一种X波段多极化椭圆波纹喇叭设计

王明启

(安徽博微长安电子有限公司,安徽 六安 237000)

0 引 言

现代武器和飞行技术的发展对雷达的极化方式、抗干扰能力、作用距离、分辨精度等性能提出了越来越高的指标要求。在这种背景下,雷达天线须具有极化可变能力和低副瓣性能,同时在垂直面、水平面分别形成赋形和窄波束,以提高搜索范围和分辨精度。双弯曲天线口径通常为矩形或椭圆形,其馈源形式的选择与天线口径的宽高比有关。在大宽高比多极化天线设计中,馈源作为设计的关键,其性能的优劣直接影响反射面天线的辐射特性。

馈源一般选择矩形喇叭天线,矩形喇叭可分成H面扇形喇叭、E面扇形喇叭和角锥喇叭。当反射面天线宽高比小于1.5,且不要求多极化转换时,可选择其作为馈源。但当反射面天线宽高比很大,且要求多极化转换时,矩形喇叭由于其双极化方向图很难等化,E、H面波瓣宽度差异性不大等因素,不适合作为大宽高比多极化反射面天线馈源[1]。

椭圆波纹喇叭由于波纹槽使喇叭口径边缘的绕射得到很好的抑制,其方向图具有副瓣低及等化性好等优点,是高性能反射面天线馈源的最佳选择。针对X频段大宽高比、多极化可变双弯曲反射面天线的需求,设计一种带正交模的椭圆波纹喇叭,其具有频段宽、交叉极化电平低、方向图平坦和双极化波瓣等化性好等优点。

1 喇叭设计

1.1 波纹喇叭传输特性分析

利用表面电阻法分析馈源中波纹结构的传输特性。假定波纹的周期远小于波长,但在实际加工中,受加工工艺限制,波纹周期远远小于波长的假设不成立,因此该方法只适用于大体研究波纹的传输特性。

利用表面阻抗法推导出波纹喇叭的特性方程为

(1)

定义等效壁导纳

(2)

式中,Nm为纽曼函数[2]。

1.2 正交模耦合器设计

正交模耦合器用于实现天线极化分离,作为实现双极化天馈单元的重要部件,对于两个相互正交的极化波来说是一个分离(接收时)或者混合(发射时)的元件。对正交模来说,各个端口的匹配和隔离尤为重要,模式正交也将引入极化隔离,更能保证隔离效果。

本设计采用圆波导作为公共端口,便于与波纹喇叭连接,矩形波导作为分支端口,完成TE11到TE10模式或TE10到TE11模式的转换。分支端口采用多阶矩形波导变换,变换段保持切比雪夫式阻抗变换,使得带内回波损耗尽量低且平坦。分端口间放置金属短路板,使其拥有良好的极化隔离特性[3]。正交模仿真如图1所示,分端口隔离度仿真如图2所示。

图1 正交模仿真模型图

图2 正交模分端口隔离度仿真图

1.3 波纹喇叭参数设计

本方案采用齿槽方向垂直于轴线的径向槽。设计需要在椭圆喇叭光滑壁上对称开设一系列不同深度的沟槽。这些沟槽对纵向流动的面电流呈现很大的阻抗,从而使纵向的面电流密度大大减小,根据电流连续性原理,纵向面电流的减少会使内壁表面附近的法向位移电流密度减小,从而使喇叭口径上边缘附近的法向电场分量减弱,即使得E面的场分布也变为由口径中心向边缘下降,最终使得E面和H面方向图对称,进而获得良好的辐射对称性[4]。

依据天线垂直面和水平面的半张角以及边缘馈电电平,初步确定椭圆波纹喇叭的口径尺寸(即长短轴半径a和b)。波瓣形状近似于高斯形,可以借助圆口径波纹喇叭HE11的归一化场强方向图,确定喇叭垂直面-10 dB波束宽度,进而确定长轴半径a,再由椭圆长短轴和口径椭圆率关系图求得水平面与垂直面-10 dB波瓣宽度之比,进而确定椭圆喇叭短轴半径b。喇叭最佳长度L可由下式大致确定[5]:

