張榮蜀，逯貴禎，殷紅成，白楊

(1.中國(guó)傳媒大學(xué)，北京 100024；2.北京環(huán)境特性研究所，北京 100854)

1 引言

饋電喇叭天線被廣泛應(yīng)用于微波遙感、衛(wèi)星以及廣播通信等領(lǐng)域，它有著低交叉極化特性、高增益、寬頻帶以及對(duì)稱的輻射特性等特點(diǎn)。尤其是交叉極化特性決定了天線的有用帶寬，而有用帶寬則決定了所有輻射參數(shù)能滿足性能要求的頻段。通過(guò)使用兩個(gè)正交的極化，可以充分利用有限的頻段。

Hiroyuki Deguchi提出了一種新型的墻壁結(jié)構(gòu)的且包含有曲線輪廓的喇叭天線，并研究了口徑場(chǎng)幅度的影響，其對(duì)測(cè)量的精度要求較高[1]。Jorge Teniente設(shè)計(jì)了一種寬頻帶波紋喇叭天線，其帶寬為9-16GHz，但隨著頻率提高，其副瓣變大[2]。Sajid Muhaimin Choudhury設(shè)計(jì)了X波段的口徑匹配喇叭天線，從理論上分析了其共極化和交叉極化分量，但加工難度較大[3]。K B Parikh針對(duì)非對(duì)稱正弦輪廓喇叭天線進(jìn)行參數(shù)分析，給出了具體的設(shè)計(jì)[4]。Joshua M Kovitz對(duì)緊湊型曲線輪廓的喇叭天線進(jìn)行了優(yōu)化從而獲得了較高的增益但波束寬度角窄[5]。Jorge Teniente給出了設(shè)計(jì)包含水平波紋和垂直波紋的喇叭天線的指導(dǎo)性建議[6]。Haas Alexander[7]等人設(shè)計(jì)了一種用于雷達(dá)領(lǐng)域的波紋喇叭天線，其E面和H面波束寬度相近。U Schwerthoeffer[8]提出一種基于高斯波束的高性能波紋喇叭天線的設(shè)計(jì)方法，其相對(duì)帶寬能到達(dá)40%。Niraj Tevar對(duì)比了不同的波紋喇叭天線設(shè)計(jì)，研究了高斯輪廓的波紋喇叭天線性能[9]。

本文設(shè)計(jì)優(yōu)化了一種頻段為6-9GHz的波紋喇叭天線，并進(jìn)行仿真及實(shí)物加工。仿真以及實(shí)際測(cè)量的結(jié)果顯示，其在目標(biāo)頻段內(nèi)，在φ=45°時(shí)有著較低的交叉極化。

2 天線設(shè)計(jì)

對(duì)于錐形喇叭天線，為了得到具有高純極化分量的喇叭天線，通常采用一定的幾何結(jié)構(gòu)將TE11和TM11的圓波導(dǎo)模式進(jìn)行混合，得到具有純極化的場(chǎng)分布混合模式H11，如圖1所示。

圖1 圓波導(dǎo)天線模式工作原理

獲取混合模式H11的天線幾何結(jié)構(gòu)有許多不同的實(shí)現(xiàn)方式，有些通過(guò)改變喇叭天線輪廓，有些通過(guò)引入溝槽。考慮到加工誤差對(duì)天線性能的影響，本文采用垂直與水平溝槽組合的方法實(shí)現(xiàn)具有低交叉極化分量的喇叭天線。

圖2 高性能天線設(shè)計(jì)原理

該天線對(duì)于加工誤差具有較好的容忍度，同時(shí)具有很好的極化特性。

天線設(shè)計(jì)如圖2所示，分為垂直部分和水平部分。其中Ri代表內(nèi)徑，pH，pV分別是水平波紋和垂直波紋的周期寬度，tV，tH是皺狀齒寬度，dV和dH是波紋槽深度。為了得到更低的交叉極化水平，pH的值一般取λfmax/8到λfmax/5之間。水平波紋槽深度dH為λfmin/4到λfmin/3，對(duì)于垂直波紋，pV的取值范圍通常是λfmax/5到λfmax/3，dV通常在λfmim/5到λfmin/3之間。通常情況下，水平槽深度dH要大于垂直槽深度dV。本文采用pH=6.3 mm，Ri=38.1 mm，D=67mm，L=108mm。無(wú)線輪廓見(jiàn)圖3，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 波紋喇叭天線輪廓

VariableValueRi0.381λfmindH0.31λfmintH0.45pHdV0.274λfmintV0.5pVLH56.2mmRH0.84λfminpV0.258λfmaxpH0.189λfmax

喇叭天線的激勵(lì)模式為T(mén)E11模式，該模式下輻射遠(yuǎn)場(chǎng)可表示為：

(1)

(2)

其中Eco和Ecr分別表示共極化分量和交叉極化分量，通過(guò)上式，可獲得天線的交叉極化特性。

3 測(cè)量與仿真

首先利用CST對(duì)上文設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行仿真并加工實(shí)物進(jìn)行測(cè)試。圖4是波紋喇叭天線的天線駐波比，在6-9GHz范圍內(nèi)，低于1.5。圖5、圖6顯示的是頻率f=6GHz和8GHz時(shí)，仿真與實(shí)測(cè)進(jìn)行歸一化后的結(jié)果，其中COM、CRM分別是喇叭天線共極化分量和交叉極化分量的測(cè)量值，COS、CRS分別是喇叭天線共極化分量和交叉極化分量的仿真結(jié)果。

由圖5、圖6可知，在預(yù)期頻段內(nèi)，波紋喇叭天線的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為符合。其中在6GHz時(shí)，在0°<θ<25°范圍內(nèi)，天線的交叉極化水平低于-30dB。頻率f=8GHz時(shí)，測(cè)試值要好于仿真結(jié)果，能保證在0°<θ<25°范圍內(nèi)，天線的交叉極化水平低于-25dB。

圖4 低交叉極化喇叭天線輸入駐波比

圖5 f=6GHz時(shí)，喇叭天線的共極化分量和 交叉極化分量的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

圖6 f=8GHz時(shí)，喇叭天線的共極化分量和 交叉極化分量的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

針對(duì)6-9GHz頻段的波紋喇叭天線進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，該天線在φ=45°時(shí)能提供較低的交叉極化特性，且在相對(duì)較寬的頻帶中，也能保持較低的交叉極化水平。