羅永愿，彭 麟，廖 欣

(桂林電子科技大學 廣西高校微波光波應用技術重點實驗室，廣西 桂林 541004)

0 引 言

由于圓極化喇叭天線具有寬頻帶和穩(wěn)定高增益的性能，以及可以緩解極化失配的問題，在雷達、衛(wèi)星通信等領域被廣泛應用[1]。

設計圓極化喇叭天線有多種方式，一種最直接的方式是使用雙端口進行激勵[2]，使之產生互相垂直、相位差為90°的兩個線極化波合成圓極化波，但是，使用兩個饋電端口增加了結構的復雜性。為了避開多饋法來實現(xiàn)圓極化，有的學者使用單饋法來實現(xiàn)圓極化。文獻[3]中研制了一款寬帶電子對抗(Electronic Countermeasure,EMC)喇叭天線，天線由主路、側路、過渡波導、移相器以及輻射器組成，實現(xiàn)8～18 GHz頻段內軸比小于4 dB的圓極化喇叭天線，但結構較為復雜。文獻[4]中研究了一款W頻段槽壁圓極化喇叭天線，天線由4段結構構成，在WR-10標準矩形波導段挖出一對凹槽，連接到前端構成總長度為32.49 mm的圓極化喇叭天線，結構也較為復雜。文獻[5]中研發(fā)了一款雙脊扭轉圓極化喇叭天線，在圓波導喇叭基礎上構造出雙脊扭轉形狀，滿足形成圓極化的要求，實現(xiàn)了7.43～12.8 GHz頻段的圓極化喇叭天線。還有一種實現(xiàn)圓極化喇叭天線的方案是加載特定的結構。文獻[6]在喇叭口面上加載由三層結構構成的線圓極化轉換器，實現(xiàn)了在9.6～11.7 GHz相對帶寬僅為19.7%的圓極化喇叭天線。文獻[7]在矩形喇叭基礎上加載SSPP波導結構組成圓極化喇叭天線，在頻段8.7～11.3 GHz的軸比小于3 dB，相對帶寬約為26%。在文獻[8]中，作者在喇叭天線上加載挖縫介質，實現(xiàn)了在56～77 GHz頻帶內軸比小于3 dB的高增益圓極化矩形喇叭天線，最大增益達到17 dBic。 X 頻段圓極化天線廣泛用于火控雷達、跟蹤制導等領域。文獻[9]提出了一種X頻段雷達干擾機圓極化天線設計，天線阻抗帶寬8.75～10.65 GHz，同時軸比也小于3 dB。

以上文獻都是圓極化喇叭天線，有的是由不同段組合，模型結構復雜，加工難度較大；有的是加載極化轉化超表面，但是要設計單元結構進行組陣，而這類超表面結構可能因透射率小等缺點導致極化轉化率不高。加載介質線圓極化偏轉器結構簡單，易于加工，更易于加載在喇叭口面或者其他位置上，是一種簡單的實現(xiàn)方式。其既能實現(xiàn)圓極化，也能提高天線增益，且成本低。但前述現(xiàn)有加載介質的圓極化喇叭天線增益并不高，軸比帶寬也比較窄。因此，研究一款加載介質的高增益寬帶的圓極化喇叭天線是很有意義的。

為此，本文設計了一款可用3D打印技術制作的線圓極化介質轉化器。該介質極化器加工簡單，成本低，可以滿足在較寬頻段內實現(xiàn)良好的極化轉換。仿真與實測的增益/軸比曲線基本吻合，軸比曲線在整個工作頻段內均小于3 dB，圓極化性能良好，S11小于-10 dB，匹配效果良好。該天線加載介質后增益穩(wěn)定提高2 dB左右，交叉極化電平小于20 dB，既實現(xiàn)喇叭天線的線極化轉化為圓極化的功能，也能穩(wěn)定提高天線的增益，方向圖在工作頻段內不分裂，具有良好的輻射性能。該介質加載圓極化喇叭天線工作在X頻段，具有寬帶高增益性能，可以應用在廣播衛(wèi)星、固定通信業(yè)務衛(wèi)星、地球探測衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星以及雷達探測等無線通信系統(tǒng)中。

