一种K 频段宽带双极化滤波喇叭天线设计

方超 梁仙灵 刘一帆 耿军平 金荣洪 汪伟

（1. 上海交通大学，上海，200240；2. 华东电子工程研究所，合肥 230088）

引 言

K/Ka 频段宽带卫星通信具有传输速率高、通信容量大等优点，是未来卫星通信领域的主力军. 卫星上行通信频率为27.5～31.0 GHz，下行通信频率为17.7～21.2 GHz，该频段天线引起学者们的广泛关注及研究[1-13]，大致可分为三类. 第一类是以微带贴片/缝隙形式设计的Ka 天线，如文献[1]基于微带贴片设计了一种线性阵列天线，结合射频相移网络实现波束扫描，阻抗带宽为28.7～30.3 GHz，覆盖部分上行频段，天线效率约为29%. 文献[3]基于微带缝隙形式设计了一种双频共口径阵列天线，阻抗带宽为19.5～21.5 GHz/29～31 GHz，覆盖部分上行和下行频段，天线效率约为20%/13%. 可见，选用微带结构具有低剖面优势，但天线效率往往受限于微带网络而比较低. 第二类是以反射面天线形式设计的天线，如文献[6]介绍了一种基于超表面结构设计的双频反射面天线，阻抗带宽为21.0～25.5 GHz/31.5～35.5 GHz，天线阻抗带宽和效率均较好，但天线的剖面结构很高，且不易于多波束实现. 第三类以波导喇叭形式设计的天线，如文献[7]采用介质集成波导结合缝隙喇叭形式设计了双频段(20.8～21.6 GHz/25.6～26.3 GHz)阵列天线，天线效率达到67.3%/60.6%，但相对阻抗带宽较窄. 相比而言，文献[8]采用波导腔体形式设计的双频段阵列天线的带宽和效率均有提升，阻抗带宽为19.7～21.5 GHz/29～31 GHz，效率为70%/74%. 文献[9]采用介质集成喇叭形式设计的Ka 频段天线，阻抗带宽为27.7～33.1 GHz，效率达到78%. 对于狭小的卫星平台，下行发射会对上行接收产生干扰[11]. 上述几种天线本身抗干扰能力弱，需要额外级联高性能的滤波部件[12]. 文献[13]利用介质集成波导技术将滤波结构集成到天线中，这种设计既提升了Ka 频段天线自身的抗干扰能力，又降低了额外级联的滤波器设计压力[14].

此外，实际卫星除K/Ka 频段通信功能之外，还需具备K/Ka 的数传与测控功能，因此星载天线所需覆盖的频率范围往往很宽. 基于此，本论文针对宽带星载天线的应用需求，设计一种K 频段宽带双极化高效率滤波喇叭天线，并进行了仿真和实验. 仿真与实验结果表明，该天线水平极化的实测阻抗带宽为25.4%(17.9～23.1 GHz)，垂直极化的实测阻抗带宽为24.0%(18.0～22.9 GHz)，实测两极化端口的隔离度超过19.9 dB；阻抗带宽内(覆盖K/Ka 频段卫星下行)天线效率超过58%，阻带内(覆盖K/Ka 频段卫星上行)抑制超过33.1 dB.

1 天线结构

图1 给出K 频段双极化滤波喇叭天线的三维结构图. 天线口径采用阶梯型喇叭结构，由六层方形腔体衔接形成，w1～w6表示各层腔体内壁的边长，h1～h6表示各层腔体内壁的高度；底部腔体正中间有一个“凸”形金属阻抗匹配块，其参数为w7、w8、h7、h8；底部腔体两侧连接一对正交的矩形波导. 该双极化天线的工作原理是：利用正交的矩形波导在底部腔内激励起TE10模和TE01模的辐射场，并通过阶梯型喇叭实现双极化辐射. 矩形波导的尺寸为9 mm×4.1 mm，其末端由同轴探针进行激励，探针的直径为D1，高度为h9. 为实现带外抑制，在矩形波导底部的宽壁上引入T 型和Π 型单元交替排列构成的滤波结构，如图1(b)所示. 其中T 型单元由一个矩形金属片和一个金属圆柱构成，其参数为a、b、t、D2、h10，而Π 型单元由一个矩形金属片和两个金属圆柱构成，其参数为a、b、t、D2、h10、S. T 型和Π 型单元的结构参数基本相同，相邻两个单元的间距为G.

图1 天线结构图Fig. 1 Structure of the proposed antenna

2 天线设计与分析

该双极化滤波喇叭天线既具有宽频带和高效率性能，又具有良好的带外抑制性能. 为清晰阐述该天线设计，下面将对天线各部分结构和一些关键参数进行讨论.

