卡式天线中双口双模馈源设计

马世娟，王建，郑贵，司海峰，刘华涛

（电子科技大学电子工程学院，四川成都611731）

卡式天线中双口双模馈源设计

马世娟，王建，郑贵，司海峰，刘华涛

（电子科技大学电子工程学院，四川成都611731）

基于卡塞格伦天线对馈源工作带宽的要求，设计了一种Ka波段双口双模馈源。首先，对双口双模口径场进行理论分析并借助MATLAB编程作图。然后，对馈源进行建模仿真，通过加入匹配金属圆柱销钉、在波导窄边加入过渡阶梯、在H臂末端宽边处加入过渡台阶的方法使H折叠魔T的工作绝对带宽可达7 GHz。最后，进行实测，工作绝对带宽为2 GHz，S和口、E差口和H差口驻波比均小于2，3个端口间的隔离度均大于25 dB，仿真与实测结果吻合。

馈源；双口双模；Ka波段；宽带

随着飞行技术的发展，以及对高空、高速、隐身目标的测量等的要求，对跟踪雷达的跟踪速度、精度以及距离提出越来越高的要求。喇叭馈源具有加工简单、方向性好、增益高等优点，因而被广泛应用于反射面天线中。在反射面天线中放置小型化宽带馈源可以减小遮挡效应、提高口径效率、提高雷达分辨率［1］。

早期的反射面天线主要采用四喇叭单脉冲馈源或十二喇叭单脉冲馈源，但这些馈源的和差矛盾突出、前馈对电磁波的遮挡较大、天线效率低、副瓣电平高［2］。四喇叭三模单脉冲馈源［3］虽然较好的缓解了馈源的和差矛盾，但因大口径馈源对反射面天线的遮挡效应造成副瓣电平被抬高，影响天线的辐射性能。文献［4］验证了魔T可以拓宽馈源的工作带宽，并对双模喇叭单脉冲馈源进行设计，利用魔T的宽带特性进行改进，使天线相对带宽由5%提到19%，但未验证馈源的工作带宽。文献［5］对高性能馈源喇叭进行综述性研究并对国内外高性能喇叭的发展现状进行阐述，对于选用合适的馈源具有重要的指导和借鉴意义。文献［6］利用实例验证标准反射面天线馈源喇叭的优选照射电平，给出了标准反射面和赋形反射面在设计中各自馈源喇叭的优选边缘照射电平。文献［7］以用于卫星通信天线的四端口圆极化频率复用馈源系统为例，分析电压驻波比及轴比等指标间的关系，阐明天线系统主要指标的分配方法。文献［8］设计了针对卡塞格伦的馈源结构，在20 GHz的卫星下行频率可实现具有圆极化的多模单脉冲跟踪系统，并基于此原理扩展到双波段并工作于30 GHz。

双波段极化扭转卡塞格伦反射面天线因其口径效率高、结构简单等被广泛应用于雷达系统中。在卡塞格伦天线上实现双波段工作，合理设计馈源能够提高其工作效率。实践表明，后馈形式的双波段极化扭转技术可简化支撑结构，减小两个波端口的遮挡。通过以上设计理念与以上文献比较，并结合卡塞格伦反射面天线对馈源的要求，设计了一种用于卡塞格伦天线系统中的Ka波段双口双模馈源，且可与X波段组合成双波段馈源。首先，对双口双模口径场进行理论分析并借助MATLAB编程作图。然后对馈源进行建模仿真，其中通过加入匹配金属圆柱销钉、在波导窄边加入过渡阶梯、在H臂末端宽边处加入过渡台阶的方法使H折叠魔T的工作绝对带宽可达7 GHz。最后，进行实测，工作绝对带宽为2 GHz，S和口、E差口和H差口驻波比均小于2，3个端口间的隔离度均大于25 dB，仿真与实测结果吻合。

1　馈源设计

文中设计的Ka波段卡塞格伦反射面天线系统中的馈源由和差比较器、过渡波导段、检测波导以及馈电器组成，其中，为检测馈源工作时的性能，在过渡波导段安装检测波导。馈源结构模型如图1所示。

