宽带、双极化四脊喇叭馈源研究

高 喜 李思敏 刘扬清 于新华 姜彦南

（1.桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林541004；2.桂林安德立通信技术有限公司，广西 桂林541004）

引 言

随着电子对抗以及电子侦察技术的发展，要求天线具有宽频带、极化可变等特性.抛物面天线在雷达系统中经常被用作收发天线，而高性能的宽频带馈源系统的设计，能够有效改善抛物面天线的工作性能，并实现天线小型化，从而实现整个雷达系统的小型化，增加其隐蔽性.但是，对于反射面天线而言，要设计具有高增益、低副瓣、宽频带，同时要满足主天线两个主平面的边缘照射电平等综合电特性的馈源，具有相当的难度.

喇叭天线具有结构简单、易于加工、方向图好、增益高等优点，因此，被广泛用于抛物面天线的馈源.在喇叭天线中采用脊加载方法能极大扩展喇叭天线的工作带宽.如果采用四脊加载，即四脊喇叭，还能够实现双极化要求.因此，采用脊加载喇叭天线作为抛物面天线的馈源具有较大的优越性［1］.本文设计了一种具有渐变后腔的4～12GHz高性能四脊双极化喇叭馈源天线，对脊波导段、喇叭段、后腔以及探针位置对天线辐射特性的影响进行了分析并对参数进行了优化.结果表明，所设计的馈源在整个工作频段内具有低副瓣、高增益特性，在低频端两个主平面的-12dB的边缘照射角大于110°，高频端两主平面的-12dB的边缘照射角均大于60°.

1 基本理论

对四脊喇叭天线，当只在某一极化端口激励时，与该极化方向正交的那对脊对天线性能的影响极小，也就是说相互正交的两端口之间的隔离度很好.因此在设计本喇叭天线时，首先设计方形双脊喇叭，得到优化的喇叭以及脊的结构参数，将设计好的双脊复制到喇叭天线的另外两壁上，形成四脊喇叭天线［2］.而双脊喇叭天线分为双脊波导、脊加载的喇叭段以及后腔三部分，具体结构如图1所示.在矩形波导中加载膜片能够以几倍量级增加H10模的截止波长，同时H30模式的截止波长降低，从而大大拓宽了其工作频带.对脊波导参数的选择是确保脊加载喇叭天线在整个工作频带范围内单模工作的关键.

图1 喇叭天线的纵截面结构

为了与同轴线阻抗匹配，假定所设计的脊波导中H10模的特征阻抗ZTE10＝50Ω，根据文献［3］中的方法，选取s/a1＝0.2，d/b＝0.1.其中s为脊宽，d为脊间距，a1、b为波导的宽和高（这里a1＝b）.令TE10模的截止频率fTE10＝2GHz（低于天线工作频率的下边频），得到脊波导的参数为：s＝4.2mm，d＝2.1mm，a1＝b＝21mm.

在脊喇叭段，脊曲线采用指数曲线形式［4］为

式中：0＜z＜L，z为喇叭中轴线坐标；A1，B1，C1为待定系数，取值分别为：为喇叭的口径.式（1）中线性项C1z能有效缩短天线的轴向长度L，喇叭口径a的取值大于天线最低工作频率的半个波长，L和a的具体取值根据所设计天线电参数的要求进行优化.

为了降低驻波，天线的后腔采用渐变腔，以代替通常使用的方形腔，如图1所示，而且脊波导中的脊嵌入在渐变腔内.在这些设计基础上，将设计好的脊复制到喇叭的另外两个光滑壁上，即得到四脊喇叭天线的模型，图2为四壁喇叭天线中脊波导段的横截面结构.

图2 方形四脊波导横截面结构

2 模拟分析

在得到四脊喇叭天线模型的基本参数基础上，利用CST电磁仿真软件对天线的辐射性能进行模拟分析，并对天线的整体结构参数进行优化.由于天线两对脊间的间距较小，而脊又具有一定的厚度，为了使脊不互相接触，对脊的边沿采用45°倒角处理.

方向图是天线一个重要的设计指标，通过模拟发现，与普通喇叭天线一样，四脊喇叭天线的方向图和增益主要受喇叭段长度L和喇叭口径面尺寸a的影响：3dB波束宽度随L和a的增加而减少；增益随L的增加而增加.根据天线增益和波束宽度的要求对L和a进行优化.另一方面，脊间距d、脊宽度s以及脊边沿倒角的角度对天线辐射性能的影响在文献［5］中有详细论述，因此对这一工作的分析在此不再赘述.

为了分析天线后腔对天线驻波比的影响，在其他参数一定的情况下，对后腔为矩形结构以及渐变结构进行了对比研究，结果如图3所示.图中显示，当后腔为矩形结构时，天线在工作频段内的驻波比最大值为2.8，而当后腔为渐变腔时，驻波比得到了很大程度的改善，最大驻波比为1.8.因此，采用渐变的后腔结构能有效降低天线的驻波比.

