吳　迪，李長勇，鄭　勇

(重慶通信學(xué)院 信息工程系，重慶 400035)

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衛(wèi)星便攜站饋源喇叭天線的研究和設(shè)計(jì)

吳迪，李長勇，鄭勇

(重慶通信學(xué)院 信息工程系，重慶 400035)

摘要：對(duì)衛(wèi)星便攜站的饋源喇叭進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)了一款新結(jié)構(gòu)的介質(zhì)加載饋源喇叭天線，以替代該衛(wèi)星便攜站原有的波紋喇叭饋源。該介質(zhì)加載饋源喇叭天線的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、組裝簡易、成本低廉。通過比較和分析，該天線具有增益高、反射小、交叉極化低、波束對(duì)稱及波瓣尖銳的優(yōu)點(diǎn)，尤其是天線的口徑效率最高可達(dá)到95.7%。可見介質(zhì)加載饋源喇叭非常適用于衛(wèi)星便攜站的饋源以及卡塞格倫天線的初級(jí)輻射器。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星便攜站；饋源喇叭天線；波紋喇叭；介質(zhì)加載

0引言

衛(wèi)星通信具有通信距離遠(yuǎn)、容量大、質(zhì)量好、可靠性高、保密性強(qiáng)及靈活機(jī)動(dòng)等特點(diǎn)，在民用通信、軍事通信以及應(yīng)急通信中都起著重要的作用[1]。衛(wèi)星便攜站得到了廣泛的應(yīng)用，它具有配置靈活、體積小、重量輕和便于攜帶的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于復(fù)雜環(huán)境下的通信聯(lián)絡(luò)，是重要的通信手段之一。常見的衛(wèi)星便攜站饋源喇叭為Ku波段波紋喇叭天線，該饋源不僅價(jià)格昂貴，其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，加工精度要求較高，從而制約了衛(wèi)星便攜站的發(fā)展。因此，研究一種可替代波紋喇叭的新型饋源喇叭天線勢在必行。

結(jié)合一個(gè)衛(wèi)星便攜站饋源的性能和尺寸，設(shè)計(jì)了一種新結(jié)構(gòu)的介質(zhì)加載圓錐喇叭饋源，以替代原有的波紋喇叭饋源。本文對(duì)天線的性能進(jìn)行了比較和分析，驗(yàn)證了該饋源喇叭天線性能的優(yōu)越性和可行性。

1天線的結(jié)構(gòu)和原理

1.1衛(wèi)星便攜站饋源的工作原理

在衛(wèi)星通信中，要求饋源喇叭要具備低交叉極化、較小的漏溢和較大的口徑效率[2]。普通主模工作的喇叭，其口徑場相位成平方律分布，波束對(duì)稱性差，且E面和H面的相位中心差異較大，電磁波不能均勻的照射在反射面上，受口徑場相位偏差的影響，天線波束呈橢圓形截面[3]，所以不能夠直接用作衛(wèi)星便攜站的饋源。波紋喇叭已成為當(dāng)代高性能衛(wèi)星通信、衛(wèi)星電視和其他微波天線中照射器的主要模式，它波瓣對(duì)稱性好、交叉極化電平和副瓣電平低，頻帶較寬。波紋喇叭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在喇叭的內(nèi)壁上開許多波紋槽，起扼流圈的作用，達(dá)到改善喇叭天線波瓣對(duì)稱性并降低交叉極化的目的[4]，其缺點(diǎn)是加工困難，費(fèi)用昂貴，特別是在毫米波以上的頻段內(nèi)，波紋喇叭加工更加復(fù)雜。

介質(zhì)加載喇叭天線具有結(jié)構(gòu)簡單、原理簡明、易加工及成本低的優(yōu)勢，因此得到了人們廣泛關(guān)注。大量關(guān)于介質(zhì)環(huán)、介質(zhì)棒、介質(zhì)透鏡加載喇叭天線的研究不勝枚舉。SatohT在喇叭內(nèi)壁加載薄介質(zhì)片以引入不連續(xù)性，改變喇叭內(nèi)部電場分布方式，從而改善了喇叭天線的輻射特性[5]。PhilipsB和ClarkPR研究在饋源喇叭內(nèi)部填充錐體介質(zhì)[6]，該結(jié)構(gòu)的饋源雖然改善了波束對(duì)稱性、降低了交叉極化，但是由于天線等效口徑減小，增益明顯下降?？梢姡侠淼募虞d介質(zhì)體可以校正喇叭輻射場的相位分布，得到新結(jié)構(gòu)的饋源喇叭天線。在圓錐喇叭內(nèi)部加載帶有空氣缺口的圓錐體介質(zhì)，并在圓錐底部連接一塊雙曲透鏡介質(zhì)，即構(gòu)成了新的介質(zhì)加載圓錐喇叭天線，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　介質(zhì)加載圓錐喇叭天線結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)天線工作頻率較高時(shí)，喇叭內(nèi)部的電磁場向圓錐體介質(zhì)匯聚[2]，從而導(dǎo)致喇叭E面和H面的場分布趨于對(duì)稱，兩主平面的相位中心也趨于重合。相位中心位置取決于喇叭的尺寸和張角。口徑面上平方律相差增加，相位中心向喇叭頂點(diǎn)方向移動(dòng)[7]，故該喇叭相位中心可近似為頂點(diǎn)位置。雙曲透鏡介質(zhì)的作用是把射入的球面波前在口徑前方校正為平面波前，使得喇叭方向性得到增強(qiáng)。

