周硙硙，張 青，趙 旭，夏 翔

（1.海軍裝備部駐南京地區(qū)第一軍事代表室，江蘇南京210006；2.中國航天科工集團(tuán)8511 研究所，江蘇 南京210007）

0 引言

隨著現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)和和電子對抗系統(tǒng)的發(fā)展，系統(tǒng)集成和功能需求逐漸提高?，F(xiàn)代雷達(dá)很多都采用寬帶、超寬帶調(diào)擴(kuò)頻技術(shù)和頻率捷變技術(shù)，雷達(dá)目標(biāo)信號將在較寬的頻帶范圍內(nèi)存在，極化形式也呈現(xiàn)多樣性發(fā)展，在工作過程中極化形式不斷變化，并對系統(tǒng)作用距離的要求不斷提高。因此天線必須具備寬頻帶、寬波束、多極化以及在所需波束范圍內(nèi)有相對較高增益的特點(diǎn)。在通信系統(tǒng)中，圓極化天線具有抗云、雨干擾，減少信號漏失，消除由電離層法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)引起的極化畸變影響等優(yōu)點(diǎn)。因此圓極化天線在通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

本文介紹了一種工作于X 頻段的雙圓極化喇叭天線，在最大限度范圍內(nèi)達(dá)到了多項(xiàng)指標(biāo)的均衡性，同時降低了天線的復(fù)雜度、損耗和成本。

1 天線設(shè)計

工作中要求一種工作頻帶范圍在8～12 GHz?？紤]到喇叭天線具有頻率性能好、適用帶寬寬、結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)整、損耗小等特點(diǎn)，因此所設(shè)計的天線采用喇叭天線的形式。為了使喇叭天線實(shí)現(xiàn)圓極化工作，采用尺寸較小且?guī)捿^寬的隔板圓極化器。根據(jù)隔板圓極化器的移相特性及場型結(jié)構(gòu)，在隔板的兩側(cè)分別進(jìn)行激勵，其公共輸出端便可實(shí)現(xiàn)左旋或右旋2 種圓極化波，因此天線可雙圓極化工作。

本天線由同軸-矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器、波導(dǎo)隔板圓極化器和波導(dǎo)段組成。天線通過同軸線饋電，經(jīng)同軸-矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器在方波導(dǎo)中形成TE10 模電磁波，再經(jīng)過圓極化器后，在圓極化器輸出端形成圓極化波。

1.1 饋電設(shè)計

天線的饋電采用同軸-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，用同軸探針激勵圓波導(dǎo)。將同軸線的外導(dǎo)體與圓波導(dǎo)的外壁連在一起，內(nèi)導(dǎo)體的延伸部分(探針)插入波導(dǎo)中，形成一個小輻射天線，在波導(dǎo)內(nèi)激勵出TE10模電磁波。這種同軸-矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器在同軸-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換處引入了電抗，造成了波的反射，使同軸與波導(dǎo)的失配加劇。為了改善同軸-圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的匹配性能，可以通過調(diào)節(jié)探針插入深度以及探針在波導(dǎo)中位置的方式完成。一般其饋電位置離短路端的距離為工作中心頻點(diǎn)所計算出的波導(dǎo)波長的1/4 略短的位置。

1.2 圓極化設(shè)計

模片尺寸，必須分析該圓極化喇叭天線內(nèi)的場，而該天線可以采用波導(dǎo)分析中常用的模式匹配法。首先把圓極化喇叭天線看作一個四端口網(wǎng)絡(luò)，用以導(dǎo)出四端口散射參數(shù)的耦合矩陣在很多文獻(xiàn)中已有描述[1-2],在此分析中需要注意的是波導(dǎo)模片部分場值。

按照圖1 所示的金屬隔板，可以認(rèn)為隔板的每一個階梯都是相互獨(dú)立的，所以每一個階梯段可以等效地看作為一段脊波導(dǎo)，應(yīng)用脊波導(dǎo)、脊邊緣的邊界條件可以得到這一段的散射矩陣。

圖1 隔板圓極化器隔板結(jié)構(gòu)

2 天線仿真

天線采用HFSS9 電磁場分析軟件進(jìn)行仿真分析。天線在HFSS 軟件中的仿真模型及單元駐波如圖2-3 所示。天線在8～12 GHz 的頻段內(nèi)進(jìn)行仿真，針對計算的結(jié)果分析，調(diào)整模型的結(jié)構(gòu)尺寸以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，直到輸出滿意的結(jié)果，在調(diào)整天線模型尺寸時，要考慮實(shí)際工程的應(yīng)用以及加工精度的要求。

單元增益方向圖如圖4―9 所示。單元軸比方向圖如圖10―11 所示。

單元增益和軸比性能統(tǒng)計如表1 所示。

可以看出，天線端口駐波在8～12 GHz 頻帶內(nèi)小于2。天線方位面±60°增益大于-0.8 dB，俯仰面增益±60°增益大于-2.5 dB，方位面與俯仰面軸向軸比小于2.1。

圖2 天線單元模型圖

圖3 天線駐波

圖4 8 GHz 方位面增益方向圖

圖5 10 GHz 方位面增益方向圖

圖6 12 GHz 方位面增益方向圖

圖7 8 GHz 俯仰面增益方向圖

圖8 10 GHz 俯仰面增益方向圖

圖9 12 GHz 俯仰面增益方向圖

仿真結(jié)果表明，喇叭天線結(jié)構(gòu)簡單緊湊，方向性、圓極化性能優(yōu)良，帶寬完全能滿足要求，天線的設(shè)計達(dá)到了實(shí)際工程的要求。

圖10 方位面軸比方向圖

圖11 俯仰面軸比方向圖

表1 天線仿真性能統(tǒng)計表

3 天線測試

根據(jù)仿真優(yōu)化的結(jié)果制作了實(shí)物模型。使用Agilent N5230A 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線的S 參數(shù)進(jìn)行了測試。在暗室進(jìn)行增益方向圖測試，測試結(jié)果如圖12―17 所示。

圖12 8 GHz 方位面增益方向圖

測試結(jié)果表明，單元天線駐波小于2，增益值統(tǒng)計如表2 所示。

圖13 10 GHz 方位面增益方向圖

圖14 12 GHz 方位面增益方向圖

圖15 8 GHz 俯仰面增益方向圖

4 結(jié)束語

本文在原有模片圓極化喇叭天線的基礎(chǔ)上，通過對天線的改進(jìn)，研制出一種新型X 波段的圓極化喇叭天線。該天線擴(kuò)展了普通模片圓極化喇叭天線的工作帶寬，且改善了圓極化喇叭天線高頻段低仰角的增益，為寬帶圓極化天線的進(jìn)一步研究和設(shè)計提出了一種新的實(shí)現(xiàn)方式。

圖16 10 GHz 俯仰面增益方向圖

圖17 12 GHz 俯仰面增益方向圖

表2 天線增益實(shí)測性能統(tǒng)計表