張 雪，王正鵬

（北京航空航天大學電子信息工程學院 北京 100191）

引 言

緊縮場測試技術(shù)是一種國際先進的室內(nèi)測量技術(shù)，在通信、國防、航空航天等領域發(fā)揮著不可替代的作用[1]。為了獲得更高的測試精度和測試效率，緊縮場饋源一直朝著寬帶、寬波束、低交叉極化、穩(wěn)定的相位中心發(fā)展[2]。在寬頻帶測試中，寬帶饋源可以減少更換饋源的次數(shù)，避免因更換饋源導致的測試精度下降等問題。波紋喇叭是一種比較常見的緊縮場饋源，具有對稱的遠場方向圖和穩(wěn)定的相位中心，但其典型工作帶寬為1.5:1[3]，因此，一般作為標準波段饋源使用。四脊喇叭因其寬帶特性被廣泛研究，但其缺點在于，隨著頻率的升高，波束寬度急劇變窄，方向圖在高頻時容易出現(xiàn)不對稱、主瓣分裂等情況[4,5]。平衡饋電技術(shù)可以提高喇叭內(nèi)基模的純度，利于實現(xiàn)帶寬，通常在圓波導喇叭中比較常見[6]，近年來，該技術(shù)越來越多地被應用于脊喇叭天線中，在拓展了帶寬的同時也改善了波束的對稱性[7]。文獻[8]介紹了一種基于倒脊的平衡饋電方法，這種方法更利于匹配，但其設計的饋源工作帶寬為一個標準波段，不適合作為寬帶寬波束的緊縮場饋源。此外，正交模式轉(zhuǎn)換器（OMT）是一種利于雙極化設計，可以實現(xiàn)優(yōu)異的極化隔離的饋電方式，但依然存在著帶寬受限的問題，工作帶寬一般為1.5:1[9]。本文設計了一種工作在4GHz～8GHz的基于平衡饋電的中心脊波紋喇叭饋源天線，該天線具有低駐波、寬波束、低交叉極化等優(yōu)點，能夠很好地滿足緊縮場饋源的要求。

1 天線設計

1.1 平衡饋電

平衡饋電結(jié)構(gòu)如圖3所示，四個同軸探針分別從喇叭壁的外側(cè)饋入，外導體連接喇叭壁，內(nèi)導體與十字形中心脊的四個脊片的連接點旋轉(zhuǎn)對稱，由180°電橋產(chǎn)生兩路等幅反相的差分信號，通過向一對對立的端口（比如端口1和端口2）饋入，實現(xiàn)平衡饋電。這種饋電方法可以提高激勵時基模的純度，抑制高次模的產(chǎn)生，并且由于其結(jié)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)對稱性，因此，不存在因饋電結(jié)構(gòu)差異導致的兩個極化方向上性能的差別，在設計時只需要考慮其中一個極化方向，大大減小了設計復雜度。

饋電部分的設計是饋源實現(xiàn)寬帶低駐波的關(guān)鍵。設計的同軸探針內(nèi)導體直徑為0.64mm，外導體直徑為1.371mm，輸入阻抗約為50Ω。中心脊波導的脊片與圓錐形外壁結(jié)構(gòu)可近似看作微帶線，因此，圓錐喇叭外壁與脊片之間的距離和脊片寬度對中心脊波導的阻抗的影響非常大。仿真表明，在饋電位置處，喇叭外壁與中心脊的間距應盡可能小。脊片寬度通常可以取λm/10左右（λm為中心頻率對應波長），可以通過掃描參數(shù)來確定最優(yōu)值。同軸探針通常距離短路板約λm/4。經(jīng)過優(yōu)化，最終設計的參數(shù)d=1.52mm，g=4.57mm，能夠使饋源具有比較好的駐波特性，實現(xiàn)了同軸探針阻抗到中心脊波導阻抗的過渡。

