一种Ka波段双槽波纹喇叭天线的设计∗

(中国酒泉卫星发射中心,甘肃酒泉732750)

0 引言

波纹喇叭天线是所有馈源天线中的黄金天线,具有高增益、低副瓣,辐射特性和驻波特性优异,交叉极化电平低等优点,在航天制导、微波遥感[1]、目标探测、卫星通信、射电天文等方面都有广泛的应用。传统的波纹喇叭天线在结构上可分为大张角喇叭和小张角喇叭两种,理论上大张角波纹喇叭天线的波纹数目为4～6个,通过调整喇叭半张角可以将天线尺寸设计得很小,而小张角波纹喇叭天线由于采用四段式结构或两段式结构,横纵向尺寸往往较大,结构不够紧凑,增加了加工成本。因此,如何优化小张角波纹喇叭天线的结构是目前工程研究的一个重要方面。

波纹喇叭天线的波纹一般有直槽、轴槽和斜向槽三种,直槽为波纹垂直于喇叭轴线,轴槽为波纹平行于喇叭轴线,斜向槽为波纹垂直于喇叭母线而与轴线成一定角度。单一地采用一种槽结构,天线容易出现纵向尺寸较大、交叉极化电平和副瓣电平较高的缺点[1]。采用双槽结构不仅能够获得较低的交叉极化电平和副瓣电平,而且能够将天线结构小型化。双槽结构的理念最早用于双频或多频段波纹喇叭天线中,但都采用双直槽的设计。目前未见将直槽和轴槽设计在同一小张角波纹喇叭天线的文献。

波纹喇叭天线在L,C及Ku频段的应用已经相对成熟[2-3],但在Ka频段的研究还较少。因此,基于波纹喇叭天线的结构特点,本文设计了一种Ka波段新型双槽波纹喇叭天线,模变换段采用轴槽设计,而辐射段采用直槽设计,并通过优化天线结构,将所设计的喇叭天线作为馈源,应用到卡塞格伦天线上。软件仿真结果表明,该波纹喇叭天线不仅具有良好的辐射性能和驻波性能,而且尺寸结构得到了优化,作为馈源使用时,卡塞格伦天线性能良好。

1 设计原理

1.1 波纹喇叭天线的结构

波纹喇叭天线通常由四段式结构构成,包括输入锥削段、模变换段、过渡段及辐射段。目前对波纹喇叭天线的结构设计不再有明显的区分,通常由紧凑的两段式组成,主要包括模变换段和辐射段,模变换段的槽深一般是由输入端的λc/2渐变到λc/4,这样既起到模式转换作用,又能满足匹配要求,辐射段槽深则保持λc/4不变。图1为两段式波纹喇叭天线结构示意图。

图1 波纹喇叭天线结构示意图

波纹喇叭天线的入口处连接的是一段光滑圆波导,用A0来表示,主要传输TE11模式。模变换段为A1,它是波纹喇叭设计中非常重要的部分,主要作用是将TM11模和TE11模叠加形成HE11模,即实现TE11模向HE11模的转换。辐射段用A2表示,用于传输平衡混合模式HE11模。A1,A2两段的总长度即为喇叭天线的波纹总长度,θ为喇叭半张角,ai和ao分别为输入半径和输出半径。本文的设计目标为:中心频率fc=34.64 GHz,半张角为15°,驻波比值 ≤1.2,副瓣电平值≤-30 d B。

1.2 波纹喇叭天线模变换段设计

当喇叭的有效辐射口径相同时,与其他两种槽比较而言,轴槽波纹喇叭的口面直径较小,具有良好的辐射特性,且结构紧凑,加工方便[4]。通常情况下,轴槽的设计适用于大张角波纹喇叭,而在小张角的波纹喇叭天线中很少用到。本文将利用轴槽的结构优点,将其应用于模变换段的设计中,以减小波纹喇叭天线的纵向尺寸。

模变换段应实现圆波导与辐射段的良好过渡,为简便,模变换段A1中轴槽应采用变槽深的设计,可从λc/2至λc/4线性减小,且槽宽和齿宽分别与辐射段A2的槽、齿宽相同。在槽个数的设计上,分别研究了轴槽数目为2,3,4,5个时喇叭的辐射特性,并在HFSS中建模仿真,仿真结果如图2所示。

图2 槽数变化时的辐射特性

从图中可以看出,当轴槽数目为3,4,5个时,主极化方向图虽然对称性良好但副瓣电平较大,基本在-5～-10 dB之间,当槽数目为2个时,E面、H面方向图对称性良好,E面的副瓣电平为-34 dB,H面的副瓣电平在-21 dB,明显优于其他槽数的辐射特性,因此本文将采用2个轴槽的模变换段结构,且第一个轴槽深为λc/2,第二个轴槽深为λc/4。