1.2喇叭形狀和介質(zhì)材料

由某衛(wèi)星便攜站的接收和發(fā)射頻率，可以確定饋源喇叭天線的上行工作頻率范圍為14.0～14.5 GHz，下行工作頻率范圍為12.25～12.75 GHz。為保證反射面的均勻照射，更準(zhǔn)確的與衛(wèi)星便攜站的波紋喇叭饋源進(jìn)行比較，本文設(shè)計(jì)的介質(zhì)加載喇叭口徑和張角與原波紋喇叭饋源保持一致。喇叭口徑D=2b=90 mm，總長度為67.2 mm，其中波導(dǎo)段長度24 mm，擴(kuò)張段長度43.2 mm，張角θ=80.4°。選用國家標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)波導(dǎo)BY120[8]，內(nèi)徑中間值2a=17.475 mm的圓波導(dǎo)作為喇叭前端。該尺寸波導(dǎo)工作頻率為11.6～15.9 GHz。波導(dǎo)對(duì)各模式的截止頻率為：TE11模10 GHz，TM01模13.1 GHz，可見波導(dǎo)內(nèi)只能傳輸主模TE11模和TM01模13.1 GHz以上的頻率，仿真時(shí)考慮3個(gè)高次模即可。該天線采用波導(dǎo)饋電，圓錐喇叭壁厚為1 mm。

1.3介質(zhì)透鏡表面方程的設(shè)計(jì)

(1)

把最大張角點(diǎn)P2(0,b1)帶入上式，可計(jì)算出介質(zhì)透鏡的厚度為d1。對(duì)式(1)簡化，最終推導(dǎo)出雙曲線方程式(3)如下：

d1=n(R1-L1)/(n-1)。

(2)

(3)

2天線的仿真和分析

2.1天線仿真模型建立

使用HFSS14.0對(duì)天線仿真，模型如圖2所示。饋源喇叭天線的下行工作中心頻率為12.5GHz，離散掃頻范圍12.25～12.75GHz，上行工作中心頻率為14.25GHz，離散掃頻范圍從14～14.5GHz?？諝夂凶訛榫匦?，邊界距離喇叭最近為λ/3，饋電端口類型為waveport。

圖2　天線仿真模型

2.2增益和口徑效率

介質(zhì)加載喇叭饋源天線下行工作和上行工作時(shí)的增益變化曲線如圖3和圖4所示?？梢钥吹剑S著工作頻率的升高，天線增益線性升高，增益最高可以達(dá)到22.4dB。這是因?yàn)轭l率越高，越適合用光學(xué)方法來分析介質(zhì)透鏡，分析結(jié)果也越準(zhǔn)確。同時(shí)，頻率越高，空氣缺口里的電磁場向介質(zhì)匯聚的能力就越強(qiáng)，可見介質(zhì)加載饋源喇叭最適合工作在微波及以上的頻段。

圖3　上行工作時(shí)增益變化曲線

圖4　下行工作時(shí)增益變化曲線

使用常規(guī)的饋源喇叭，反射面天線的口徑效率約為50%～60%，而若采用波紋喇叭作為饋源可獲得75%～80%的口徑效率[12]。由式(4)可知[13]，天線口徑效率主要受增益和工作頻率的影響。在上行中心頻率時(shí)，天線口徑效率為95.7%，下行中心頻率時(shí)，天線口徑效率為89.9%。雖然在喇叭內(nèi)部加載介質(zhì)后，由于喇叭內(nèi)壁與介質(zhì)體之間具有空氣缺口，使得天線的等效口徑減小了2mm，但是由于喇叭天線在縱向長度得到補(bǔ)償，其增益和口徑效率均大幅度增強(qiáng)。由此可見，該介質(zhì)加載饋源喇叭的口徑效率比原波紋喇叭饋源更具備優(yōu)勢。