圖1 饋源實物照片F(xiàn)ig.1 The photo of the feed

4GHz～8GHz平衡饋電中心脊波紋喇叭的實物如圖1所示。圖2是中心脊喇叭饋源的剖面圖，饋源由平衡饋電結(jié)構(gòu)、圓錐形喇叭壁、十字形中心脊、軸向波紋槽和底部的圓臺腔體構(gòu)成。整體設計可以分為兩個部分，一個是從同軸探針到中心脊波導的阻抗匹配，一個是中心脊波導到自由空間的傳輸。

圖2 中心脊喇叭剖面圖Fig.2 The profile of central quad-ridged horn

1.2 中心脊波導

中心脊波導由外側(cè)的圓錐形喇叭壁和中間的十字形中心脊構(gòu)成。圖4是十字形中心脊的幾何結(jié)構(gòu)，主要分為饋電段和過渡段兩部分。饋電段的脊曲線為與x軸平行的直線段，用于同軸探針向中心脊波導的轉(zhuǎn)換；過渡段的主體脊曲線為指數(shù)函數(shù)和一次函數(shù)的組合（如圖4中紅色曲線所示），頂部疊加四棱錐，用于中心脊波導向自由空間過渡。

圖3 中心脊平衡饋電結(jié)構(gòu)Fig.3 Central quad-ridged balanced feed

圖4 十字形中心脊Fig.4 Cross central quad-ridge

中心脊與圓錐喇叭壁的間距和脊片寬度是決定中心脊波導阻抗的關(guān)鍵參數(shù)，為了使中心脊波導的阻抗能夠平滑地過渡到自由空間阻抗，需要在喇叭傳播方向上設計合適的中心脊與圓錐喇叭壁間距，在這里我們采用調(diào)節(jié)喇叭壁的錐度和中心脊過渡段的脊曲線的方法。圖中紅色脊曲線的函數(shù)表達式為y=aekx+bx-a，其中，參數(shù)k決定了脊曲線的張開速度，k越大，張角越大，對應中心脊的軸線長度就越短；k越小，張角越小，對應中心脊的軸線長度越長，參數(shù)a、b也能控制脊曲線的變化。因此，我們對圓錐喇叭壁的長度、錐度和脊曲線進行了優(yōu)化。對于脊曲線的優(yōu)化參數(shù)k，k較小，即中心脊的軸線長度較長時，利于形成較低的駐波，在優(yōu)化圓錐喇叭壁的同時，還需要考慮喇叭長度和口面直徑對波束寬度的影響，口面過大不利于實現(xiàn)寬波束，經(jīng)過優(yōu)化后的中心脊略高于圓錐喇叭口面，天線的口面直徑W為54.96mm，喇叭壁長度L為131.8mm。

對于中心脊波導，與傳統(tǒng)的四脊波導喇叭拓展帶寬的原理類似，中心脊的加載也可以降低圓錐波導喇叭主模的截止頻率，提高天線的帶寬。截止頻率較低的前三個模式分別為TE11模式、TE21L模式和TE21U模式，主模為TE11模。圖5展示的是中心脊波導這三個模式的電場和磁場分布，與傳統(tǒng)的四脊圓波導有著明顯的不同，TE21L模和TE21U模與設計的激勵不符合，是很難被激勵起來的。為了分析平衡饋電中心脊波導喇叭的帶寬性能，研究了前三種模式截止頻率隨脊波導高度變化的關(guān)系。圖6中喇叭高度以饋電位置為參考平面，可以看到TE21L模和TE21U模出現(xiàn)了分離，很好地抑制了TE21L模，獲得寬帶特性。

圖5 中心脊波導三個模式的電場分布和磁場分布Fig.5 The electrical field and magnetic field distributions of three modes in the central quad-ridge waveguide

