高 喜 李思敏 劉揚清 于新華 姜彥南

（1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林541004；2.桂林安德立通信技術(shù)有限公司，廣西 桂林541004）

引 言

隨著電子對抗以及電子偵察技術(shù)的發(fā)展，要求天線具有寬頻帶、極化可變等特性.拋物面天線在雷達(dá)系統(tǒng)中經(jīng)常被用作收發(fā)天線，而高性能的寬頻帶饋源系統(tǒng)的設(shè)計，能夠有效改善拋物面天線的工作性能，并實現(xiàn)天線小型化，從而實現(xiàn)整個雷達(dá)系統(tǒng)的小型化，增加其隱蔽性.但是，對于反射面天線而言，要設(shè)計具有高增益、低副瓣、寬頻帶，同時要滿足主天線兩個主平面的邊緣照射電平等綜合電特性的饋源，具有相當(dāng)?shù)碾y度.

喇叭天線具有結(jié)構(gòu)簡單、易于加工、方向圖好、增益高等優(yōu)點，因此，被廣泛用于拋物面天線的饋源.在喇叭天線中采用脊加載方法能極大擴展喇叭天線的工作帶寬.如果采用四脊加載，即四脊喇叭，還能夠?qū)崿F(xiàn)雙極化要求.因此，采用脊加載喇叭天線作為拋物面天線的饋源具有較大的優(yōu)越性［1］.本文設(shè)計了一種具有漸變后腔的4～12GHz高性能四脊雙極化喇叭饋源天線，對脊波導(dǎo)段、喇叭段、后腔以及探針位置對天線輻射特性的影響進(jìn)行了分析并對參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化.結(jié)果表明，所設(shè)計的饋源在整個工作頻段內(nèi)具有低副瓣、高增益特性，在低頻端兩個主平面的-12dB的邊緣照射角大于110°，高頻端兩主平面的-12dB的邊緣照射角均大于60°.

1 基本理論

對四脊喇叭天線，當(dāng)只在某一極化端口激勵時，與該極化方向正交的那對脊對天線性能的影響極小，也就是說相互正交的兩端口之間的隔離度很好.因此在設(shè)計本喇叭天線時，首先設(shè)計方形雙脊喇叭，得到優(yōu)化的喇叭以及脊的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將設(shè)計好的雙脊復(fù)制到喇叭天線的另外兩壁上，形成四脊喇叭天線［2］.而雙脊喇叭天線分為雙脊波導(dǎo)、脊加載的喇叭段以及后腔三部分，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.在矩形波導(dǎo)中加載膜片能夠以幾倍量級增加H10模的截止波長，同時H30模式的截止波長降低，從而大大拓寬了其工作頻帶.對脊波導(dǎo)參數(shù)的選擇是確保脊加載喇叭天線在整個工作頻帶范圍內(nèi)單模工作的關(guān)鍵.

圖1 喇叭天線的縱截面結(jié)構(gòu)

為了與同軸線阻抗匹配，假定所設(shè)計的脊波導(dǎo)中H10模的特征阻抗ZTE10＝50Ω，根據(jù)文獻(xiàn)［3］中的方法，選取s/a1＝0.2，d/b＝0.1.其中s為脊寬，d為脊間距，a1、b為波導(dǎo)的寬和高（這里a1＝b）.令TE10模的截止頻率fTE10＝2GHz（低于天線工作頻率的下邊頻），得到脊波導(dǎo)的參數(shù)為：s＝4.2mm，d＝2.1mm，a1＝b＝21mm.

在脊喇叭段，脊曲線采用指數(shù)曲線形式［4］為

式中：0＜z＜L，z為喇叭中軸線坐標(biāo)；A1，B1，C1為待定系數(shù)，取值分別為：為喇叭的口徑.式（1）中線性項C1z能有效縮短天線的軸向長度L，喇叭口徑a的取值大于天線最低工作頻率的半個波長，L和a的具體取值根據(jù)所設(shè)計天線電參數(shù)的要求進(jìn)行優(yōu)化.

為了降低駐波，天線的后腔采用漸變腔，以代替通常使用的方形腔，如圖1所示，而且脊波導(dǎo)中的脊嵌入在漸變腔內(nèi).在這些設(shè)計基礎(chǔ)上，將設(shè)計好的脊復(fù)制到喇叭的另外兩個光滑壁上，即得到四脊喇叭天線的模型，圖2為四壁喇叭天線中脊波導(dǎo)段的橫截面結(jié)構(gòu).

圖2 方形四脊波導(dǎo)橫截面結(jié)構(gòu)

2 模擬分析

在得到四脊喇叭天線模型的基本參數(shù)基礎(chǔ)上，利用CST電磁仿真軟件對天線的輻射性能進(jìn)行模擬分析，并對天線的整體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.由于天線兩對脊間的間距較小，而脊又具有一定的厚度，為了使脊不互相接觸，對脊的邊沿采用45°倒角處理.

