基于平衡馈电的倍频程宽波束紧缩场馈源*

张 雪，王正鹏

（北京航空航天大学电子信息工程学院 北京 100191）

引 言

紧缩场测试技术是一种国际先进的室内测量技术，在通信、国防、航空航天等领域发挥着不可替代的作用[1]。为了获得更高的测试精度和测试效率，紧缩场馈源一直朝着宽带、宽波束、低交叉极化、稳定的相位中心发展[2]。在宽频带测试中，宽带馈源可以减少更换馈源的次数，避免因更换馈源导致的测试精度下降等问题。波纹喇叭是一种比较常见的紧缩场馈源，具有对称的远场方向图和稳定的相位中心，但其典型工作带宽为1.5:1[3]，因此，一般作为标准波段馈源使用。四脊喇叭因其宽带特性被广泛研究，但其缺点在于，随着频率的升高，波束宽度急剧变窄，方向图在高频时容易出现不对称、主瓣分裂等情况[4,5]。平衡馈电技术可以提高喇叭内基模的纯度，利于实现带宽，通常在圆波导喇叭中比较常见[6]，近年来，该技术越来越多地被应用于脊喇叭天线中，在拓展了带宽的同时也改善了波束的对称性[7]。文献[8]介绍了一种基于倒脊的平衡馈电方法，这种方法更利于匹配，但其设计的馈源工作带宽为一个标准波段，不适合作为宽带宽波束的紧缩场馈源。此外，正交模式转换器（OMT）是一种利于双极化设计，可以实现优异的极化隔离的馈电方式，但依然存在着带宽受限的问题，工作带宽一般为1.5:1[9]。本文设计了一种工作在4GHz～8GHz的基于平衡馈电的中心脊波纹喇叭馈源天线，该天线具有低驻波、宽波束、低交叉极化等优点，能够很好地满足紧缩场馈源的要求。

1 天线设计

1.1 平衡馈电

平衡馈电结构如图3所示，四个同轴探针分别从喇叭壁的外侧馈入，外导体连接喇叭壁，内导体与十字形中心脊的四个脊片的连接点旋转对称，由180°电桥产生两路等幅反相的差分信号，通过向一对对立的端口（比如端口1和端口2）馈入，实现平衡馈电。这种馈电方法可以提高激励时基模的纯度，抑制高次模的产生，并且由于其结构具有旋转对称性，因此，不存在因馈电结构差异导致的两个极化方向上性能的差别，在设计时只需要考虑其中一个极化方向，大大减小了设计复杂度。

馈电部分的设计是馈源实现宽带低驻波的关键。设计的同轴探针内导体直径为0.64mm，外导体直径为1.371mm，输入阻抗约为50Ω。中心脊波导的脊片与圆锥形外壁结构可近似看作微带线，因此，圆锥喇叭外壁与脊片之间的距离和脊片宽度对中心脊波导的阻抗的影响非常大。仿真表明，在馈电位置处，喇叭外壁与中心脊的间距应尽可能小。脊片宽度通常可以取λm/10左右（λm为中心频率对应波长），可以通过扫描参数来确定最优值。同轴探针通常距离短路板约λm/4。经过优化，最终设计的参数d=1.52mm，g=4.57mm，能够使馈源具有比较好的驻波特性，实现了同轴探针阻抗到中心脊波导阻抗的过渡。

图1 馈源实物照片Fig.1 The photo of the feed

4GHz～8GHz平衡馈电中心脊波纹喇叭的实物如图1所示。图2是中心脊喇叭馈源的剖面图，馈源由平衡馈电结构、圆锥形喇叭壁、十字形中心脊、轴向波纹槽和底部的圆台腔体构成。整体设计可以分为两个部分，一个是从同轴探针到中心脊波导的阻抗匹配，一个是中心脊波导到自由空间的传输。

图2 中心脊喇叭剖面图Fig.2 The profile of central quad-ridged horn

1.2 中心脊波导

中心脊波导由外侧的圆锥形喇叭壁和中间的十字形中心脊构成。图4是十字形中心脊的几何结构，主要分为馈电段和过渡段两部分。馈电段的脊曲线为与x轴平行的直线段，用于同轴探针向中心脊波导的转换；过渡段的主体脊曲线为指数函数和一次函数的组合（如图4中红色曲线所示），顶部叠加四棱锥，用于中心脊波导向自由空间过渡。

图3 中心脊平衡馈电结构Fig.3 Central quad-ridged balanced feed

图4 十字形中心脊Fig.4 Cross central quad-ridge

中心脊与圆锥喇叭壁的间距和脊片宽度是决定中心脊波导阻抗的关键参数，为了使中心脊波导的阻抗能够平滑地过渡到自由空间阻抗，需要在喇叭传播方向上设计合适的中心脊与圆锥喇叭壁间距，在这里我们采用调节喇叭壁的锥度和中心脊过渡段的脊曲线的方法。图中红色脊曲线的函数表达式为y=aekx+bx-a，其中，参数k决定了脊曲线的张开速度，k越大，张角越大，对应中心脊的轴线长度就越短；k越小，张角越小，对应中心脊的轴线长度越长，参数a、b也能控制脊曲线的变化。因此，我们对圆锥喇叭壁的长度、锥度和脊曲线进行了优化。对于脊曲线的优化参数k，k较小，即中心脊的轴线长度较长时，利于形成较低的驻波，在优化圆锥喇叭壁的同时，还需要考虑喇叭长度和口面直径对波束宽度的影响，口面过大不利于实现宽波束，经过优化后的中心脊略高于圆锥喇叭口面，天线的口面直径W为54.96mm，喇叭壁长度L为131.8mm。

