對(duì)于兩個(gè)相互正交的極化波來(lái)說(shuō)是一個(gè)分離(接收時(shí))或者混合(發(fā)射時(shí))的元件。對(duì)正交模來(lái)說(shuō),各個(gè)端口的匹配和隔離尤為重要,模式正交也將引入極化隔離,更能保證隔離效果。

本設(shè)計(jì)采用圓波導(dǎo)作為公共端口,便于與波紋喇叭連接,矩形波導(dǎo)作為分支端口,完成TE11到TE10模式或TE10到TE11模式的轉(zhuǎn)換。分支端口采用多階矩形波導(dǎo)變換,變換段保持切比雪夫式阻抗變換,使得帶內(nèi)回波損耗盡量低且平坦。分端口間放置金屬短路板,使其擁有良好的極化隔離特性[3]。正交模仿真如圖1所示,分端口隔離度仿真如圖2所示。

圖1 正交模仿真模型圖

圖2 正交模分端口隔離度仿真圖

1.3 波紋喇叭參數(shù)設(shè)計(jì)

本方案采用齒槽方向垂直于軸線的徑向槽。設(shè)計(jì)需要在橢圓喇叭光滑壁上對(duì)稱開(kāi)設(shè)一系列不同深度的溝槽。這些溝槽對(duì)縱向流動(dòng)的面電流呈現(xiàn)很大的阻抗,從而使縱向的面電流密度大大減小,根據(jù)電流連續(xù)性原理,縱向面電流的減少會(huì)使內(nèi)壁表面附近的法向位移電流密度減小,從而使喇叭口徑上邊緣附近的法向電場(chǎng)分量減弱,即使得E面的場(chǎng)分布也變?yōu)橛煽趶街行南蜻吘壪陆?最終使得E面和H面方向圖對(duì)稱,進(jìn)而獲得良好的輻射對(duì)稱性[4]。

依據(jù)天線垂直面和水平面的半張角以及邊緣饋電電平,初步確定橢圓波紋喇叭的口徑尺寸(即長(zhǎng)短軸半徑a和b)。波瓣形狀近似于高斯形,可以借助圓口徑波紋喇叭HE11的歸一化場(chǎng)強(qiáng)方向圖,確定喇叭垂直面-10 dB波束寬度,進(jìn)而確定長(zhǎng)軸半徑a,再由橢圓長(zhǎng)短軸和口徑橢圓率關(guān)系圖求得水平面與垂直面-10 dB波瓣寬度之比,進(jìn)而確定橢圓喇叭短軸半徑b。喇叭最佳長(zhǎng)度L可由下式大致確定[5]:

(3)

喇叭尺寸如圖3所示。喇叭輸入端槽深d按工作頻率λ/2設(shè)計(jì),以此獲得低表面阻抗,進(jìn)而改善喇叭的匹配,喇叭開(kāi)口端槽深d按工作頻率λ/4設(shè)計(jì),以達(dá)到HE11模式的平衡混合條件。中間槽深采用平衡過(guò)度,以達(dá)到最佳的匹配性能。過(guò)渡槽數(shù)為6,總槽數(shù)為11。w為槽寬,t為齒寬,p為槽周期,w=t=0.5p。

圖3 橢圓波紋喇叭尺寸示意圖

因?yàn)闄E圓波紋喇叭具有非圓對(duì)稱的特性,其阻抗邊界條件不能在寬頻帶內(nèi)同時(shí)滿足兩個(gè)正交模,對(duì)于本設(shè)計(jì)中橢圓率很大的喇叭,通過(guò)設(shè)計(jì)波紋槽深漸變的方式進(jìn)行補(bǔ)償。

2 徑向槽波紋喇叭天線仿真及實(shí)測(cè)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,利用HFSS電磁仿真軟件建模仿真。優(yōu)化分析橢圓到圓的過(guò)渡段、槽數(shù)量、槽深及正交模,最終確定喇叭參數(shù)為長(zhǎng)軸半徑a=85 mm,短軸半徑b=40 mm,軸向長(zhǎng)度L=166 mm,長(zhǎng)軸張角15.3°,短軸張角5.9°。喇叭輸入端槽深d=15 mm,輸出端槽深d=8 mm,槽周期P=20 mm,槽寬W=10 mm,槽間距t=10 mm。仿真模型如圖4所示,水平、垂直極化水平面和垂直面方向圖如圖5、圖6所示,正交模分端口駐波如圖7所示,水平極化、垂直極化E、H面交叉極化電平如圖8、圖9所示。

圖4 仿真模型圖

圖5 水平、垂直極化垂直面仿真方向圖

圖6 水平、垂直極化方位面仿真方向圖

圖7 仿真駐波圖

圖8 水平極化E、H面交叉極化抑制度仿真圖

圖9 垂直極化E、H面交叉極化抑制度仿真圖

該喇叭天線工作頻段較高、物理尺寸較小,徑向槽的加工、倒角的清理對(duì)加工和裝配的精度要求很高,實(shí)際加工時(shí)使用高精度五軸數(shù)控機(jī)床、線切割等方法來(lái)保證加工精度,利用真空釬焊技術(shù)分別加工橢圓波紋喇叭的上下兩面,在上下兩面的連接處安裝定位銷以保證裝配精度,通過(guò)高精度拼接形成實(shí)物喇叭。喇叭實(shí)物如圖10所示。

圖10 喇叭實(shí)物圖

利用ORBIT平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng),選擇合理截?cái)嘟菍?duì)喇叭進(jìn)行測(cè)試,駐波測(cè)試結(jié)果如圖11所示。帶內(nèi)駐波在1.4以內(nèi),表明喇叭水平及垂直極化駐波性能良好。

圖11 水平、垂直極化駐波實(shí)測(cè)圖

圖12 水平、垂直極化垂直面實(shí)測(cè)方向圖

方向圖測(cè)試結(jié)果如圖 12、圖13所示,可見(jiàn)水平、垂直極化水平面及垂直面-20 dB幅度電平差值均在0.2 dB以內(nèi),具有良好的幅度等化性。

圖13 水平、垂直極化方位面實(shí)測(cè)方向圖

交叉極化測(cè)試結(jié)果如圖14、圖15所示,照射角內(nèi)極化抑制度優(yōu)于35 dB,具有良好的交叉極化抑制性能。正交模分端口隔離度測(cè)試結(jié)果如圖16所示,可見(jiàn)分端口隔離度優(yōu)于40 dB,具有良好的極化隔離性能。仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖14 水平極化E、H面交叉極化抑制度實(shí)測(cè)圖

圖15 垂直極化E、H面交叉極化抑制度實(shí)測(cè)圖

圖16 正交模分端口隔離度測(cè)試圖

實(shí)際設(shè)計(jì)中圓波導(dǎo)到橢圓波紋喇叭之間應(yīng)設(shè)計(jì)一段圓到橢圓的變換,考慮加工難度和成本,選用光壁波導(dǎo)過(guò)渡,過(guò)渡段的設(shè)計(jì)應(yīng)避免引起不必要的高次模。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種徑向帶正交模的橢圓波紋喇叭設(shè)計(jì)方法,通過(guò)波紋槽深漸變的方式使阻抗邊界條件同時(shí)滿足兩個(gè)正交模。設(shè)計(jì)仿真結(jié)果與實(shí)物測(cè)試對(duì)比表明:該X頻段天線具有良好的輻射性能,可作為大寬高比、多極化可變的雙彎曲反射面天線饋源使用,為X頻段反射面天線饋源設(shè)計(jì)提供參考。