1.3 軸向波紋槽

波紋槽是一種扼流結(jié)構(gòu)，可以改變喇叭口面邊緣的電流分布，從而影響輻射性能。如圖2所示，Part A代表軸向波紋槽，軸向波紋槽加載在圓錐喇叭壁的口面邊緣。為了更好地調(diào)節(jié)所設計的中心脊喇叭饋源的輻射模式，在頻帶范圍內(nèi)拓寬和穩(wěn)定波束寬度，選取槽的個數(shù)為三個，其深度都接近4GHz對應波長的四分之一，且最靠近喇叭中心的槽最深，向外槽深依次減小，在優(yōu)化好槽深之后，波束寬度的穩(wěn)定主要依靠波紋槽寬度的選擇。經(jīng)過嚴格優(yōu)化，最終設計的饋源在頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)了寬波束。

2 仿真與測試結(jié)果分析

饋源的設計階段使用全波仿真軟件CST-MWS進行仿真和優(yōu)化，最終設計的饋源被加工并對其進行了測試，雖然該饋源結(jié)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)對稱性，但實際因加工和測試設備的原因可能會導致兩個極化的測量結(jié)果不完全一致。根據(jù)仿真和測試結(jié)果進行以下分析。

2.1 駐波和隔離度

圖6 三個模式的截止頻率與喇叭高度的關(guān)系Fig.6 The cut-off frequency of three modes in the horn versus the horn length

圖7給出的是所設計饋源在兩個極化方向上的駐波和端口隔離度結(jié)果。該饋源在整個頻帶內(nèi)VSWR<1.9，在大部分頻帶范圍內(nèi)VSWR<1.6，展示出較好的低駐波特性。仿真與實測結(jié)果在趨勢上是吻合的，但是，由于實測結(jié)果中包含了180°電橋和連接電纜，實測結(jié)果比仿真結(jié)果略差。同時，端口的實測隔離度優(yōu)于-45dB，結(jié)果也略差于仿真結(jié)果。

圖7 饋源VSWR和隔離度Fig.7 VSWR and isolation of the feed

2.2 波束寬度

饋源的-3dB波束寬度測試結(jié)果如圖8所示，在整個頻帶范圍內(nèi)，饋源的–3dB波束寬度都大于51.5°，實現(xiàn)了寬波束的性能，同時，在整個頻帶內(nèi)，波束比較穩(wěn)定，兩個平面的波束范圍在51.5°至62°之間，有利于提升測試效率。

圖8 饋源測試-3dB波束寬度Fig.8 -3dB beamwidth of the feed

2.3 輻射方向圖和交叉極化

本文對E面和H面的主極化方向圖和交叉極化方向圖做了測試，并將兩個平面測試的主極化與仿真結(jié)果進行了對比，對所有結(jié)果進行歸一化處理，結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，兩個平面的主極化測試與仿真結(jié)果比較一致，驗證了設計的準確性，E面和H面交叉極化<-30dB，擁有比較低的交叉極化。

2.4 相位中心

以E面4GHz相位中心為參考點，從圖10中可以看到，饋源仿真的相位中心變化范圍<0.32λ（λ為4GHz對應的波長），相位中心比較穩(wěn)定。

圖9 饋源歸一化測試和仿真方向圖Fig.9 Normalized measured and simulated radiation patterns of the feed

圖10 饋源仿真相位中心Fig.10 The simulated phase center of the feed

3 結(jié)束語

本文設計并加工測試了一個4GHz～8GHz的低駐波、寬波束緊縮場饋源。通過平衡饋電中心脊波導，減小了饋電段的頻率敏感性，抑制了高次模式的產(chǎn)生，從而拓展了帶寬，提升了饋源的駐波性能。與傳統(tǒng)四脊喇叭相比，該饋源結(jié)構(gòu)簡單，更易于加工。在喇叭口面位置處加載了三個軸向波紋槽，調(diào)節(jié)三個槽的深度和寬度可以很好地提高和均衡饋源的波束寬度。測試結(jié)果表明，饋源實現(xiàn)了低駐波和寬波束，在4GHz～8GHz范圍內(nèi)VSWR<1.9，-3dB波束寬度>51.5°，并且擁有比較低的交叉極化和穩(wěn)定的相位中心，E面和H面交叉極化<-30dB，相位中心變化<0.32λ，是一個性能優(yōu)異的寬帶緊縮場饋源，有較好的實際工程應用價值。