图1　馈源整体模型

Ka波段双口双模馈源通过模生成器提供所需的TE10模和TE20模，并通过其幅度与相位的改变来产生所需的波束。其具体工作原理为：信号到达馈源的双喇叭口后激励起TE10模和TE20模，TE10模依次经过主波导、激励波导和过渡波导段到达和差比较器中的E折叠魔T，相加后从S和口输出所需的S面和信号，相减后从E差口输出所需的E面差信号。TE20模进入和差比较器后在两个H面折叠魔T的E壁分别激励出H差信号，两个H差信号经过3 dB电桥后从H差口输出所需的H面差信号。

在理想状态下，当目标反射信号进入馈源双喇叭口后，若信号全部进入和通道中，此时E差与H差通道信号基本对消。当信号偏离一定位置时，目标反射信号将使E差口与H差口有输出信号。在每种情况下所输出的信号幅度与相位偏差成正比关系，通过比较幅度与相位可以确定目标所在的位置。

2　口径场分析

矩形口径面中电场与磁场为非均匀分布，本文中采用惠更斯源法求矩形口径面的场分布。惠更斯源定义为天线口径面上电磁波传播前的一个矩形面元dxdy，在此矩形面元中场的振幅与相位都是均匀的，且有Esx/Hsy=120π。矩形口径直角坐标系如图2所示，其中，2（a）与2（b）分别为矩形口径的长与宽。

图2　矩形口径直角坐标系

图3　三种状态下的口径场分布

惠更斯元空间合成远区电场为：

在图2中，矩形口径2a×2b可以分为无限个惠更斯矩形面元，由以上推导的惠更斯面元远区电场求出矩形口径的远区电场为：

2.1和状态辐射特性

本文设计的Ka波段馈源的辐射口径面由两个同样尺寸大小且对称放置的矩形平面组成，图3（a）所示为和状态下双喇叭口面上的口径场分布。其中，2a、2b、2c分别为矩形喇叭口的长边、短边、两个矩形喇叭口之间的距离。

馈源和口状态下口径面电场表达式为：

其中，

和状态下馈源方向图函数为：

其中，t1=βsinθcosφ，t2=βsinθsinφ。

2.2E面差状态辐射特性

如图3（b）所示为馈源在E面差状态下双喇叭口面的电场分布。

E面差状态下口径面电场表达式为：

其中，

E面差状态下馈源方向图函数为：

其中，t1=βsinθcosφ，t2=βsinθsinφ。

2.3H面差状态辐射特性

馈源在H面差状态下双喇叭口面的电场分布如图3（c）所示。

由图可得出方位差状态下口径分布的电场的表达式为：

其中，

H面差状态下馈源方向图函数为：

其中，t1=βsinθcosφ，t2=βsinθsinφ。

下边频点处和状态下φ=0与φ=90、E面差状态、H面差状态归一化方向图如图4所示。由图4（a）与（b）看出H面与E面的归一化和方向图较对称，的边缘照射电平均在-12～-18 dB范围内。由图4（c）与（d）看出E面差与H面差状态下的归一化方向图的零值深度小于-60 dB，且零点无偏移。

3　H折叠魔T设计

和差比较器作为馈源结构中重要部分，它由一个E折叠魔T、两个H折叠魔T、3 dB电桥和弯波导组成。其中，宽频带的H折叠魔T对和差比较器的工作带宽有重要作用，H折叠魔T模型如图5所示。

鉴于魔T本身不连续，文中先在不连续处加入匹配金属圆柱销钉，并在波导窄边加入过渡阶梯，同时在H臂末端宽边处加入过渡台阶，利用Ansoft HFSS软件进行仿真优化，中心频率为f0的绝对带宽Δf为7 GHz范围内E口与H口的驻波比小于2，E口与H口间的隔离度大于50 dB。

最后，将设计的和差比较器进行仿真优化，在绝对带宽2 GHz范围内，S和口、E差口、H差口的驻波均小于1.4，3个端口之间的隔离度大于55 dB，这说明H折叠魔T对于拓宽和差比较器的工作带宽有一定的影响。