图3 不同背腔结构对应的驻波比

天线由两个正交且错开的探针馈电，以得到两个不同的极化方向的辐射特性.为了提高天线两个端口驻波比的一致性，采用特制的馈电探针，探针直径φ＝0.7mm，同时将两探针的间距设置尽量小［6］.为了研究探针伸入脊波导内部的位置对驻波比的影响，在固定天线其他结构参数情况下模拟了不同探针位置对应的驻波比，结果如图4所示，图中d0表示探针到一对脊中另一膜片端面的距离（见图2）.从图4可以看出，天线的驻波比随d0的减少而降低，尤其在低频段，驻波比降低更为迅速，当d0＝0 mm，也就是说探针完全伸入到一对脊中另一膜片内部时，天线的驻波比达到最优值，在整个工作频带范围内小于2.究其原因，同轴线的内导体通过第一个脊的腔体，连到第二个脊上形成短路，此时内导体在波导腔中可看作单极子辐射器，同时脊波导的阻抗与同轴线阻抗基本一致，形成良好的阻抗匹配，使输入驻波比得到很大程度的改善.图5为不同频率下天线的远场辐射图.可以看出，该天线具有较好的方向图特性，在整个工作频段增益处于10～13dB之间.同时，馈源的两个主平面（E面及 H面）的-12dB波瓣宽度在低频端（4GHz）大于110°，随着频率的升高，波瓣宽度变窄，在高频端（12GHz）最小，此时E面的-12dB波瓣宽度为60°，H面的-12dB波瓣宽度为90°.

图4 不同探针位置对应的驻波比

3 实验测试

在模拟的基础上，对该喇叭进行了加工测试.并在整个工作频段以1GHz为频率间隔采样点，对天线的方向图特性和驻波特性进行了测试.图6、7为4～12GHz之间2个典型频点的E面方向图测量结果及相应CST仿真结果的对比.其中，实线为实验测试结果，虚线为模拟结果.可以看出，测量结果与仿真结果总体上吻合较好.然而在高频段，测试结果与模拟结果之间的差异变大，这主要是由于高频段对应电磁波波长变短，此时加工工艺对测试结果的影响变得明显所致.

4 结 论

设计了一个工作于4～12GHz的双极化四脊喇叭天线，利用CST软件分析了不同后腔结构及探针位置对天线辐射性能的影响.研究结果表明，天线后腔如果采用渐变结构能有效降低天线的输入驻波比，同时探针的位置对天线驻波比也有很大影响，当探针伸入到一对脊中的另一膜片内部时，天线输入驻波比达到最佳值，在整个工作频带范围内小于2.天线在整个工作频带范围内都具有较好的方向图特性，E面、H面的-12dB波瓣宽度在低频端大于110°，随着频率升高，波瓣宽度有所降低，但是仍然能满足主天线的要求，总体上，整个频带范围内，-12 dB波瓣宽度均大于60°.实验测试结果与模拟研究结果具有较好的一致性.本文设计的天线适合用作特定情况下抛物面天线的馈源.

［1］何山红，傅永生.分析款频带、双极化、恒束宽四脊喇叭的混合方法［J］.电波科学学报，2002，17（2）：160-164.HE Shanghong，FU Yongsheng.A hybrid method for analyzing quadruple-ridged horns with wide-bandwidth，dual polarization and constant beamwidth［J］.Chinese Journal of Radio Science，2002，17（2）：160-164.（in Chinese）

［2］PYLE J R.The cutoff wavelength of the TE10mode in ridged rectangular waveguide of any aspect ration［J］.IEEE MTT，1966，14（4）：175-183.

［3］藤秀文.电子战四脊喇叭天线［J］.电子对抗技术，1995，9（4）：22-27.

［4］KERR J L.Short axial length broad-band horns［J］.IEEE Tans Antennas and Propagation，1973，21：710-714.

［5］毛 岫，李鹏程，邓 辉，等.500MHz～3.5GHz高性能宽带双极化天线的研制［J］.微波学报，2008，24（增刊）：93-97.MAO Xiu，LI Peng-cheng，DENG Hui，et al.A high performance 500MHz～3.5GHz broadband and dualpolarized antenna［J］.Journal of Microwave，2008，24（Sup）：93-97.（in Chinese）

［6］李 彬，杨 永.宽带双极化四脊圆喇叭天线的分析与设计［J］.信息与电子工程，2011，9（2）：180-184.LI Bin，YANG Yong，Analysis and design of broadband dual-polarized quadruple-ridged circular horn antenna［J］.Information and Electronic Engineering，2011，9（2）：180-184.（in Chinese）