李 棟，杜 彪，伍 洋

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050081)

0 引言

平方公里陣(Square Kilometre Array，SKA)將是世界上最大的射電望遠鏡天線，由約3 000個15 m口徑反射面天線組成的陣列將對SKA科學目標的實現發(fā)揮重要的作用[1-2]。SKA反射面天線不僅要求高靈敏度，還需要寬頻帶工作。四脊喇叭和Eleven饋源都具有良好的輻射方向圖和較寬的工作帶寬，但Eleven饋源的饋電方式不易實現且回波損耗與插入損耗較大，而四脊喇叭使用同軸線饋電，饋電方式易于實現且插入損耗較小。因此，本文對四脊喇叭做了一些研究，到目前為止的研究表明:雖然四脊喇叭在寬頻帶內具有良好的阻抗和輻射特性，但作為饋源，其波束等化較差、波束寬度隨頻率變化較大[3]，影響了天線的效率。針對上述缺陷，本文研究了饋源口徑對輻射特性的影響，并給出了一個寬頻帶高效率四脊喇叭饋源的設計。

針對SKA反射面天線第5個工作頻段(4.6 GHz～13.8 GHz)，首先設計了兩種具有不同口徑的圓四脊喇叭饋源。由于寬頻帶饋源很難準確評價其性能優(yōu)劣，為此，本文提出了一種評價標準，將饋源輻射方向圖代入天線中計算天線效率，由天線效率的高低決定饋源性能優(yōu)劣。通過研究上述兩種口徑喇叭的幾何參數和方向圖的計算結果，重新設計了一個具有較低電壓駐波比和良好方向圖的四脊喇叭饋源，并將其代入半照射角為45°的4.5 m標準拋物面天線進行效率計算，天線效率在3∶1頻帶內優(yōu)于55%。

1 四脊喇叭的組成

波導的工作帶寬定義為主模截止波長和第一個高次模截止波長之比。圓波導的主模是TE11模[4]，在圓波導中加入脊片可以降低主模的截止頻率，增加第一個高次模的截止頻率，這樣就展寬了波導的工作帶寬。四脊喇叭主要由脊片、喇叭壁、脊波導和背腔四部分組成，如圖1所示。

圖1 四脊喇叭饋源結構圖

四脊喇叭采用同軸線饋電，同軸線的阻抗與脊波導的阻抗匹配[5]，以獲得良好的電壓駐波比。

脊片形狀是四脊喇叭方向圖和波束寬度的主要影響因素，它的另一個作用是阻抗匹配，使阻抗從四脊波導處的阻抗過渡到自由空間的阻抗。脊曲線一般采用指數曲線的形式[6]。

背腔是影響四脊喇叭電壓駐波比的重要部件，選用臺階形腔體能有效改善四脊喇叭的電壓駐波比[7]。

2 兩種四脊喇叭饋源

反射面天線的效率[8-9]受多種因素的制約，而饋源的方向圖是直接影響天線效率的主要因素之一。根據文獻[7]中的研究成果，改變脊曲線形狀可以得到不同的波束形狀。據此設計了兩種4.6 GHz～13.8 GHz的具有不同口徑的四脊喇叭饋源，給出了三個主平面的波束寬度隨頻率變化的曲線，并將其輻射方向圖帶入4.5 m前饋拋物面天線中計算天線的口徑效率。

2.1 大口徑四脊喇叭饋源

大口徑喇叭以波束寬度不隨頻率變化為目標，喇叭口徑為133 mm，長度為84 mm，脊曲線為直線段和曲線段擬合。

E面和45°面的10 dB波束寬度在整個頻帶內大于105°，H面的10dB波束寬度在4.6 GHz～8 GHz頻帶內大于100°，大于8 GHz波束寬度開始變小，最小為62°，如圖2所示。為了驗證理論分析的正確性，加工了一個大口徑四脊喇叭饋源樣機并對其性能進行了測試，兩端口的電壓駐波比實測與計算結果如圖3所示。

圖2 大口徑四脊喇叭10 dB波束寬度對比

圖3 兩端口電壓駐波比實測與計算結果

可以看出，測試結果與計算結果基本一致，整個頻帶內兩端口的電壓駐波比都小于2，隨著頻率的升高電壓駐波比逐漸減小。

喇叭的端口隔離度的實測值與計算值如圖4所示。可以看出，端口隔離度的測試值小于-23 dB。

圖4 兩端口隔離度實測值與計算值

圖5給出了喇叭低、中、高三個頻率的輻射方向圖，可以看出，E面和45°面波束寬度較寬且整個頻帶內波束寬度較為恒定，約為100°，H面波束寬度隨頻率升高由100°減小至60°。輻射方向圖測試結果與計算結果基本吻合，驗證了理論分析與計算的正確性。