(4)

2.3交叉極化

饋源喇叭天線在接收和發(fā)射中心頻率點(diǎn)時(shí)的歸一化輻射波瓣圖如圖5所示。從圖中可看到該天線交叉極化峰值電平均小于-50dB，旁瓣電平較低。天線主瓣較尖銳，且E面和H面波束幾乎重合。該天線E面和H面主瓣寬度在12.5 GHz時(shí)分別為15.7°和16.3°，在14.25 GHz時(shí)分別為14.2°和14.4°。隨著頻率升高，波束對(duì)稱性得到改善，主瓣更加尖銳。

圖5　天線的輻射波瓣圖

2.4電場分布

天線E面和H面的電場強(qiáng)度瞬時(shí)值分布圖如圖6所示。從圖中可以看到喇叭內(nèi)部電場在空氣缺口中逐漸向介質(zhì)體匯聚，使得E面和H面的輻射場分布趨于對(duì)稱，兩主平面相位中心趨于重合。由于在喇叭內(nèi)部填充了介質(zhì)，其電場逐漸向介質(zhì)匯聚，空氣缺口里的電場逐漸減小，在喇叭口徑處完全消失。喇叭內(nèi)部介質(zhì)體中的電磁場傳輸?shù)嚼瓤诟浇鼤r(shí)，E面電場和H面電場非常對(duì)稱，使得2個(gè)面的相位中心趨于重合，波束對(duì)稱性較好。經(jīng)過介質(zhì)透鏡的折射，輻射出去的電磁場相位得到校正。并且在喇叭和透鏡的結(jié)合處反射非常小，由仿真結(jié)果可知，天線的回波損耗在整個(gè)頻帶內(nèi)均<-20 dB，滿足衛(wèi)星便攜站的要求。

圖6　介質(zhì)加載饋源喇叭E面電場瞬時(shí)值

圖7　介質(zhì)加載饋源喇叭H面電場瞬時(shí)值

3結(jié)束語

結(jié)合一個(gè)衛(wèi)星便攜站饋源的性能和尺寸，設(shè)計(jì)了一款新結(jié)構(gòu)的介質(zhì)加載圓錐喇叭饋源天線，以替代原波紋喇叭饋源。該介質(zhì)加載饋源喇叭天線結(jié)構(gòu)簡單、成本低，完全可以做到自主研發(fā)及生產(chǎn)。通過分析和比較，找到了介質(zhì)加載喇叭天線性能隨工作頻率變化的規(guī)律。由此可見，通過在喇叭內(nèi)部加載帶有空氣缺口的介質(zhì)體，可以校正喇叭口徑場相位，使得喇叭天線在口徑處輻射平面波，天線的方向性和口徑效率均得到大幅度增強(qiáng)。介質(zhì)加載饋源喇叭天線還可以獲得非常對(duì)稱的輻射波瓣圖，并且具備主瓣尖銳、副瓣較小、低反射及低交叉極化的優(yōu)點(diǎn)。該天線在性能上可替代常見的波紋喇叭，且非常適用于衛(wèi)星便攜站的饋源以及卡塞格倫天線的初級(jí)輻射器。

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Research and Design on Feed Horn Antenna of Portable Satellite Station

WU Di,LI Chang-Yong,ZHENG Yong

(Information Engineering Department,Chongqing Communication Institute,Chongqing 400035,China)

Abstract：A type of portable satellite station feed horn antenna is studied.A novel feed horn antenna loaded with dielectric is designed in order to replace the original corrugated horn antenna.The feed horn antenna loaded with dielectric is characterized by simple structure,easy assembly and low cost.Through comparison and analysis,the proposed antenna has such advantages as high gain,small reflection,low cross-polarization level,symmetrical beam,and sharp lobe.In particular,the antenna aperture efficiency can be up to 95.7%.Therefore the feed horn antenna loaded with dielectric is a perfect candidate for portable satellite station and primary radiator of Cassegrain antenna.

Key words：portable satellite station;feed horn antenna;corrugated horn;dielectric load

中圖分類號(hào)：TN 820.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-3114(2016)03-59-4

作者簡介：吳迪(1984—)，男，碩士，教員，主要研究方向：微波通信與智能天線。李長勇(1970—)，男，博士，副教授，主要研究方向：超寬帶無線通信技術(shù)、天線技術(shù)。

收稿日期：2016-01-20

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.16

引用格式：吳迪，李長勇，鄭勇.衛(wèi)星便攜站饋源喇叭天線的研究和設(shè)計(jì)[J].無線電通信技術(shù),2016,42(3):59-62.