方向圖是天線一個重要的設(shè)計指標(biāo)，通過模擬發(fā)現(xiàn)，與普通喇叭天線一樣，四脊喇叭天線的方向圖和增益主要受喇叭段長度L和喇叭口徑面尺寸a的影響：3dB波束寬度隨L和a的增加而減少；增益隨L的增加而增加.根據(jù)天線增益和波束寬度的要求對L和a進(jìn)行優(yōu)化.另一方面，脊間距d、脊寬度s以及脊邊沿倒角的角度對天線輻射性能的影響在文獻(xiàn)［5］中有詳細(xì)論述，因此對這一工作的分析在此不再贅述.

為了分析天線后腔對天線駐波比的影響，在其他參數(shù)一定的情況下，對后腔為矩形結(jié)構(gòu)以及漸變結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比研究，結(jié)果如圖3所示.圖中顯示，當(dāng)后腔為矩形結(jié)構(gòu)時，天線在工作頻段內(nèi)的駐波比最大值為2.8，而當(dāng)后腔為漸變腔時，駐波比得到了很大程度的改善，最大駐波比為1.8.因此，采用漸變的后腔結(jié)構(gòu)能有效降低天線的駐波比.

圖3 不同背腔結(jié)構(gòu)對應(yīng)的駐波比

天線由兩個正交且錯開的探針饋電，以得到兩個不同的極化方向的輻射特性.為了提高天線兩個端口駐波比的一致性，采用特制的饋電探針，探針直徑φ＝0.7mm，同時將兩探針的間距設(shè)置盡量小［6］.為了研究探針伸入脊波導(dǎo)內(nèi)部的位置對駐波比的影響，在固定天線其他結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下模擬了不同探針位置對應(yīng)的駐波比，結(jié)果如圖4所示，圖中d0表示探針到一對脊中另一膜片端面的距離（見圖2）.從圖4可以看出，天線的駐波比隨d0的減少而降低，尤其在低頻段，駐波比降低更為迅速，當(dāng)d0＝0 mm，也就是說探針完全伸入到一對脊中另一膜片內(nèi)部時，天線的駐波比達(dá)到最優(yōu)值，在整個工作頻帶范圍內(nèi)小于2.究其原因，同軸線的內(nèi)導(dǎo)體通過第一個脊的腔體，連到第二個脊上形成短路，此時內(nèi)導(dǎo)體在波導(dǎo)腔中可看作單極子輻射器，同時脊波導(dǎo)的阻抗與同軸線阻抗基本一致，形成良好的阻抗匹配，使輸入駐波比得到很大程度的改善.圖5為不同頻率下天線的遠(yuǎn)場輻射圖.可以看出，該天線具有較好的方向圖特性，在整個工作頻段增益處于10～13dB之間.同時，饋源的兩個主平面（E面及 H面）的-12dB波瓣寬度在低頻端（4GHz）大于110°，隨著頻率的升高，波瓣寬度變窄，在高頻端（12GHz）最小，此時E面的-12dB波瓣寬度為60°，H面的-12dB波瓣寬度為90°.

圖4 不同探針位置對應(yīng)的駐波比

3 實驗測試

在模擬的基礎(chǔ)上，對該喇叭進(jìn)行了加工測試.并在整個工作頻段以1GHz為頻率間隔采樣點，對天線的方向圖特性和駐波特性進(jìn)行了測試.圖6、7為4～12GHz之間2個典型頻點的E面方向圖測量結(jié)果及相應(yīng)CST仿真結(jié)果的對比.其中，實線為實驗測試結(jié)果，虛線為模擬結(jié)果.可以看出，測量結(jié)果與仿真結(jié)果總體上吻合較好.然而在高頻段，測試結(jié)果與模擬結(jié)果之間的差異變大，這主要是由于高頻段對應(yīng)電磁波波長變短，此時加工工藝對測試結(jié)果的影響變得明顯所致.

4 結(jié) 論

設(shè)計了一個工作于4～12GHz的雙極化四脊喇叭天線，利用CST軟件分析了不同后腔結(jié)構(gòu)及探針位置對天線輻射性能的影響.研究結(jié)果表明，天線后腔如果采用漸變結(jié)構(gòu)能有效降低天線的輸入駐波比，同時探針的位置對天線駐波比也有很大影響，當(dāng)探針伸入到一對脊中的另一膜片內(nèi)部時，天線輸入駐波比達(dá)到最佳值，在整個工作頻帶范圍內(nèi)小于2.天線在整個工作頻帶范圍內(nèi)都具有較好的方向圖特性，E面、H面的-12dB波瓣寬度在低頻端大于110°，隨著頻率升高，波瓣寬度有所降低，但是仍然能滿足主天線的要求，總體上，整個頻帶范圍內(nèi)，-12 dB波瓣寬度均大于60°.實驗測試結(jié)果與模擬研究結(jié)果具有較好的一致性.本文設(shè)計的天線適合用作特定情況下拋物面天線的饋源.

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