低交叉极化波纹喇叭天线设计

张荣蜀，逯贵祯，殷红成，白杨

(1.中国传媒大学，北京 100024；2.北京环境特性研究所，北京 100854)

1 引言

馈电喇叭天线被广泛应用于微波遥感、卫星以及广播通信等领域，它有着低交叉极化特性、高增益、宽频带以及对称的辐射特性等特点。尤其是交叉极化特性决定了天线的有用带宽，而有用带宽则决定了所有辐射参数能满足性能要求的频段。通过使用两个正交的极化，可以充分利用有限的频段。

Hiroyuki Deguchi提出了一种新型的墙壁结构的且包含有曲线轮廓的喇叭天线，并研究了口径场幅度的影响，其对测量的精度要求较高[1]。Jorge Teniente设计了一种宽频带波纹喇叭天线，其带宽为9-16GHz，但随着频率提高，其副瓣变大[2]。Sajid Muhaimin Choudhury设计了X波段的口径匹配喇叭天线，从理论上分析了其共极化和交叉极化分量，但加工难度较大[3]。K B Parikh针对非对称正弦轮廓喇叭天线进行参数分析，给出了具体的设计[4]。Joshua M Kovitz对紧凑型曲线轮廓的喇叭天线进行了优化从而获得了较高的增益但波束宽度角窄[5]。Jorge Teniente给出了设计包含水平波纹和垂直波纹的喇叭天线的指导性建议[6]。Haas Alexander[7]等人设计了一种用于雷达领域的波纹喇叭天线，其E面和H面波束宽度相近。U Schwerthoeffer[8]提出一种基于高斯波束的高性能波纹喇叭天线的设计方法，其相对带宽能到达40%。Niraj Tevar对比了不同的波纹喇叭天线设计，研究了高斯轮廓的波纹喇叭天线性能[9]。

本文设计优化了一种频段为6-9GHz的波纹喇叭天线，并进行仿真及实物加工。仿真以及实际测量的结果显示，其在目标频段内，在φ=45°时有着较低的交叉极化。

2 天线设计

对于锥形喇叭天线，为了得到具有高纯极化分量的喇叭天线，通常采用一定的几何结构将TE11和TM11的圆波导模式进行混合，得到具有纯极化的场分布混合模式H11，如图1所示。

图1 圆波导天线模式工作原理

获取混合模式H11的天线几何结构有许多不同的实现方式，有些通过改变喇叭天线轮廓，有些通过引入沟槽。考虑到加工误差对天线性能的影响，本文采用垂直与水平沟槽组合的方法实现具有低交叉极化分量的喇叭天线。

图2 高性能天线设计原理

该天线对于加工误差具有较好的容忍度，同时具有很好的极化特性。

天线设计如图2所示，分为垂直部分和水平部分。其中Ri代表内径，pH，pV分别是水平波纹和垂直波纹的周期宽度，tV，tH是皱状齿宽度，dV和dH是波纹槽深度。为了得到更低的交叉极化水平，pH的值一般取λfmax/8到λfmax/5之间。水平波纹槽深度dH为λfmin/4到λfmin/3，对于垂直波纹，pV的取值范围通常是λfmax/5到λfmax/3，dV通常在λfmim/5到λfmin/3之间。通常情况下，水平槽深度dH要大于垂直槽深度dV。本文采用pH=6.3 mm，Ri=38.1 mm，D=67mm，L=108mm。无线轮廓见图3，具体设计参数见表1。

图3 波纹喇叭天线轮廓

VariableValueRi0.381λfmindH0.31λfmintH0.45pHdV0.274λfmintV0.5pVLH56.2mmRH0.84λfminpV0.258λfmaxpH0.189λfmax

喇叭天线的激励模式为TE11模式，该模式下辐射远场可表示为：

(1)

(2)

其中Eco和Ecr分别表示共极化分量和交叉极化分量，通过上式，可获得天线的交叉极化特性。

3 测量与仿真

首先利用CST对上文设计的天线进行仿真并加工实物进行测试。图4是波纹喇叭天线的天线驻波比，在6-9GHz范围内，低于1.5。图5、图6显示的是频率f=6GHz和8GHz时，仿真与实测进行归一化后的结果，其中COM、CRM分别是喇叭天线共极化分量和交叉极化分量的测量值，COS、CRS分别是喇叭天线共极化分量和交叉极化分量的仿真结果。

由图5、图6可知，在预期频段内，波纹喇叭天线的仿真结果与实测结果较为符合。其中在6GHz时，在0°<θ<25°范围内，天线的交叉极化水平低于-30dB。频率f=8GHz时，测试值要好于仿真结果，能保证在0°<θ<25°范围内，天线的交叉极化水平低于-25dB。

图4 低交叉极化喇叭天线输入驻波比

图5 f=6GHz时，喇叭天线的共极化分量和 交叉极化分量的仿真与实测结果

图6 f=8GHz时，喇叭天线的共极化分量和 交叉极化分量的仿真与实测结果

4 结论

针对6-9GHz频段的波纹喇叭天线进行了设计与优化，仿真与实测结果显示，该天线在φ=45°时能提供较低的交叉极化特性，且在相对较宽的频带中，也能保持较低的交叉极化水平。