1 全介質極化器的設計與分析

本文設計的全介質極化器模型如圖1所示。圖1(a)中，線極化饋源喇叭天線放置在介質極化器的下端；極化器俯視圖如圖1(b)所示(a1和b1為喇叭口徑尺寸)，矩形介質塊中由寬度為W2的縫隙和綠色部分的介質珊條組成，其介電常數(shù)為2.72，寬度為W1。

圖1 天線模型

介質極化器的作用是把線極化波轉化為圓極化波，當喇叭天線的線極化入射電場E通過介質極化器時，會分解為兩個正交的電場Ex和Ey。由于沿Ex和Ey方向的等效介電常數(shù)不同，可以寫為[10]

εx=ε1×W1+ε2×W2。

(1)

式中：εx為Ex方向的等效介電常數(shù)；ε1和ε2分別為空氣的相對介電常數(shù)和介質的相對介電常數(shù)。Ey方向的等效介電常數(shù)可以寫為

(2)

由式(1)和式(2)可以得到，Ex方向的介電常數(shù)比Ey的介電常數(shù)大，x方向的傳播速度比y方向的傳播速度慢。一般情況下，相對介電常數(shù)為εr的材料中，電場的相位常數(shù)β(或波數(shù)k)為

(3)

式中：f是頻率；c是電磁波在真空中的速度。因此，Ex和Ey兩個方向上的相位差為

(4)

βx和βy分別是Ex和Ey方向上的相位常數(shù)。圓極化波可分解為兩個正交且等幅的線極化波，且兩線極化波的相位差為±90°。由式(1)、式(2)和式(4)可知，當空氣的相對介電常數(shù)和介質的相對介電常數(shù)已確定，若要Ex和Ey合成圓極化波，可以通過調節(jié)W1和W2的寬度以及介質的厚度H實現(xiàn)。

本文設計的介質極化器不僅能實現(xiàn)寬頻帶內的極化轉換，還能提高天線的增益。如圖2所示，當喇叭天線所輻射的電磁波通過介質極化器時，會沿著路徑1、路徑2、路徑3的三個不同路徑傳播[11]。路徑1為波從極化器底部斜入射進入極化器，并從極化器的四周表面輻射出來，且波往軸線方向匯聚；路徑2亦為斜入射進入極化器，并從頂面出射；路徑3為波垂直入射極化器。根據斯涅爾(Snell)定律，當φ3<φ1,可以看到路徑1對入射波有匯聚的效果，起到提高增益的作用。在路徑2和路徑3中，入射波與折射波之間的角度沒有變化(即φ2=φ4)。因此，來自路徑2和路徑3的路徑不會對極化器產生電磁波聚焦效應，所以路徑1使得所提出的介質極化器加載的喇叭天線的增益能夠提高。

圖2 電磁波通過極化器的傳播路徑

2 天線仿真設計與實測

2.1 喇叭天線設計

圖 3 所示為所設計的喇叭天線模型，喇叭天線的波導尺寸a×b=22.86 mm×10.16 mm，主模的工作頻率范圍為8.2～12.5 GHz，截止頻率為6.57 GHz；喇叭的總體長度為L=56.57 mm；底坐為了接標準波導而設計了4個螺紋孔。喇叭天線以及底座視圖如圖3所示。

圖3 喇叭天線模型尺寸與底座視圖

所設計的喇叭天線的預期增益為14 dBi,選擇最佳設計頻點為10 GHz，口徑效率大約為51%，根據最佳喇叭天線公式計算[12]：

(5)

(6)