2.1 阶梯型喇叭

喇叭天线效率主要受限于口径场分布、导体损耗以及端口匹配，阶梯型喇叭的腔体层数和各层腔体的尺寸会影响口径场分布[15]. 采用电磁仿真软件HFSS 分析不同层数的阶梯型喇叭结构，喇叭口径尺寸保持不变，对给定层数的阶梯型喇叭优化各层腔体的尺寸和“凸”形金属阻抗匹配块，使天线的阻抗带宽和方向性系数达到最佳.

图2 比较了不同层数的阶梯型喇叭天线与传统角锥喇叭天线的端口输入阻抗和反射系数. 可以看出，不同阶梯层数的喇叭天线均呈现宽带特性，且随着阶梯层数从四层增加至七层，阻抗带宽呈现先增大后逐渐趋于稳定的趋势；尤其六层阶梯型喇叭天线带内反射系数最小，且与传统角锥喇叭非常接近.

图2 阶梯型喇叭层数对阻抗带宽及反射系数的影响Fig. 2 Affection of stepped horn layers on impedance bandwidth and reflection coefficient

图3 比较了不同层数的阶梯型喇叭天线与传统角锥喇叭天线的方向性系数. 可以看出，相比阻抗带宽变化，天线方向性系数随阶梯层数的变化更为显著. 阶梯层数由四层增加到七层时，天线方向性系数呈现先增大后变小的趋势，其中六层阶梯型喇叭在阻抗带宽内的方向性系数最高，为13.3～15.8 dBi. 图4为不同层数的阶梯型喇叭天线口面电场幅度分布.可以看出，六层喇叭的口面场分布最为均匀，相比角锥喇叭，六层阶梯型喇叭的方向性系数要高出约0.2～0.8 dB.

图3 阶梯型喇叭层数对方向性系数的影响Fig. 3 Affection of stepped horn layers on directivity

图4 不同喇叭天线的口面电场幅度分布Fig. 4 Distribution of the E-field amplitude of different horn antennas

2.2 “凸”形匹配块

选定六层阶梯型喇叭后，下面分析“凸”形金属匹配块的功能. 图5 比较了“凸”形金属匹配块参数(w7、w8、h7、h8)取不同值时两个极化端口的反射系数随频率的变化曲线. 可以看出，参数w7和w8主要影响天线高频段部分的阻抗匹配，且参数w7比w8的敏感度更大；参数h7和h8主要影响天线的阻抗匹配带宽，尤其当两个参数值增大时，整个工作频段会呈现往低频偏移的现象.

图5 “凸”形匹配块取不同值时两个极化端口反射系数随频率的变化Fig. 5 Change of reflection coefficient of two polarized ports with frequency when the “convex” matching block takes different values

2.3 T/Π 型滤波结构

为实现天线带外滤波功能，在喇叭的馈电波导中引入T/Π 型滤波结构. 图6 给出该结构的色散曲线图，以基模TE10(或TE01)模的工作频率范围(f1,f2)为通带，以TE10模通带的最高频率与高次模TE20/TE11模截止频率之间的范围(f2,f3)为阻带. 下面具体分析通、阻带位置分布随滤波结构参数的变化情况，值得注意的是一个参数变化时，其余参数保持不变.

图6 T/Π 型滤波结构色散图Fig. 6 Dispersion diagram of T/Π filtering structure

通带的低频f1是由馈电波导TE10模的截止波长所确定，几乎不受滤波结构参数变化的影响. 因此，这里重点关注阻带的最低频率f2和最高频率f3.图7 为通、阻带分布随不同参数的变化. 从图7(a)、(b)可以看出，金属圆柱高度h10和矩形贴片厚度t主要影响通带和阻带的带宽. 当h10从0.5 mm 增加到0.9 mm，f2由26.8 GHz 下降至24.0 GHz，通带带宽由10.1 GHz 减小为7.3 GHz，阻带带宽由5.3 GHz 增大至7.2 GHz；当t从0.3 mm 增加到0.7 mm，f2由26.0 GHz下降至24.4 GHz，通带带宽由9.1 GHz 减小为7.7 GHz，阻带带宽由5.8 GHz 增大至6.9 GHz. 从图7(c)、(d)和(e)可以看出，矩形金属片宽度b、金属圆柱直径D2以及T 型单元中两圆柱的间距S主要影响通带带宽和阻带位置. 当b从1.3 mm 增加到1.7 mm，f2由25.7 GHz 下 降 至24.7 GHz，f3由32.2 GHz 下 降 至30.9 GHz，通带带宽由9 GHz 减小为8 GHz，阻带带宽基本不变；当S从3.6 mm 增加到4.4 mm，f2由26.3 GHz下降至24.2 GHz，f3由32.6 GHz 下降至30.7 GHz，通带带宽由9.6 GHz 减小为7.5 GHz，阻带带宽基本不变；当D2从0.25 mm 增加到0.45 mm，f2由24.2 GHz增加至26.2 GHz，f3由30.2 GHz 增加至32.8 GHz，通带带宽由7.5 GHz 增加为9.5 GHz，阻带带宽基本不变.