(3)

喇叭尺寸如图3所示。喇叭输入端槽深d按工作频率λ/2设计,以此获得低表面阻抗,进而改善喇叭的匹配,喇叭开口端槽深d按工作频率λ/4设计,以达到HE11模式的平衡混合条件。中间槽深采用平衡过度,以达到最佳的匹配性能。过渡槽数为6,总槽数为11。w为槽宽,t为齿宽,p为槽周期,w=t=0.5p。

图3 椭圆波纹喇叭尺寸示意图

因为椭圆波纹喇叭具有非圆对称的特性,其阻抗边界条件不能在宽频带内同时满足两个正交模,对于本设计中椭圆率很大的喇叭,通过设计波纹槽深渐变的方式进行补偿。

2 径向槽波纹喇叭天线仿真及实测

根据上述计算结果,利用HFSS电磁仿真软件建模仿真。优化分析椭圆到圆的过渡段、槽数量、槽深及正交模,最终确定喇叭参数为长轴半径a=85 mm,短轴半径b=40 mm,轴向长度L=166 mm,长轴张角15.3°,短轴张角5.9°。喇叭输入端槽深d=15 mm,输出端槽深d=8 mm,槽周期P=20 mm,槽宽W=10 mm,槽间距t=10 mm。仿真模型如图4所示,水平、垂直极化水平面和垂直面方向图如图5、图6所示,正交模分端口驻波如图7所示,水平极化、垂直极化E、H面交叉极化电平如图8、图9所示。

图4 仿真模型图

图5 水平、垂直极化垂直面仿真方向图

图6 水平、垂直极化方位面仿真方向图

图7 仿真驻波图

图8 水平极化E、H面交叉极化抑制度仿真图

图9 垂直极化E、H面交叉极化抑制度仿真图

该喇叭天线工作频段较高、物理尺寸较小,径向槽的加工、倒角的清理对加工和装配的精度要求很高,实际加工时使用高精度五轴数控机床、线切割等方法来保证加工精度,利用真空钎焊技术分别加工椭圆波纹喇叭的上下两面,在上下两面的连接处安装定位销以保证装配精度,通过高精度拼接形成实物喇叭。喇叭实物如图10所示。

图10 喇叭实物图

利用ORBIT平面近场测试系统,选择合理截断角对喇叭进行测试,驻波测试结果如图11所示。带内驻波在1.4以内,表明喇叭水平及垂直极化驻波性能良好。

图11 水平、垂直极化驻波实测图

图12 水平、垂直极化垂直面实测方向图

方向图测试结果如图 12、图13所示,可见水平、垂直极化水平面及垂直面-20 dB幅度电平差值均在0.2 dB以内,具有良好的幅度等化性。

图13 水平、垂直极化方位面实测方向图

交叉极化测试结果如图14、图15所示,照射角内极化抑制度优于35 dB,具有良好的交叉极化抑制性能。正交模分端口隔离度测试结果如图16所示,可见分端口隔离度优于40 dB,具有良好的极化隔离性能。仿真数据与实测结果基本一致,满足设计要求。

图14 水平极化E、H面交叉极化抑制度实测图

图15 垂直极化E、H面交叉极化抑制度实测图

图16 正交模分端口隔离度测试图

实际设计中圆波导到椭圆波纹喇叭之间应设计一段圆到椭圆的变换,考虑加工难度和成本,选用光壁波导过渡,过渡段的设计应避免引起不必要的高次模。

3 结束语

本文介绍了一种径向带正交模的椭圆波纹喇叭设计方法,通过波纹槽深渐变的方式使阻抗边界条件同时满足两个正交模。设计仿真结果与实物测试对比表明:该X频段天线具有良好的辐射性能,可作为大宽高比、多极化可变的双弯曲反射面天线馈源使用,为X频段反射面天线馈源设计提供参考。