一种高效率的四脊喇叭馈源

李 栋，杜 彪，伍 洋

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄 050081)

0 引言

平方公里阵(Square Kilometre Array，SKA)将是世界上最大的射电望远镜天线，由约3 000个15 m口径反射面天线组成的阵列将对SKA科学目标的实现发挥重要的作用[1-2]。SKA反射面天线不仅要求高灵敏度，还需要宽频带工作。四脊喇叭和Eleven馈源都具有良好的辐射方向图和较宽的工作带宽，但Eleven馈源的馈电方式不易实现且回波损耗与插入损耗较大，而四脊喇叭使用同轴线馈电，馈电方式易于实现且插入损耗较小。因此，本文对四脊喇叭做了一些研究，到目前为止的研究表明:虽然四脊喇叭在宽频带内具有良好的阻抗和辐射特性，但作为馈源，其波束等化较差、波束宽度随频率变化较大[3]，影响了天线的效率。针对上述缺陷，本文研究了馈源口径对辐射特性的影响，并给出了一个宽频带高效率四脊喇叭馈源的设计。

针对SKA反射面天线第5个工作频段(4.6 GHz～13.8 GHz)，首先设计了两种具有不同口径的圆四脊喇叭馈源。由于宽频带馈源很难准确评价其性能优劣，为此，本文提出了一种评价标准，将馈源辐射方向图代入天线中计算天线效率，由天线效率的高低决定馈源性能优劣。通过研究上述两种口径喇叭的几何参数和方向图的计算结果，重新设计了一个具有较低电压驻波比和良好方向图的四脊喇叭馈源，并将其代入半照射角为45°的4.5 m标准抛物面天线进行效率计算，天线效率在3∶1频带内优于55%。

1 四脊喇叭的组成

波导的工作带宽定义为主模截止波长和第一个高次模截止波长之比。圆波导的主模是TE11模[4]，在圆波导中加入脊片可以降低主模的截止频率，增加第一个高次模的截止频率，这样就展宽了波导的工作带宽。四脊喇叭主要由脊片、喇叭壁、脊波导和背腔四部分组成，如图1所示。

图1 四脊喇叭馈源结构图

四脊喇叭采用同轴线馈电，同轴线的阻抗与脊波导的阻抗匹配[5]，以获得良好的电压驻波比。

脊片形状是四脊喇叭方向图和波束宽度的主要影响因素，它的另一个作用是阻抗匹配，使阻抗从四脊波导处的阻抗过渡到自由空间的阻抗。脊曲线一般采用指数曲线的形式[6]。

背腔是影响四脊喇叭电压驻波比的重要部件，选用台阶形腔体能有效改善四脊喇叭的电压驻波比[7]。

2 两种四脊喇叭馈源

反射面天线的效率[8-9]受多种因素的制约，而馈源的方向图是直接影响天线效率的主要因素之一。根据文献[7]中的研究成果，改变脊曲线形状可以得到不同的波束形状。据此设计了两种4.6 GHz～13.8 GHz的具有不同口径的四脊喇叭馈源，给出了三个主平面的波束宽度随频率变化的曲线，并将其辐射方向图带入4.5 m前馈抛物面天线中计算天线的口径效率。

2.1 大口径四脊喇叭馈源

大口径喇叭以波束宽度不随频率变化为目标，喇叭口径为133 mm，长度为84 mm，脊曲线为直线段和曲线段拟合。

E面和45°面的10 dB波束宽度在整个频带内大于105°，H面的10dB波束宽度在4.6 GHz～8 GHz频带内大于100°，大于8 GHz波束宽度开始变小，最小为62°，如图2所示。为了验证理论分析的正确性，加工了一个大口径四脊喇叭馈源样机并对其性能进行了测试，两端口的电压驻波比实测与计算结果如图3所示。

图2 大口径四脊喇叭10 dB波束宽度对比

图3 两端口电压驻波比实测与计算结果

可以看出，测试结果与计算结果基本一致，整个频带内两端口的电压驻波比都小于2，随着频率的升高电压驻波比逐渐减小。

喇叭的端口隔离度的实测值与计算值如图4所示。可以看出，端口隔离度的测试值小于-23 dB。

图4 两端口隔离度实测值与计算值

图5给出了喇叭低、中、高三个频率的辐射方向图，可以看出，E面和45°面波束宽度较宽且整个频带内波束宽度较为恒定，约为100°，H面波束宽度随频率升高由100°减小至60°。辐射方向图测试结果与计算结果基本吻合，验证了理论分析与计算的正确性。

