張文輝，李 萍，安合志，王蕾蕾

(1.武警工程大學(xué)研究生大隊，陜西西安 710086;2.武警工程大學(xué)信息工程系，陜西西安 710086)

衛(wèi)星地面通信系統(tǒng)天線一般采用拋物面天線，而拋物面天線由于采用剛性板塊，因而具有重量大、成本高、機(jī)動靈活性差的缺點。文獻(xiàn)［1］提出用一種Ku波段的微帶陣列天線代替拋物面天線，但微帶天線單元由于工藝限制，增益較低、損耗較大。

喇叭天線由于具有較大的增益和良好的方向性而得到了廣泛的應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的喇叭天線體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且采用波導(dǎo)饋電的形式，使得傳統(tǒng)的喇叭天線難以組陣。近年來，一些喇叭天線采用微帶饋電的方式［2－4］，使得喇叭天線便于組陣。文中提出了一種新型微帶饋電喇叭天線，以輻射層為中心的波導(dǎo)喇叭孔的金屬波導(dǎo)，通過雙層正交微帶饋電實現(xiàn)雙極化，最下層為金屬反射腔，用來提高喇叭天線的增益。利用HFSS軟件仿真得到該雙極化喇叭天線兩個端口的天線增益＞8 dB，在Ku波段上行(14.0～14.5 GHz)和下行(12.25～12.75 GHz)的反射系數(shù)VSWR均＜2，因此相對于傳統(tǒng)的微帶天線，更適合作為衛(wèi)星地面通信系統(tǒng)的天線單元。

1 微帶饋電的雙極化喇叭天線的結(jié)構(gòu)

該衛(wèi)星通信波導(dǎo)喇叭天線單元為3層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。最上層為輻射層，中間層為饋電層，下層為反射腔。輻射層為長方體的理想波導(dǎo)金屬材料，長和寬均為21 mm，高為hh，其中心開一圓錐喇叭形狀的口徑孔，該圓錐喇叭底面直徑為Dc，頂面直徑為Dh，高為hh［5］。饋電層改變傳統(tǒng)喇叭天線的波導(dǎo)饋電形式，而采用帶狀線饋電的形式，即通過介質(zhì)基板中的三角形帶狀線進(jìn)行饋電，如圖2所示。介質(zhì)基板是Rogers RT/duriod5880，介電常數(shù)εr為2.22，損耗角正切值為0.000 9，介質(zhì)基板的厚度h1為0.508 mm;三角形帶狀線的長度為L1，寬度為W1，輸入阻抗為100Ω。饋電層為上下兩層，每層的厚度均為h1，通過兩個正交的帶狀線饋電來實現(xiàn)雙極化的功能。為提高該波導(dǎo)喇叭天線的增益和輻射性能，最下層為一反射腔，其結(jié)構(gòu)也是長方體的理想波導(dǎo)金屬材料，長和寬均為Dh，高為H，在其中心開一圓柱形孔，直徑與圓錐喇叭的底面直徑均為 Dc，孔深為 hc。天線結(jié)構(gòu)的初始參數(shù):Dc=14.2 mm，Dh=16 mm，hh=11 mm，hc=6.8 mm，L1=4.6 mm，W1=0.25 mm，h1=0.508 mm，H=8.2 mm。

2 微帶饋電的喇叭天線的參數(shù)優(yōu)化

采用Ansoft HFSS 12軟件對該喇叭天線進(jìn)行建模仿真，在仿真過程，利用HFSS提供的優(yōu)化計算功能，依次對該喇叭天線的反射腔深度hc，喇叭高度hh和喇叭天線的底面直徑Dc進(jìn)行優(yōu)化仿真，以得到天線最佳輻射性能。由于該喇叭天線是雙極化天線，有兩個饋電端口，為分析方便，在對該喇叭結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化時，只仿真了一個饋電端口的模型。同時，考察某參數(shù)變化對天線性能的影響時，保持天線其他參數(shù)不變。

(1)反射腔對該喇叭天線增益和反射系數(shù)的影響。為研究反射腔對該喇叭天線增益和反射系數(shù)的影響，利用HFSS進(jìn)行對比仿真試驗。首先對設(shè)計的加反射腔的喇叭天線進(jìn)行仿真，其次對不加反射腔的喇叭天線進(jìn)行仿真。仿真得到的天線增益對比曲線如圖3所示，當(dāng)不加反射腔時，天線的后向波束較大，造成了天線在主輻射方向增益較小，只有1.8 dB，而后向波束增益卻達(dá)到了6.1 dB;而加反射腔之后，天線的后向輻射得到了較大的抑制，后向波束的增益為－5.8 dB，天線在主輻射方向上的增益為8.4 dB，說明加入反射腔之后能將背向輻射的電磁波反射，從而有效地抑制背向輻射，提高天線的主輻射方向的增益;同時得到天線反射系數(shù)的對比曲線，如圖4所示，當(dāng)加入反射腔之后，該喇叭天線的反射系數(shù)顯著降低，同時說明加入反射腔之后對該喇叭天線的反射系數(shù)也有較好的作用。

(2)反射腔中圓柱孔的深度hc對天線反射系數(shù)的影響。取反射腔的深度hc分別為4.8 mm，5.8 mm，6.8 mm，7.8 mm，其他參數(shù)保持不變。得到了天線的反射系數(shù)隨圓柱孔深度hc的增益變化曲線如圖5所示。當(dāng)反射腔圓柱孔的深度hc逐漸增大時，該喇叭天線在VSWR＜2的帶寬逐漸增大，當(dāng)hc為4.8 mm時，天線在VSWR＜2的帶寬只有13～14.4 GHz，當(dāng)hc為7.8 mm時，天線在 VSWR＜2的帶寬逐漸增大到12.25～15GHz，覆蓋了Ku波段衛(wèi)星通信的上行和下行頻段，說明反射腔深度對天線的反射系數(shù)有較大的影響，當(dāng)反射腔深度hc為7.8 mm時，天線的反射性能達(dá)到最好。