圖5 大口徑四脊喇叭測試與計算方向圖

2.2 小口徑四脊喇叭饋源

小口徑喇叭以波束等化為目標，喇叭口徑為65 mm，長度為90 mm，脊曲線分段擬合，第一段為直線段，第二段為曲線段。圖6給出了小口徑四脊喇叭饋源-10 dB波束寬度隨頻率變化的曲線。

圖6 小口徑四脊喇叭-10 dB波束寬度

隨著頻率的升高三個面的波束寬度由低頻的125°減小到高頻的80°，變化較大。在7.6 GHz～12 GHz頻帶內E面的-10 dB波束寬度小于80°，13.5 GHz～13.8 GHz頻帶內H面的波束寬度小于80°，整個頻帶內三個面的-10 dB波束寬度在100°左右。

兩端口的電壓駐波比如圖7所示?？梢钥闯?，兩端口的電壓駐波比都小于2。

圖7 小口徑喇叭電壓駐波比

端口隔離度如圖8所示?？梢钥闯?，兩端口隔離度小于-40 dB。

圖8 端口隔離度

低、中、高三個頻點的輻射方向圖如圖9所示。各頻點的輻射方向圖等化程度優(yōu)于大口徑四脊喇叭方向圖的等化程度，三個面的10 dB波束寬度相差較小，低頻端三個面的等化程度優(yōu)于高頻端三個面的等化程度。

2.3 天線效率對比

小口徑四脊喇叭饋源的H面和45°面波束寬度較寬，而E面波束寬度較窄，且三個面的方向圖隨頻率升高而變窄;大口徑四脊喇叭饋源E面和45°面的波束寬度在整個頻帶內變化較小且寬，H面的波束寬度變化較大且窄。為了評價這兩種饋源性能的優(yōu)劣，將其代入反射面天線中計算效率?？紤]到實際反射面天線電尺寸較大且結構復雜，為了方便分析計算，將其代入不同焦徑比的4.5 m拋物面天線中，計算結果見表1。

圖9 小口徑四脊喇叭饋源輻射方向圖

表1 兩種四脊喇叭作饋源天線效率

3 高效率四脊喇叭饋源

以上兩種四脊喇叭饋源的方向圖各具特點，但其效率均較低。通過比較兩種饋源的方向圖發(fā)現，改變喇叭口徑和相應的脊曲線，可以改變E面和H面的波束寬度，因此，有可能設計出一種波束等化且波束寬度恒定的饋源。由此設計了第三種中口徑的四脊喇叭。

喇叭口徑為88 mm，長度為85 mm，脊曲線仍為直線段和曲線段擬合，直線段長度為12.16 mm，曲線段方程為y=0.61 e0.05%，其駐波和輻射特性的計算結果如下。

喇叭兩個端口的電壓駐波比如圖10所示，整個頻帶內端口1的電壓駐波比小于1.5，端口2的電壓駐波比小于 1.8。

圖10 四脊喇叭電壓駐波比

圖11給出了四脊喇叭E面、H面和45°面三個主平面-10 dB波束寬度隨頻率的變化曲線?？梢钥闯?，在整個頻帶內其波束寬度最大值為99°，最小值為75°，隨頻率變化較小，且每個頻點三個面的波束寬度基本相同，即方向圖基本等化。

圖11 三個面10 dB波束寬度對比

低、中、高三個頻率喇叭的輻射方向圖如圖12所示，從圖中可進一步看出三個面的輻射方向圖等化良好。

圖12 中口徑四脊喇叭饋源的輻射方向圖

根據三個面的-10 dB波束寬度，將喇叭的輻射方向圖代入半照射角為45°的4.5 m前饋拋物面天線計算效率，并與前兩種喇叭做饋源的天線效率進行對比，計算結果如圖13所示。

圖13 三種饋源效率對比

三種四脊喇叭饋源照射的反射面天線效率都隨著頻率的升高呈現下降趨勢。但整個頻帶內，中口徑四脊喇叭饋源的效率變化較平坦，均高于55%，整個頻帶內天線效率最好，達到了預期目標。

4 結束語

設計了三種四脊喇叭饋源，第一種四脊喇叭以波束隨頻率恒定為目標，口徑較大，整個頻帶內E面和45°面-10 dB波束寬度變化較小，但H面的-10 dB波束寬度變化較大，且隨頻率升高逐漸變小，高頻等化較差;第二種四脊喇叭以波束等化為目標，口徑較小，在整個頻帶內三個面-10 dB波束寬度隨頻率升高逐漸變窄，變化較大。結合兩種饋源方向圖的特點，改變脊曲線和喇叭口徑，設計了第三種四脊喇叭饋源，整個頻帶內三個面-10 dB波束寬度變化較小。通過比較三種四脊喇叭饋源照射天線的效率，得出結論，選擇合適的喇叭口徑和相應的脊曲線，可以在4.6 GHz～13.8 GHz頻帶內實現E面、H面和45°面方向圖等化較好，且波束寬度基本恒定不變，從而實現了較高的天線效率。

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