式(5)和式(6)中的A、B為喇叭口面的尺寸，即分別為圖3標注中的a1和b1，計算得到的尺寸a1=69.23 mm,b1=50.71 mm。

2.2 仿真分析

由于所設計的喇叭天線輻射線極化波，為能實現(xiàn)線-圓極化轉換的同時也能提高天線的增益，設計如圖1所示的介質極化器，并將其加載在喇叭天線的口面上。仿真整體模型如圖4所示，該圓極化喇叭天線由介質極化器、BJ100國家標準波導和所設計的角錐喇叭組成，介質極化器采用3D打印技術進行加工。為使極化器穩(wěn)固在喇叭上，采用相同介質的固定套口套在喇叭上，并使用介質螺紋釘固定。同時，為防止加載介質造成的部分反射，影響天線的匹配，設計了與極化器具有相同介電常數(shù)的錐狀介質，加載在介質極化器的下端(如圖4所示的粉紅色部分)。該設計能改善饋電波導與喇叭之間的匹配，降低駐波系數(shù)，也起到改善方向圖的作用。

圖4 仿真整體模型

基于第1節(jié)的理論分析，對圖1所示極化器的寬度W2進行掃參分析，在中心頻率為10 GHz時，軸比隨W2的變化而變化。如圖5(a)所示，當W2=3.5 mm時，軸比最小，性能最好。同理，取W2=3.5 mm，并對W1也進行掃參分析，當W1=9.9 mm時得到軸比性能最好。然后，固定W1=9.9 mm和W2=3.5 mm，對介質極化器的厚度H進行仿真分析，圖5(b)所示為天線在10 GHz時的軸比與增益隨厚度的變化而變化的掃參結果。從結果可見，隨著厚度的不斷變化，在厚度H=63 mm(約為2λ0，λ0為自由空間波長)時，軸比小于3 dB，性能最佳。隨著H的增高，軸比又逐漸增大。因此，要保證良好的軸比性能，H要選一個合適的值。同時，從圖5(b)可見，隨著厚度的增加，天線的增益逐漸增加，原因是隨著厚度的增加，沿著路徑1的電磁波增多，因此提高了天線的增益，正吻合了上節(jié)的理論分析。為了兼顧軸比性能，厚度值不能過大，取H=63 mm，從而既能實現(xiàn)線圓極化轉換，又能提高天線的增益。

(a)頻率為10 GHz時的軸比曲線隨W2的變化

(b)頻率為10 GHz時的軸比曲線和增益曲線隨介質厚度H的變化圖5 頻率為10 GHz時軸比和增益仿真結果

2.3 天線實測結果

為驗證理論分析與仿真分析的正確性，對天線進行加工和測試。實物如圖6所示，整個天線由喇叭天線、介質極化器以及同軸轉波導接頭組成，組裝成圖6的右側所示的結構。

圖6 加工實物

使用手持式網絡分析儀KEYSIGHT N9918A對天線的阻抗帶寬進行了測試，實測結果與仿真結果如圖7所示。由圖可見，天線在8～12 GHz的S11均小于-10 dB，匹配效果良好。由于介質加工誤差以及套口和介質極化器之間存在間隙導致了S參數(shù)在某些頻段上產生一定差異，但總體上實測與仿真趨勢較吻合，阻抗帶寬包含了8～12 Hz。

圖7 天線的實測反射系數(shù)與仿真對比

在微波暗室中使用天線近場測量系統(tǒng)NSI2000對天線的增益、軸比和方向圖進行測試，實測環(huán)境如圖8所示。

圖8 實測環(huán)境

圖9給出了8、9、10、11、12 GHz實測與仿真的xoz和yoz面的歸一化方向圖，可以看出天線的主極化為左旋圓極化(LHCP)，交叉極化為右旋圓極化(RHCP)，xoz面的3 dB波束寬度在整個工作頻段大約為20°,而yoz面的3 dB波束寬度大約為30°,原因是xoz面的介質較長，有效輻射面積較大，導致3 dB波束寬度小于yoz面。實測交叉極化電平小于20 dB，實測與仿真交叉極化趨勢吻合，具有良好的交叉極化特性。由于系統(tǒng)限制，天線后瓣未進行測量，因此實測只給出天線的前瓣部分歸一化方向圖?？傮w來看，仿真結果與測試結果基本吻合，在10、11、12 GHz的左旋圓極化方向圖的實測副瓣比仿真偏大，原因可能是天線測試夾具的影響導致了測試系統(tǒng)抖動。在12 GHz的實測方向圖波束略小于仿真方向圖波束，可能原因是隨著頻率的增加，介質的介電常數(shù)會隨著頻率的變化而產生微小變化，介電常數(shù)存在不確定因素，但趨勢吻合，在可接受誤差范圍內。