图7 通、阻带分布随不同参数的变化Fig. 7 Distribution of pass and stop bands varies with different parameters

因此，通过合理优化这些参数可调整天线的通、阻带分布. 表1 给出该双极化天线优化设计后的参数值.

表1 双极化天线优化设计后的参数值Tab. 1 Values of dual-polarized antenna after optimized design mm

为充分反映该滤波结构在阻带的辐射抑制性能，图8 给出该天线在通带和阻带中心频点处的空间辐射增益图，通带内的增益相比阻带内的增益高约39.6 dB. 与无滤波结构相比，天线阻带内抑制提升31.3～57.3 dB. 可见，该双极化滤波天线可在带外实现很好的辐射抑制.

图8 通带和阻带中心频点处的增益方向图比较Fig. 8 Comparison of gain pattern at the center frequency of passband and stopband

3 实验结果与讨论

为验证上述设计，采用3D 打印制作实验样件，制作材料为铸造铝合金ALSi10Mg，电导率约为21.3 MS/m. 测试场景如图9 所示.

图9 测试场景图Fig. 9 Test scenario diagram

图10 给出了实验天线的端口S 参数实测值，并与仿真结果进行了比较. 该双极化天线水平极化端口-10 dB 仿真阻抗带宽为27.1% (17.9～23.5 GHz)，实测阻抗带宽为25.4% (17.9～23.1 GHz)；垂直极化端口的-10 dB 仿真阻抗带宽为26.5% (17.7～23.1 GHz)，实测阻抗带宽为24.0% (18.0～22.9 GHz)；在阻抗带宽内，两个极化的仿真端口隔离度大于19.1 dB，实测端口隔离度大于19.9 dB. 从整体性能比较来看，实测与仿真结果吻合较好.

图10 天线S 参数的仿真和实测结果Fig. 10 Simulated and measured S parameters of the proposed antenna

图11 给 出 实 验 天 线 在18 GHz、20.5 GHz 和23 GHz 三个频率点的实测归一化远场辐射方向图，并与仿真结果进行比较. 仿真XZ面3 dB 波束宽度为24.1°～34.2°，实测波束宽度为24.3°～34.7°，主瓣内交叉极化电平低于约-14.6 dB；仿真YZ面3 dB 波束 宽 度 为32.5°～40.4°，实 测 波 束 宽 度 为32.4°～41.3°，主瓣内交叉极化电平低于-17.2 dB. 由于自制搭建的测试系统以及周围环境影响，实测与仿真方向图存在些许差异，但整体趋势还是比较一致. 实验结果表明，该宽带双极化滤波天线具有稳定的定向

图11 天线方向图仿真与实测对比Fig. 11 Comparison of simulated and measured radiation patterns

图12 给出该天线的增益和效率的频率响应曲线图. 在工作频带内，水平极化的仿真增益为13.5～15.4 dBi，对应的天线效率为67.5%～77.0%，实测增益为12.7～14.7 dBi，对应的天线效率为59.0%～67.8%；垂直极化的仿真增益为13.6～15.5 dBi，对应的天线效率为68.1%～74.4%，实测增益为12.8～14.6 dBi，对应的天线效率为58.1%～67.6%. 实测增益要比仿真增益低0.3～1 dB，其损耗增加主要原因是3D 打印铸造铝合金ALSi10Mg 的表面粗糙度较大(40 μm)所致. 在阻带带宽内，水平极化的仿真增益为-52.2～-27.9 dBi，阻带抑制超过41.4 dB，实测增益为-28.4～-21.2 dBi，阻带抑制超过33.9 dB；垂直极化的仿真增益为-40.9～-26.0 dBi，阻带抑制超过39.6 dB，实测增益为-26.5～-20.3 dBi，阻带抑制超过33.1 dB.

图12 增益和效率频率响应曲线对比Fig. 12 Comparison of gain-frequency and gain-efficiency responses

表2 将本文天线与文献中天线的性能进行比较.可以看出，本文天线实现了很宽的阻抗带宽，较高的天线效率，并具有较强的带外抑制能力.

表2 与已发表文献中相关天线的性能比较Tab. 2 Performance comparison of the related antennas in published literatures and the proposed antenna

4 结 论

本文设计了一种适合用于卫星的K 频段宽带双极化滤波喇叭天线. 该天线采用阶梯型喇叭替代传统喇叭，提升了天线的效率，并通过在馈电波导冗余空间中引入一种T/Π 型滤波结构，提升了天线的带外抗干扰能力. 仿真和实测结果表明，该天线水平极化的实测阻抗带宽达到25.4% (17.9～23.1 GHz)，垂直极化的实测阻抗带宽达到24.0% (18.0～22.9 GHz)，两个极化的实测端口隔离度超过19.9 dB；在阻抗带宽内(覆盖K 频段下行)天线效率超过58%，阻带内(覆盖Ka 频段上行)抑制超过33.1 dB.