張占春

（甘肅長(zhǎng)風(fēng)電子科技有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730070）

1 概述

饋源是發(fā)射和接收電磁波的無(wú)源微波器件，處于微波通信和天線(xiàn)系統(tǒng)的最前端，其性能對(duì)整個(gè)天線(xiàn)系統(tǒng)具有非常重要的影響。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和寬帶通信及探測(cè)設(shè)備的出現(xiàn)，寬帶天線(xiàn)系統(tǒng)以及天線(xiàn)系統(tǒng)的寬頻技術(shù)也在不斷的發(fā)展，為擴(kuò)大系統(tǒng)容量或?yàn)榱硕惚芷渌l率的干擾，實(shí)際的天線(xiàn)系統(tǒng)往往工作在兩個(gè)或兩個(gè)以上頻帶內(nèi)，但在不便安裝兩副天線(xiàn)的情況下，雙頻天線(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用而生了，這就需要雙頻饋源來(lái)接收和發(fā)射電磁信號(hào)。

所謂雙頻饋源是指在兩個(gè)不同的頻帶內(nèi)各項(xiàng)性能都能滿(mǎn)足天線(xiàn)系統(tǒng)要求的饋源，具體指標(biāo)包括：駐波比、增益、方向圖和效率等。

2 喇叭饋源的組成及原理

2.1 矩形口徑喇叭

矩形口徑喇叭的優(yōu)點(diǎn)是功率容量大，邊瓣及后瓣小，交叉極化小，方向圖便于控制（改變喇叭口徑尺寸），阻抗帶寬較寬等等。矩形口徑喇叭是由矩形波導(dǎo)兩壁張開(kāi)形成的，它的形狀如圖1 所示。

圖1 矩形口徑喇叭結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)上述兩個(gè)公式，當(dāng)波導(dǎo)寬邊a 取20.1mm,波導(dǎo)窄邊b 取8mm 時(shí)可同時(shí)滿(mǎn)足X 波段和Ku 波段的微波信號(hào)傳輸要求。喇叭口的寬邊W 和窄邊H的尺寸應(yīng)根據(jù)天線(xiàn)系統(tǒng)方向圖的波束寬度以及天線(xiàn)邊緣照射等需求確定。為了形成方位差信號(hào)此喇叭饋源需要兩個(gè)矩形口徑喇叭。

2.2 E 面折疊雙T 接頭

從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，E 面折疊雙T 是將魔T 的平分臂在E 平面內(nèi)折疊而成的，因此它們的工作原理相同。如圖2 所示，從3,4 端口進(jìn)入2 端口的兩路相位相反的TE10 型波在2 端口內(nèi)合并為T(mén)E20型波后形成方位差信號(hào)，在1 端口內(nèi)合并為T(mén)E10型波形成和路信號(hào)。根據(jù)波導(dǎo)尺寸邊界條件，通常E 面折疊雙T的1 臂和2 臂的橫截面尺寸選擇與主波導(dǎo)的橫截面的尺寸相同，從結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性來(lái)考慮，3 臂和4 臂的橫截面尺寸應(yīng)相同，并且它們的窄邊應(yīng)與主波導(dǎo)窄邊一樣。從1 臂與2 臂間的隔離來(lái)考慮,2 臂的寬邊只允許傳輸TE20模，不允許其它高次模傳輸。所以，在此饋源中選Ku 波段E 面折疊雙T 的寬邊為17mm,窄邊為8mm。X 波段E 面折疊雙T 的寬邊為22.86mm，窄邊為10.16mm。由于喇叭饋源結(jié)構(gòu)的需要此E 面折疊雙T 的3,4 路波導(dǎo)之間形成一定張角。

圖2 E 面折疊雙T 結(jié)構(gòu)圖

2.3 七端口網(wǎng)絡(luò)

七端口網(wǎng)絡(luò)是一種經(jīng)典的無(wú)源微波器件，如圖3 所示，也是此饋源中比較重要的一個(gè)濾波器件。兩個(gè)矩形口徑喇叭接收的微波信號(hào)輸入到1,2 端口的波導(dǎo)內(nèi)。其中在靠近3,4 端口的波導(dǎo)腔內(nèi)放置寬度為7mm，長(zhǎng)度為27.1mm，高度與波導(dǎo)內(nèi)腔高度一樣的金屬塊，在此處形成一個(gè)窄波導(dǎo)腔體，這樣從1,2端口波導(dǎo)內(nèi)輸入的微波信號(hào)經(jīng)過(guò)窄波導(dǎo)腔體濾波后只有Ku 波段信號(hào)從3，4 端口輸出到Ku 波段E面折疊雙T 中。

