一种宽带宽波束圆极化喇叭天线设计方法

何清明 于伟 李智

摘  要：四脊型宽带宽波束圆极化喇叭天线因其扇形波束和圆极化特性在电子自卫干扰设备中应用广泛。分析表明，采用非等化对脊结构四脊喇叭体与异型介质移相片结合可实现3：1工作带宽，新颖的层叠介质透镜在解决波束展宽的同时实现2.4：1.0轴比带宽，整体指标已接近国外类似产品。研究表明，该设计方法可作为解决宽带宽波束圆极化喇叭天线小型化有效途径之一。

关键词：宽带;宽波束;圆极化;异型介质移相片;层叠介质透镜;轴比

中图分类号：TN828     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）23-0061-04

A Design Method of Broadband and Wide Beam Circular Polarization Horn Antenna

HE Qingming，YU Wei，LI Zhi

（Key Laboratory of Electronic Information Control，Chengdu  610036，China）

Abstract：Four ridge broadband and wide beam circularly polarized horn antenna is widely used in electronic self-defense jamming equipment because of its sector beam and circular polarization characteristics. The analysis shows that the combination of non-equivalent to the ridge structure four ridge horn body and the heteromorphic medium transfer photo can be achieved 3：1 working bandwidth. The new laminated dielectric lens can achieve 2.4：1.0 axial ratio bandwidth while solving beam broadening. The overall index is close to similar products abroad. Research shows that this design method can be used as one of the effective ways to solve miniaturization of the broadband and wide beam circular polarization horn antenna.

Keywords：broadband;wide beam;circular polarization;heteromorphic medium transfer photo;laminated dielectric lens;axial ratio

0  引  言

電子干扰设备的目标多种多样，分布范围广，极化随机性强，其配置天线通常须满足瞬时宽带宽波束和极化多样性的特征。国内外相关设备大多采用宽带宽波束圆极化或斜极化天线。新型四脊型宽带宽波束圆极化喇叭天线，波束呈扇形，能够满足绝大多数电子干扰设备的需求，对其开展研究具有较高的工程价值。国外原型公开于20世纪70年代，内部结构不详，当时国内分析与设计条件有限，无法进行深入研究。20世纪90年代，国内曾以此为蓝本开发出6.5 GHz～18.0 GHz的类似产品[1]，但其纵向尺寸过长，使用起来十分不便。TECOM（美）、SAAB（瑞典）和M.E.C（美）等公司开发出一种新型四脊宽带宽波束圆极化喇叭天线[2，3]，具有结构简单、纵向尺寸小、波束呈扇形的特点。ITT航空电子设备公司（美）开发的AN/ALQ-211综合射频对抗组件（SIRFC）所配置的双圆极化发射天线，属于公开资料中四脊型宽带宽波束圆极化喇叭天线的最新形式。两种天线在国内均未得到实际应用，其设计方法也未见诸公开资料。研究表明：四脊型宽带宽波束圆极化喇叭天线纵向尺寸可以缩短，其轴比受内部结构参数和材料参数的影响很大，要想实现3：1轴比带宽则存在一定困难，然而，大多数应用环境并不需要轴比带宽达到3：1。在轴比较差频段，极化呈斜椭圆，所以该天线同样具备极化适应能力。

1  原理结构及工作原理优化

天线由四脊喇叭体、异型介质移相片和层叠介质透镜组成，如图1所示。激励端口采用相应标准的双脊波导。

双脊波导与四脊喇叭体（内含异形介质移相片）错位45°对接实现圆极化;层叠介质透镜起展宽波束的作用。电磁信号经过双脊波导在四脊喇叭体输入端分解成等幅同相正交线极化工作主模TE10和TE01。两个主模信号经过四脊喇叭体（内含异型介质移相片）后在喇叭体口面实现相差π?2（或-π?2）。两个主模信号通过层叠介质透镜的展宽作用实现辐射方向图的展宽（沿介质透镜方向）。两个主模信号通过口面辐射，在外部空间进行矢量合成，在主波束一定空域内形成圆极化电磁波，其极化旋向取决于具体工程产品的激励模式。我们不妨将电场与异型介质移相片宽面平行的传输主模定义为TE10，而将另一传输主模定义为TE01。图2为喇叭体内坐标关系示意图。

