具有双槽结构模变换器的双频段波纹喇叭

李 鹏，杜 彪，刘肖萌

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

随着卫星通信技术的飞速发展，卫星通信天线已经从原来的单频段扩展到双频段甚至多频段，并带动了双频馈源技术的发展。目前，波纹喇叭已经在L/C、C/Ku等双频段得到了广泛的应用。而在某些双频段，如 Ku/Ka频段，由于其特殊的频带特性——高频段的工作带宽很宽，低频段的工作带宽相对较窄，采用传统的模变换器设计出来的双频段波纹喇叭，存在E面和H面辐射方向图不等化，相位方向图的相位差较大，驻波性能难以满足要求等亟待解决的问题。

针对这种特殊的频带特性，文献［1］提出了一种新型的双槽结构模变换器，其每个周期由一个环加载槽和一个直槽组成。文献［2］研究了圆柱型(不带张角)的双槽结构模变换器，而实际波纹喇叭设计中，模变换器是具有一定角度的。针对具有张角的双槽结构模变换器，研究张角对喇叭的回波损耗、辐射特性及工作带宽的影响。在此基础上，设计出性能优良的Ku/Ka双频段波纹喇叭。

1 双频段波纹喇叭的设计

通常波纹喇叭由四段结构组成，分别是光壁段、模变换段、过渡段和辐射段［3］。本节对喇叭的辐射段、过渡段和光壁段进行了设计。

1.1 喇叭的口面参数

喇叭的辐射特性主要由喇叭的口面半径a0和半张角θ0决定［4］。选取最优口面参数的步骤如下:

首先，根据喇叭工作频带，选取口面相差φm以及照射电平 S。大量研究表明，口面相差 φm≥0.75π，才能保证波纹喇叭具有宽频带辐射特性［4］。

然后，根据 HE11模辐射场幅度等值线数值表［4］，由工作相位 φm和照射电平 S，查得空间因子uM和 φ'(θm)。

经过上述过程得到的口面半径a0和半张角θ0，并不能保证喇叭的辐射性能满足天线对其提出的要求。因此，需要用球面波展开法［3］核算喇叭的辐射场是否符合要求。如果计算得到的喇叭辐射场不符合要求，则返回第一步，调整口面相差，重新计算，直至求得的喇叭辐射场满足天线要求，即可确定喇叭的口面半径a0和半张角θ0。

针对Ku/Ka双频段波纹喇叭，采用上述计算方法，优化得到喇叭的口面半径为36.72 mm，半张角为20°。用球面波展开法计算喇叭的辐射方向图如图1所示。图1(a)、图1(b)、图1(c)和图1(d)中，上图是相位方向图，下图是幅度方向图。表示E面方向图，表示H面方向图。

图1 各频率的辐射方向图

由图1可知，喇叭的边缘照射电平在－10～－20 dB，E面和H面辐射方向图保持良好的等化;喇叭相位方向图中的相位差在±60°以内。

1.2 喇叭的过渡段

喇叭辐射口面的半径a0和半张角θ0与模变换器出口处的半径ai和张角θi并不相同，此外，辐射段的平衡混合频率［4］f0与模变换器出口处的平衡混合频率fi也不相同［5］，所以从模变换器到辐射段需要一个过渡段来实现这些参数的过渡。

常用的过渡方式有2种［6］:

① 当θ0－θi＜10°～15°时，采用分别控制型，即过渡段由变频段和变角段分别控制平衡混合频率和角度的过渡;

② 当θ0－θi＞10°～15°时，采用综合控制型，即内壁曲线采用曲率半径为常数的圆弧，在圆弧上同时实现平衡混合频率和角度的过渡。

考虑到Ku/Ka双频段波纹喇叭的半张角为20°，采用综合控制型圆弧过渡，在下文的设计实例中也证明其可行性。

指视野中垂直范围内所能清晰观察到的物象界限。当不用微调就能看清楚一个物像的平面及上下结构，这个能够看清的厚度即焦点深度。

1.3 喇叭的光壁段

光壁段的主要功能是使输入波导与模变换器之间实现良好的匹配［4］。考虑到下节中对模变换器不同角度研究的需要，光壁段的内壁曲线采用正弦平方曲线，这种曲线仅需调整其中的参数，即可实现与模变换器的良好匹配［6］。正弦平方曲线方程式如下:

式中，g1和 g2是待确定的参数，由出口半径 aout、光壁过渡段长度L和出口张角θ决定。

2 双槽结构模变换器的张角

模变换器是波纹喇叭中关键的一段，决定着TE11模转化为HE11模的纯度和有害高次模的激励程度，特别是频率低端的EH11模和频率高端的EH12模［7］。因此，模变换器对喇叭的回波损耗和辐射性能有重要影响。