圖9 不同頻率下的仿真與實測歸一化遠場方向圖對比

圖10給出了仿真與實測的加載介質極化器與原喇叭天線的增益曲線和軸比曲線，可以看出實測與仿真趨勢一致，未加載介質的喇叭天線在8～12 GHz的仿真增益在12.8～14.7 dBi，而實測增益在12.5～13.9 dBi，總體下降1 dB左右；加載介質的喇叭天線在8～12 GHz的仿真增益在15.2～16.1 dBic，而實測增益在14.3～15.8 dBic，總體也下降了1 dB?？傮w上，加載介質的實測增益提高了1.5～2.4 dB，符合上節(jié)分析，加載介質后增益有所提高。造成實測增益比仿真增益低的原因可能是材料損耗，以及測試夾具增大了副瓣。實測軸比曲線與仿真軸比曲線吻合較好，天線在8～12 GHz范圍內軸比均小于3 dB，具有良好的圓極化特性。實測結果與仿真結果對比進一步證明了該天線具有高增益定向輻射、低交叉極化電平、寬寬軸比帶寬等特性。

圖10 實測與仿真的增益曲線與軸比曲線

為了突出本文設計的優(yōu)勢，表1比較近年來圓極化喇叭天線的相關文獻。從表中可見，本文設計的圓極化喇叭天線的軸比相對帶寬較大[4,6-8,11]。同時,介質極化器可用3D打印技術制作，相對于文獻[4,6-7]制作簡單，成本更低。文獻[6]加超表面設計較復雜，同時極化轉化效率低造成與原來饋源相比增益下降。文獻[7]加載SSPPs結構也相對復雜，而且未能提高增益。本文加載介質實現(xiàn)圓極化相比于文獻[8]剖面較高，但能提高增益；相比于文獻[11],本文設計的剖面較高以及提高的增益較小，但軸比帶寬相對要寬。總體上，本文實現(xiàn)圓極化方式相比于很多文獻來說較簡單，而且實現(xiàn)帶寬更寬，雖然增益提高不如文獻[11],但比其他不能提高增益的文獻相對要好，剖面也較低。

表1 近幾年來文獻的天線性能對比

3 結束語

本文設計了一款工作于X頻段的喇叭天線。該喇叭天線由標準同軸轉波導接頭饋電,并設計了一款可用3D打印技術加工、工作于X頻段的介質極化器，并將該極化器加載到喇叭天線上，實現(xiàn)寬頻帶內將線極化波轉換為圓極化波，并且提高天線的增益。同時，在介質極化器的下端加載錐狀介質，改善了阻抗匹配和輻射方向圖題。通過將介質極化器加載到喇叭天線上，最終在8～12 GHz工作范圍內實現(xiàn)從線極化轉為圓極化，在工作頻段范圍內軸比均小于3 dB，實測的S11也均小于-10 dB，方向圖在整個工作頻段穩(wěn)定。實測增益曲線與仿真曲線吻合較好，實測軸比曲線與仿真曲線也吻合較好。本文設計的極化器具有加工簡便、成本低的優(yōu)點，并能實現(xiàn)圓極化波與提高天線增益，可以應用于雷達、跟蹤制導、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領域。但是，該天線與有些介質加載圓極化喇叭天線相比提高的增益有限，下一步將研究在更寬頻帶內實現(xiàn)圓極化，同時使天線增益得到更大的提高。