圖5 反射腔的深度hc對天線反射系數(shù)的影響

(3)圓錐喇叭的高度hh對天線增益和反射系數(shù)的影響。取反射腔的深度hc為7.8 mm，其他參數(shù)保持不變，取圓錐喇叭的高度 hh分別為11 mm，13 mm，15 mm，利用HFSS軟件仿真得到天線的反射系數(shù)隨著喇叭口高度hh的變化曲線，如圖6所示。當(dāng)喇叭口的高度逐漸增大時，仿真得到的天線的反射系數(shù)曲線逐漸向左移動。當(dāng)hh=11 mm時，該喇叭天線在VSWR＜2的帶寬為12.8～15 GHz，當(dāng)hh=15 mm時，該喇叭天線在VSWR＜2的帶寬為12.2～15 GHz，說明圓錐喇叭的高度對天線的反射系數(shù)有一定的影響，當(dāng)hh=15 mm時，天線的反射系數(shù)達(dá)到最優(yōu)。

(4)圓錐喇叭底面直徑Dc對天線反射系數(shù)的影響。取反射腔的深度hc為7.8 mm，圓錐喇叭的高度hh為15 mm，其他參數(shù)保持不變，取圓錐喇叭的底面直徑Dc分別為13.8 mm，14.2 mm，14.6 mm，15 mm，利用 HFSS仿真軟件得到該喇叭天線的反射系數(shù)隨著喇叭底面直徑Dc的變化曲線，如圖7所示。當(dāng)喇叭天線的底面直徑逐漸增大時，反射系數(shù)在Ku波段上行頻段處(14.0～14.5 GHz)幾乎不變，但在Ku波段下行頻段處(12.25～12.75 GHz)反射系數(shù)曲線逐漸向左移動，當(dāng)Dc=13.8 mm時，天線在VSWR＜2的帶寬為13～14.7 GHz，當(dāng)Dc=15 mm時，天線VSWR＜2的帶寬為12.15～15 GHz。說明圓錐喇叭底面直徑Dc對天線反射系數(shù)有較大的影響，當(dāng)Dc為15 mm時，天線的反射性能達(dá)到最好。

圖6 圓錐喇叭的高度hh對天線反射系數(shù)的影響

圖7 圓錐喇叭底面直徑Dc對天線反射系數(shù)的影響

3 雙極化喇叭天線的仿真結(jié)果

利用HFSS進(jìn)行優(yōu)化之后，天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為:圓錐喇叭的底面直徑Dc=15 mm;圓錐喇叭的高度hh=15 mm;反射腔的深度hc=7.8 mm，其他參數(shù)保持不變。利用優(yōu)化后的參數(shù)對該雙極化喇叭天線重新進(jìn)行仿真，得到雙極化喇叭天線兩個端口的反射系數(shù)曲線，如圖8所示。兩個端口在Ku波段上行(14.0～14.5 GHz)和下行(12.25～12.75 GHz)的反射系數(shù)VSWR均＜2，說明該雙極化喇叭天線具有良好的反射性能，可以作為衛(wèi)星通信自適應(yīng)天線單元。

分別取Ku波段下行頻段(12.25～12.75 GHz)和上行頻段(14.0～14.5 GHz)的中心頻率f1(12.5 GHz)和f2(14.25 GHz)，利用HFSS軟件進(jìn)行仿真得到雙極化的兩個端口在頻率為f1和f2時在XOZ面和YOZ面的輻射方向圖，如圖9和圖10所示。當(dāng)頻率為f1時，端口1在主輻射方向的增益為8.35 dB，端口2在主輻射方向的增益為8 dB;當(dāng)頻率為f2時，端口1在主輻射方向的增益為8.9 dB，端口2在主輻射方向的增益為8.37 dB;由于兩個端口的相互影響，在同一頻率下端口2的增益比端口1的增益低0.5 dB。當(dāng)頻率為f1時，端口1的半功率波瓣寬度為34°×36°，端口2的半功率波瓣寬度為44°×34°;當(dāng)頻率為f2時，端口1的半功率波瓣寬度為28°×36°，端口2 的半功率波瓣寬度為40°×35°。

圖8 喇叭天線兩個端口的反射系數(shù)曲線

圖9 端口1輻射方向增益圖

4 結(jié)束語

提出了一種微帶饋電的雙極化喇叭天線。該喇叭天線的輻射層為金屬波導(dǎo)材料，中心為一圓錐喇叭孔;饋電層為雙層正交的三角形帶狀線饋電結(jié)構(gòu)，用于實現(xiàn)雙極化，最下層為金屬反射腔用于抑制背向輻射，提高天線增益。HFSS仿真結(jié)果表明，該喇叭天線在12～15 GHz的頻率范圍內(nèi)，反射系數(shù)VSWR均＜2，兩個端口的增益均＞8 dB。該喇叭天線體積小，結(jié)構(gòu)簡單，增益高，采用微帶饋電的形式，相對于傳統(tǒng)的微帶天線，更適合作為Ku波段衛(wèi)星地面通信系統(tǒng)的天線單元。

圖10 端口2輻射方向增益圖

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