双槽结构模变换器的张角，对高次模，尤其是EH12模会产生显著的激励。这些高次模对回波损耗产生影响，限制了模变换器的工作带宽［8］。下面研究模变换器的角度对喇叭的回波损耗及工作带宽的影响。

2.1 模变换器的角度对喇叭工作带宽的影响

为了研究双槽结构模变换器的角度对喇叭驻波特性和工作带宽的影响，在上节对喇叭的光壁段和变角段的设计，分别采用正弦平方曲线和圆弧曲线，它们均能适应模变换器不同的角度。在此基础上，分别计算模变换器不同角度下喇叭的回波损耗，分析模变换器的角度对喇叭工作带宽的影响。表1为模变换器不同角度下喇叭的带宽特性，其中带宽比为回波损耗优于22 dB的带宽比。

表1 模变换器不同张角下喇叭的带宽特性

由表1可知，这种双槽结构模变换器的低频段工作带宽明显小于高频段工作带宽;无论是低频段还是高频段，带宽比都随着模变换器角度的增大先增大后减小;在模变换器的角度为6°时，喇叭低频段和高频段的工作带宽比均达到最大，分别是1.324和1.816。

2.2 模变换器入口槽导纳对喇叭工作带宽的影响

模变换器入口处的波纹槽导纳(入口槽导纳)主要由波纹槽的槽深、槽宽、槽周期以及喇叭内径所决定［9］，它对喇叭驻波性能有重要影响。模变换器的角度不同，喇叭内径会发生变化，对模变换器中的槽导纳产生影响。

在模变换器的角度为6°时，调整槽参数，使入口槽导纳在10.95 GHz时分别在25、20、15和10的水平［10］，研究入口槽导纳对喇叭工作带宽的影响。由上节可知，高频段的带宽比保持在较高水平，所以仅计算不同入口槽导纳下喇叭在低频段的工作频带范围，如表2所示，工作带宽为回波损耗优于22 dB的工作带宽。

表2 不同入口槽导纳下喇叭低频段工作频带范围

由表2可知，喇叭低频段的带宽比保持在1.3的水平，低频段的工作带宽并不随入口槽导纳的改变有较大变化;但是，随着入口槽导纳值逐渐减小，喇叭低频段的工作频带范围逐渐向高频方向移动;可见，在模变换器的角度为6°时，低频段的工作带宽不变，但是通过调整模变换器入口槽导纳的值，可以实现喇叭工作频带范围的上下移动，从而使模变换器工作在需要的频带范围。

3 设计实例

设计一个Ku/Ka双频段波纹喇叭，工作频率为10.95 ～14.5 GHz，19.6 ～21.2 GHz和29.4 ～31 GHz，照射角26°，边缘照射电平为－8～－25 dB。

喇叭的结构示意图如图2所示。光壁段内壁曲线采用正弦平方曲线;模变换器采用双槽结构，张角为6°;过渡段采用综合控制型圆弧过渡;喇叭辐射段半张角为20°，口面半径为36.72 mm。

图2 波纹喇叭结构示意图

3.1 驻波特性

计算该喇叭的回波损耗如图3所示。

图3 回波损耗

由图3所示，喇叭在10.95～11.7 GHz，回波损耗优于22 dB(电压驻波比VSWR＜1.17);在11.7～14.5 GHz，回波损耗优于27 dB(电压驻波比VSWR＜1.1);在19.6～31 GHz，回波损耗优于30 dB(电压驻波比VSWR＜1.065)。

3.2 辐射特性

由图4可知，该喇叭在工作频带范围内，辐射方向图均保持良好的等化;喇叭的交叉极化水平在20 dB以下，满足设计要求。

综上所述，该馈源可以良好的工作在10.95～14.5 GHz和19.6～31 GHz，其 E面和 H面辐射方向图保持良好的等化，回波损耗在Ku频段优于22 dB，在Ka频段优于30 dB，交叉极化优于20 dB。

图4 辐射方向图

4 结束语

从馈源的辐射性能出发，优化选取喇叭辐射段的口面半径以及半张角，用球面波展开法计算了喇叭的辐射方向图;为了适应模变换器张角的变化，喇叭的变角段和光壁段分别采用了圆弧曲线和正弦平方曲线。

研究了模变换器的角度对喇叭驻波性能及工作带宽的影响，模变换器的角度从2°增加到10°时，低频段和高频段的带宽比均先增大后减小;在模变换器的角度达到6°时，喇叭低频段和高频段的工作带宽比均达到最大，分别是1.324和1.816;双槽结构模变换器的低频段工作带宽低于其高频段的工作带宽。

给出了一个Ku/Ka双频段波纹喇叭的设计实例，E面和H面辐射方向图等化良好，回波损耗在Ku频段优于22 dB，在Ka频段优于30 dB，解决了目前Ku/Ka双频段波纹喇叭驻波性能差和辐射方向图不等化的问题。

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