以四脊喇叭体的输入端作为坐标原点，两个主模在喇叭体口面的相差可按式（1）估算：

Δφ=2πdz               （1）

其中，f为工作频率;L为喇叭体总长度;λg1（z，f）为纵向坐标z横截面尺寸条件下模式1波导波长;λg2（z，f）为纵向坐标z横截面尺寸条件下模式2波导波长。

在纵向坐标z横截面尺寸条件下模式1和模式2的波导波长按式（2）和式（3）计算：

λg1（z，f）=                  （2）

λg2（z，f）=                  （3）

其中，λ0（f）为电磁波在真空中的波长;εre1（z）为纵向坐标z位置横截面尺寸模式1等效介电常数，可用微扰法或变分法获得近似值，也可通过电磁仿真工具软件数值分析获得精确值;εre2（z）为纵向坐标z位置横截面尺寸模式2等效介电常数，可用微扰法或变分法获得近似值，也可通过电磁仿真软件数值分析获得精确值;λc1（z）为纵向坐标z位置横截面尺寸模式1截止波长，可通过类似双脊波导横向谐振法获得相应本征值的解析方程[1，4]，再通过数值方法求解本征值，由本征值求出模式1截止波长;λc2（z）为纵向坐标z位置横截面尺寸模式2截止波长，可通过类似双脊波导横向谐振法获得相应本征值的解析方程[1，4]，再通过数值方法求出本征值，由本征值求出模式2截止波长。

当喇叭体口面Δφ满足±π/2要求时，天线辐射圆极化电磁波。双脊波导与四脊喇叭体的相对位置关系决定了极化旋向。

2  设计方法

喇叭体口面的参数以工作频带的高端作为设计基础，一般在1.35～1.65λmin范围内选取。当喇叭体口面尺寸过大时，会使两个正交主模辐射的电磁波相位方向图差异过大而导致宽角轴比恶化。喇叭体的长度一般在3.5～5.5λmin范围内选取。喇叭体的两对脊采用等化设计模式。原则上，安装移相片的脊间距应小于另一对脊间距以均衡异型介质移相片引入的相移频率特性。脊间距的过渡采用直线形式，并在脊上增加异型介质移相片限位槽。

为便于加工，传统的介质移相片采用平面结构形式，相关资料中有简要介绍[5]。从原理上讲，电场垂直于介质移相片宽面的相移常数可以视为真空中相移常数。实际上由于脊间间距较小，介质移相片厚度对该主模相移常数的影响无法忽略不计。借助介质移相片中间变薄的技术使等效厚度变小，以保证电场垂直于介质移相片的主模TE10相移常数逼近无介质移相片时的近似值（等效介电常数逼近1），从而解决其引入的反射问题。介质材料一般选取介电常数比较稳定的高纯度PEEK或高纯度聚四氟乙烯。高纯度PEEK（非增强型）材料的介电常数通常取3.20±0.05，其损耗正切在0.001量级;高纯度聚四氟乙烯材料的介电常数通常取2.10±0.05，其损耗正切在0.000 1量级。

特殊的介质透镜结构将会改变传统喇叭天线的口面场分布，从而实现频带高端的辐射方向图展宽，有关波束展宽介质透镜的设计方法在相关资料中有详细的介绍[6]，以供参考。

传统波束展宽介质透镜大多采用实芯结构，重量较重，天线存在头重脚轻的弊端。介质透镜的介电常数和结构形式不仅关系到波束质量的好坏，同时也会对轴比产生一定的影响。工程上可采用层叠结构来消除传统设计弊端和等效介电常数调整。层叠介质薄片厚度与层间间距比一般在1.1：1.0～1.5：1.0之间选取。层叠介质片悬空而产生的变形可导致介质透镜频率特性恶化，因此需要在叠片之间增加介质支撑。层叠介质透镜的物理尺寸与介电常数相关度高，材料通常选择高纯度PEEK或聚四氟乙烯。