1.3 波纹喇叭天线辐射段设计

波纹喇叭天线的喇叭长度会对天线旁瓣和相位中心的稳定性产生影响,因此其长度的设计不仅要考虑到工程应用的需求,同时也要兼顾到成本和重量。通常情况下,喇叭的长度应在5λc～10λc[5],我们取为8λc,即A2段的长度为8λc。波纹喇叭天线的剖面线采用简单的线型,这样将利于加工。辐射段A2的槽深度将保持λc/4不变。理论上来说,喇叭天线的相对长度越长,槽周期则越大,天线的性能也就越好,但槽周期的增大会给实际加工带来困难。为了找到合适的槽周期,对每个波长分别取3,4,5个槽周期来对波纹喇叭天线建模仿真。仿真结果显示,3种情况下天线归一化辐射方向图的副瓣电平值均在-30 d B以下,满足性能指标,但驻波性能存在优劣性,如图3所示。当槽周期数为3个时,天线驻波比完全在1.17以下且平坦度较好,驻波性能优于其他两种情况。综合看来,波纹喇叭天线的槽周期数应取3个,故喇叭辐射段的总槽数为24个。

图3 变槽周期时驻波比仿真结果

2 波纹喇叭天线建模与仿真

将波纹喇叭天线的设计目标与上述方法相结合,设计了Ka波段双槽波纹喇叭天线,如图4所示,并在仿真软件HFSS中进行建模计算,其中光滑圆波导A0的长度取为λc/2,天线的槽宽w和齿宽t之比取为4。

图4 双槽波纹喇叭天线建模

光滑圆波导的长度、波纹喇叭的槽宽和槽深会对其性能产生一定的影响。通常在初始设计时,光滑圆波导的长度取为λc/2,槽宽和齿宽满足关系w/(w+t)=(0.7,0.9),槽深取为λc/4。在实际工程应用中,往往要求所设计的天线或馈源体积重量尽量小,结构最优[6]。为了得到最佳的波纹喇叭结构,对光滑圆波导的长度、槽宽w和槽深h进行参数优化,最终得到如图5所示的仿真结果。

图5 双槽波纹喇叭天线仿真结果

从图中可以看出,该双槽波纹喇叭天线E面、H面辐射方向图在-50°～50°的范围内基本重合,归一化辐射电平较小,约为-20 dB,且方向图对称性良好。在所设计的Ka波段内,天线的驻波比较小,均在1.17以内,驻波性能良好。

3 波纹喇叭在卡塞格伦天线中的仿真应用

通过设计得到的波纹喇叭天线具有较好的辐射特性和驻波特性,且结构简单,具有较小的横、纵向尺寸,存在广泛的应用潜力。为了更加深入地研究波纹喇叭天线的性能,将该双槽波纹喇叭天线作为馈源,应用到卡塞格伦天线中。同时,结合1.3节中天线辐射段的仿真结果,设计了一副传统的单槽波纹喇叭天线,同样作为馈源应用卡塞格伦天线中。单槽波纹喇叭的槽周期数、总槽数及槽深、齿宽等结构参数均与双槽波纹喇叭相同,模变换段采用无槽光滑喇叭结构。图6为卡塞格伦天线建模图。

图6 卡塞格伦天线建模

图7(a)显示,当单槽波纹喇叭作为馈源工作于卡塞格伦天线中时,E面和H面方向图在主波瓣方向已经出现两个明显的峰值,且第一副瓣电平仍然较高,约为-4 dB,天线性能与指标要求还存在较大差距。

从图7(b)中可以看出,当采用前文设计的双槽波纹喇叭作为馈源时,卡塞格伦天线E面和H面方向图均具有较好的对称性能和主极化性能,且二者在主极化方向上方向图基本重合。方向图的3 dB波束宽度较窄,约为1.2°。H面方向图的第一旁瓣电平值约为-40 dB,但E面方向图的第一旁瓣增益值还较大,约为-25 dB,存在一定的改善空间。

图7 卡塞格伦天线仿真结果

4 结束语

本文采用轴槽和直槽相结合的方法,设计了一种工作于Ka波段的新型波纹喇叭,并在此基础上对该波纹喇叭进行了结构优化。为了进一步验证波纹喇叭的性能,将所设计的双槽波纹喇叭与另一单槽波纹喇叭分别作为馈源,应用到卡塞格伦天线中建模仿真。仿真结果表明,该双槽波纹喇叭具有良好的辐射特性和驻波特性,而且天线结构得到了优化,作为馈源使用时,卡塞格伦天线在主极化方向上的辐射性能良好。本文的设计方法能够对波纹喇叭的结构优化提供一定的理论指导,所设计的双槽波纹喇叭可应用到其他反射面天线当中。

[1]张天龄.赋形反射面天线及馈源系统研究[D].西安:西安电子科技大学,2011.

[2]邓智勇,张文静,李勇.L/S/C三频段波纹喇叭耦合L频段差模的研究[J].电波科学学报,2014,29(3):502-508.DENG Zhiyong,ZHANG Wenjing,LI Yong.L/S/CBand Corrugated Horn with L-Band Differential Mode Coupling Capability[J].Chinese Journal of Radio Science,2014,29(3):502-508.(in Chinese)

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