对于中心脊波导，与传统的四脊波导喇叭拓展带宽的原理类似，中心脊的加载也可以降低圆锥波导喇叭主模的截止频率，提高天线的带宽。截止频率较低的前三个模式分别为TE11模式、TE21L模式和TE21U模式，主模为TE11模。图5展示的是中心脊波导这三个模式的电场和磁场分布，与传统的四脊圆波导有着明显的不同，TE21L模和TE21U模与设计的激励不符合，是很难被激励起来的。为了分析平衡馈电中心脊波导喇叭的带宽性能，研究了前三种模式截止频率随脊波导高度变化的关系。图6中喇叭高度以馈电位置为参考平面，可以看到TE21L模和TE21U模出现了分离，很好地抑制了TE21L模，获得宽带特性。

图5 中心脊波导三个模式的电场分布和磁场分布Fig.5 The electrical field and magnetic field distributions of three modes in the central quad-ridge waveguide

1.3 轴向波纹槽

波纹槽是一种扼流结构，可以改变喇叭口面边缘的电流分布，从而影响辐射性能。如图2所示，Part A代表轴向波纹槽，轴向波纹槽加载在圆锥喇叭壁的口面边缘。为了更好地调节所设计的中心脊喇叭馈源的辐射模式，在频带范围内拓宽和稳定波束宽度，选取槽的个数为三个，其深度都接近4GHz对应波长的四分之一，且最靠近喇叭中心的槽最深，向外槽深依次减小，在优化好槽深之后，波束宽度的稳定主要依靠波纹槽宽度的选择。经过严格优化，最终设计的馈源在频带范围内实现了宽波束。

2 仿真与测试结果分析

馈源的设计阶段使用全波仿真软件CST-MWS进行仿真和优化，最终设计的馈源被加工并对其进行了测试，虽然该馈源结构具有旋转对称性，但实际因加工和测试设备的原因可能会导致两个极化的测量结果不完全一致。根据仿真和测试结果进行以下分析。

2.1 驻波和隔离度

图6 三个模式的截止频率与喇叭高度的关系Fig.6 The cut-off frequency of three modes in the horn versus the horn length

图7给出的是所设计馈源在两个极化方向上的驻波和端口隔离度结果。该馈源在整个频带内VSWR<1.9，在大部分频带范围内VSWR<1.6，展示出较好的低驻波特性。仿真与实测结果在趋势上是吻合的，但是，由于实测结果中包含了180°电桥和连接电缆，实测结果比仿真结果略差。同时，端口的实测隔离度优于-45dB，结果也略差于仿真结果。

图7 馈源VSWR和隔离度Fig.7 VSWR and isolation of the feed

2.2 波束宽度

馈源的-3dB波束宽度测试结果如图8所示，在整个频带范围内，馈源的–3dB波束宽度都大于51.5°，实现了宽波束的性能，同时，在整个频带内，波束比较稳定，两个平面的波束范围在51.5°至62°之间，有利于提升测试效率。

图8 馈源测试-3dB波束宽度Fig.8 -3dB beamwidth of the feed

2.3 辐射方向图和交叉极化

本文对E面和H面的主极化方向图和交叉极化方向图做了测试，并将两个平面测试的主极化与仿真结果进行了对比，对所有结果进行归一化处理，结果如图9所示。从图中可以看出，两个平面的主极化测试与仿真结果比较一致，验证了设计的准确性，E面和H面交叉极化<-30dB，拥有比较低的交叉极化。

2.4 相位中心

以E面4GHz相位中心为参考点，从图10中可以看到，馈源仿真的相位中心变化范围<0.32λ（λ为4GHz对应的波长），相位中心比较稳定。

图9 馈源归一化测试和仿真方向图Fig.9 Normalized measured and simulated radiation patterns of the feed

图10 馈源仿真相位中心Fig.10 The simulated phase center of the feed

3 结束语

本文设计并加工测试了一个4GHz～8GHz的低驻波、宽波束紧缩场馈源。通过平衡馈电中心脊波导，减小了馈电段的频率敏感性，抑制了高次模式的产生，从而拓展了带宽，提升了馈源的驻波性能。与传统四脊喇叭相比，该馈源结构简单，更易于加工。在喇叭口面位置处加载了三个轴向波纹槽，调节三个槽的深度和宽度可以很好地提高和均衡馈源的波束宽度。测试结果表明，馈源实现了低驻波和宽波束，在4GHz～8GHz范围内VSWR<1.9，-3dB波束宽度>51.5°，并且拥有比较低的交叉极化和稳定的相位中心，E面和H面交叉极化<-30dB，相位中心变化<0.32λ，是一个性能优异的宽带紧缩场馈源，有较好的实际工程应用价值。