圆极化喇叭天线的电气性能和物理特性与具体装配方式有关。介质移相片移相特性的优劣与其在喇叭体内的相对位置密切相关。安装介质移相片的脊间距原则上取负差，范围要求控制在±0.1 mm之间。介质移相片安装尺寸取正公差，范围一般控制在0～0.05 mm之间。介质移相片需要由专业人员安装。介质移相片固定在指定位置后，可以采用PEEK介质销钉将其和四脊喇叭固定在一起。介质移相片与介质销钉之间不得有粘胶，避免因空气密闭其中而使功率容量下降（大功率连续长时间辐射时，很容易因空气热膨胀而使介质移相片出现爆裂现象）。為避免介质销钉脱落，可在介质销钉和喇叭体之间采用环氧胶进行粘结。介质透镜的装配要求相对宽松一些。

3  实例仿真

设计要求：频段覆盖7.5 GHz～18 GHz;驻波系数优于2.5;波束覆盖（边沿增益优于0 dB）：60°×40°;轴向轴比典型值优于3 dB，最大值优于4 dB;宽角轴比典型值优于3 dB，最大值优于5 dB（方位±30°，俯仰±20°）;功率容量不小于200 W（海拔20 000 m，连续波），降额系数本文取0.2。

根据设计目标，建立参数化模型。初始设计参数：四脊喇叭体口面25.0 mm×25.0 mm（LF6）;四脊喇叭体长度70.0 mm;异型介质移相片52.5 mm×2.4 mm（高纯度聚四氟乙烯）;层叠介质透镜27.0 mm×25.0 mm×20.0 mm（高纯度聚四氟乙烯）;激励波导选择WRD650型双脊波导。电磁仿真模型如图3所示。利用商业电磁分析软件HFSS 20 R1进行电磁特性分析与结构参数优化。电磁特性仿真结果如图4-图8所示，结果表明：驻波系数在3.0：1.0带宽范围内优于1.5;波束覆盖优于60°×40°，其边沿增益优于3 dB;轴向轴比在2.4：1.0带宽范围内优于3 dB;宽角轴比在2.4：1.0范围内典型值优于3 dB，最大值优于4 dB（波束覆盖范围内）;功率容量：在输入端采用1 200 W（18 GHz）激励之后，天线内部的最大场强为0.6 MV/m，远低于空气击穿场强（3 MV/m），按照降额系数0.2估算，功率容量可达240 W，优于设计目标。总体来看，除轴比带宽外，整体性能指标已经与国外类似产品[2]公开指标相当，而宽角轴比则更优。

4  结  论

由四脊喇叭体、异型介质移相片和层叠介质透镜结构形式可解决传统宽带宽波束圆极化喇叭天线小型化的难题，波束呈扇形。该类天线不仅可以广泛地应用在常规小型电子干扰设备中，也可作为特殊波束反射面馈源应用于其他各类电子设备。如果其内部介质采用防辐射噪声材料（如聚酰亚胺类），优化相应参数，即可将其应用于航天领域。该类天线虽结构简单，但设计参数之间关联性强，影响因素多，须根据实现形式进行相应的结构优化和误差分析，增加工装夹具控制公差。

参考文献：

[1] 廖元寿.新型宽带扇形波束圆极化天线 [J].电子对抗技术，1992（6）：1-5.

[2] TECOM. Circularly Polarized High Power Antennas-201614 [EB/OL].http：//www.tecom-ind.net/files/1/536146d1ac7c0-WebDA0206 009rev2.pdf.

[3] Microwave Engineering Corporation. Circularly Polarized Quad-Ridge Horn Antennas [EB/OL].http：//microwaveeng.com/product/circularly-polarized-quad-ridge-horn-antennas/.

[4] 柯林.导波场论 [M].侯元庆，译.上海：上海科学技术出版社，1966：218-239.

[5] 吕善伟.微波工程基础 [M].北京：北京航空航天大学出版社，1995：255-256.

[6] 佛拉金.特高频天线 [M].陈秉钧，译.北京：国防工业出版社，1962：486-487.

作者简介：何清明（1972—），男，汉族，四川人，高级工程师，本科，研究方向：宽带天线分系统。