图5 大口径四脊喇叭测试与计算方向图

2.2 小口径四脊喇叭馈源

小口径喇叭以波束等化为目标，喇叭口径为65 mm，长度为90 mm，脊曲线分段拟合，第一段为直线段，第二段为曲线段。图6给出了小口径四脊喇叭馈源-10 dB波束宽度随频率变化的曲线。

图6 小口径四脊喇叭-10 dB波束宽度

随着频率的升高三个面的波束宽度由低频的125°减小到高频的80°，变化较大。在7.6 GHz～12 GHz频带内E面的-10 dB波束宽度小于80°，13.5 GHz～13.8 GHz频带内H面的波束宽度小于80°，整个频带内三个面的-10 dB波束宽度在100°左右。

两端口的电压驻波比如图7所示。可以看出，两端口的电压驻波比都小于2。

图7 小口径喇叭电压驻波比

端口隔离度如图8所示。可以看出，两端口隔离度小于-40 dB。

图8 端口隔离度

低、中、高三个频点的辐射方向图如图9所示。各频点的辐射方向图等化程度优于大口径四脊喇叭方向图的等化程度，三个面的10 dB波束宽度相差较小，低频端三个面的等化程度优于高频端三个面的等化程度。

2.3 天线效率对比

小口径四脊喇叭馈源的H面和45°面波束宽度较宽，而E面波束宽度较窄，且三个面的方向图随频率升高而变窄;大口径四脊喇叭馈源E面和45°面的波束宽度在整个频带内变化较小且宽，H面的波束宽度变化较大且窄。为了评价这两种馈源性能的优劣，将其代入反射面天线中计算效率。考虑到实际反射面天线电尺寸较大且结构复杂，为了方便分析计算，将其代入不同焦径比的4.5 m抛物面天线中，计算结果见表1。

图9 小口径四脊喇叭馈源辐射方向图

表1 两种四脊喇叭作馈源天线效率

3 高效率四脊喇叭馈源

以上两种四脊喇叭馈源的方向图各具特点，但其效率均较低。通过比较两种馈源的方向图发现，改变喇叭口径和相应的脊曲线，可以改变E面和H面的波束宽度，因此，有可能设计出一种波束等化且波束宽度恒定的馈源。由此设计了第三种中口径的四脊喇叭。

喇叭口径为88 mm，长度为85 mm，脊曲线仍为直线段和曲线段拟合，直线段长度为12.16 mm，曲线段方程为y=0.61 e0.05%，其驻波和辐射特性的计算结果如下。

喇叭两个端口的电压驻波比如图10所示，整个频带内端口1的电压驻波比小于1.5，端口2的电压驻波比小于 1.8。

图10 四脊喇叭电压驻波比

图11给出了四脊喇叭E面、H面和45°面三个主平面-10 dB波束宽度随频率的变化曲线。可以看出，在整个频带内其波束宽度最大值为99°，最小值为75°，随频率变化较小，且每个频点三个面的波束宽度基本相同，即方向图基本等化。

图11 三个面10 dB波束宽度对比

低、中、高三个频率喇叭的辐射方向图如图12所示，从图中可进一步看出三个面的辐射方向图等化良好。

图12 中口径四脊喇叭馈源的辐射方向图

根据三个面的-10 dB波束宽度，将喇叭的辐射方向图代入半照射角为45°的4.5 m前馈抛物面天线计算效率，并与前两种喇叭做馈源的天线效率进行对比，计算结果如图13所示。

图13 三种馈源效率对比

三种四脊喇叭馈源照射的反射面天线效率都随着频率的升高呈现下降趋势。但整个频带内，中口径四脊喇叭馈源的效率变化较平坦，均高于55%，整个频带内天线效率最好，达到了预期目标。

4 结束语

设计了三种四脊喇叭馈源，第一种四脊喇叭以波束随频率恒定为目标，口径较大，整个频带内E面和45°面-10 dB波束宽度变化较小，但H面的-10 dB波束宽度变化较大，且随频率升高逐渐变小，高频等化较差;第二种四脊喇叭以波束等化为目标，口径较小，在整个频带内三个面-10 dB波束宽度随频率升高逐渐变窄，变化较大。结合两种馈源方向图的特点，改变脊曲线和喇叭口径，设计了第三种四脊喇叭馈源，整个频带内三个面-10 dB波束宽度变化较小。通过比较三种四脊喇叭馈源照射天线的效率，得出结论，选择合适的喇叭口径和相应的脊曲线，可以在4.6 GHz～13.8 GHz频带内实现E面、H面和45°面方向图等化较好，且波束宽度基本恒定不变，从而实现了较高的天线效率。

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