圖3 七端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

在波導(dǎo)窄邊開(kāi)寬度為1mm，長(zhǎng)度為17.5mm 的隙縫，用隙縫耦合的方式把波導(dǎo)內(nèi)的X 波段信號(hào)耦合到5,6 端口波導(dǎo)腔中，為了放大所需微波信號(hào)在靠近耦合隙縫處波導(dǎo)腔內(nèi)形成一個(gè)λ/4 波長(zhǎng)的諧振腔體，其中諧振腔體長(zhǎng)度為8mm，微波信號(hào)經(jīng)諧振放大后從5,6 端口輸出到X 波段E 面折疊雙T 內(nèi)，這樣七端口網(wǎng)絡(luò)就把兩個(gè)頻段的信號(hào)分開(kāi)了。

七端口網(wǎng)絡(luò)腔體內(nèi)的每一個(gè)尺寸對(duì)它本身的電性能影響較大，在調(diào)整一個(gè)尺寸時(shí)會(huì)對(duì)各個(gè)端口的電性能產(chǎn)生影響，所以我們?cè)谟肏FSS 軟件仿真的時(shí)候要兼顧各個(gè)端口之間的電性能，對(duì)每一個(gè)尺寸進(jìn)行調(diào)整時(shí)要同時(shí)調(diào)整其他的尺寸，使它們之間的變化對(duì)各端口的電性能的影響降到最低。

2.4 喇叭饋源整體結(jié)構(gòu)

將上面3 種器件連接后就組成喇叭饋源，整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。兩個(gè)E 面折疊雙T 的1 端口和2 端口分別輸出各自頻段的和路信號(hào)和方位差信號(hào)，在兩個(gè)矩形喇叭波導(dǎo)端口內(nèi)寬壁上中間位置開(kāi)長(zhǎng)度為7.45mm，寬度為2.1mm 的耦合隙縫，耦合出兩路Ku 波段信號(hào)，此兩路信號(hào)在波導(dǎo)內(nèi)合并后形成俯仰差信號(hào)從七端口網(wǎng)絡(luò)的7 端口輸出，在耦合隙縫處波導(dǎo)內(nèi)加金屬塊進(jìn)行駐波匹配，金屬塊的具體尺寸通過(guò)HFSS 軟件仿真確定。其中標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)端口與饋源的各個(gè)非標(biāo)端口之間用金屬臺(tái)階進(jìn)行過(guò)度，金屬臺(tái)階的尺寸及個(gè)數(shù)均由HFSS 軟件仿真得到。在饋源的兩個(gè)矩形喇叭口之間加一金屬板可以有效改善天線(xiàn)邊緣照射并增加方位差零深深度，通過(guò)HFSS 仿真軟件確定金屬板的長(zhǎng)度和厚度。

圖4 喇叭饋源結(jié)構(gòu)圖

在每個(gè)端口波導(dǎo)內(nèi)加金屬銷(xiāo)釘或金屬塊進(jìn)行駐波匹配。需對(duì)每個(gè)金屬銷(xiāo)釘和金屬塊的位置、直徑、厚度以及耦合隙縫的長(zhǎng)度、寬度等尺寸進(jìn)行仿真調(diào)試，為調(diào)試方便在七端口網(wǎng)絡(luò)中3,4 端口波導(dǎo)內(nèi)的金屬塊位置活動(dòng)可調(diào)，待各端口參數(shù)調(diào)試合格后焊接固定。

3 喇叭饋源電性能仿真結(jié)果

此喇叭饋源模型經(jīng)過(guò)Ansoft HFSS 11 仿真軟件計(jì)算每個(gè)端口的電壓駐波比在帶內(nèi)小于2，方位差零深和俯仰差零深均小于-30dB,Ku 波段饋源增益在14dB 左右，X 波段饋源增益在10dB 左右，波束寬度、旁瓣、端口隔離度等指標(biāo)也都符合設(shè)計(jì)要求，仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 喇叭饋源電性能仿真結(jié)果

4 結(jié)論

文章設(shè)計(jì)了一種工作在雙頻段的喇叭饋源，將幾種常見(jiàn)的無(wú)源微波器件組合并用合適尺寸的波導(dǎo)進(jìn)行微波信號(hào)傳輸，經(jīng)過(guò)各種調(diào)諧塊和端口的匹配就可以達(dá)到雙頻段工作的目的，特別是在微波抗干擾工作模式下比較有優(yōu)勢(shì)。由于在該饋源中耦合隙縫、調(diào)諧金屬銷(xiāo)釘?shù)鹊某叽缦嗷ブg的位置對(duì)饋源的端口S 參數(shù)影響較大，所以這些關(guān)鍵尺寸的加工精度要求在0.02mm 內(nèi)。