图4　下边频点和、差状态下归一化方向图

图5　H折叠魔T模型

4　仿真与测试

对图1所示的馈源整体进行仿真优化，工作频带内的S和口、H差口、E差口3个端口的驻波比如图6所示。3个端口的驻波比均小于2。

图6　馈源各端口驻波比

馈源实物如图7所示。馈源辐射口面采用介电常数为2.2的介质板密封。

图7　X/Ka波段馈源实物

用标量网络分析仪对馈源波段内各端口的驻波比与端口间的隔离度进行测试，测试结果表明，3个端口的驻波均小于2，S和口与H差口间的隔离度小于-32 dB，S和口与E差口间的隔离度小于-25 dB，E差口与H差口间的隔离度小于-34 dB。设计的馈源的方位面与俯仰面的和、差归一化方向图在下边频处的测试结果和仿真结果如图8所示。

图8　下边频时和、差归一化方向图

由图8可以看出，下边频的和方向图在位置的归一化增益约为-15 dB，初级归一化和方向图较对称，方位面归一化和方向图的测试结果与仿真结果较为一致。俯仰面差方向图的测试结果与仿真结果较为一致，零值深度均小于-25 dB，方位面差方向图的测试结果显示有零偏。

5　结论

设计了一种用于卡塞格伦天线系统中的Ka波段双口双模馈源。首先，对双口双模口径场进行理论分析并借助MATLAB编程作图。然后对H折叠魔T进行建模仿真，其工作绝对带宽可达7 GHz，对于拓宽馈源的工作带宽具有一定的作用。最后，进行实测，工作绝对带宽为2 GHz，S和口、E差口和H差口驻波比均小于2，三个端口间的隔离度均大于25 dB，仿真与实测结果吻合。

［1］杨可忠，杨智友，张日荣.现代面天线新技术［M］.北京:人民邮电出版社，1993.

［2］郁正强.前馈四喇叭抛物面反射器天线矫正焦距的确定［J］.电子学报，1982（2）:90-93.

［3］Lee K M，Ruey Shi Chu.Design and analysis of a multimode feed horn for a monopulse feed［J］.IEEE Transactions on Antenna and Propagation，1988，36（2）:171-181.

［4］李方，李长源.宽带双喇叭单脉冲馈源设计［J］.现代导航，2014（3）:205-208.

［5］谢苏隆，叶长利，于飞.高性能馈源喇叭综述［J］.空间电子技术，2014（4）:11-18.

［6］高美丽，万继响，田步宁.反射面天线馈源喇叭边缘照射电平的分析［J］.微波学报，2012（S2）:80-83.

［7］段斌，李红卫.天线及馈源系统主要指标关系的分析［J］.微波与卫星通信，1999（2）:30-32.

［8］Hendrik Bayer.Multimode Monopulse Tracking Feed with Dual-band Potential for Land-mobile Satellite Communications in Ka-band［C］//Proceedings of the 5th European ConferenceonAnetnnasandPropagation，Rome，2011:1169-1172.

The design of dual-aperture dual-mode feed of cassegrin

MA Shi-juan，WANG Jian，ZHENG Gui，SI Hai-feng，LIU Hua-tao
（School of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

In order to meet the requirements to feed in Cassegrain antenna，the title proposed an Ka-band dual-port dual-mode feed for Cassegrin antenna system.Firstly，analysis the theory and plot using MATLAB of the dual-port dual-mode diameter field.Secondly，simulate the model，An matching metal cylinder pins，Transitional steps at the narrow waveguide and at the end of H-arm are used to improve the performance of H floded magic T.Lastly，test results show that the VSWR of S summation port，S differencing port and H differencing port are all below 2，the isolation among these three ports are all larger than 25 dB in the bandwidth of absolute 2 GHz.The simulation and test results are similar.

feed；dual-aperture dual-mode；Ka-band；wide band

TN819.1

A

1674－6236（2016）12-0073-04

2015-06-15稿件编号：201506153

马世娟（1989—），女，山东诸城人，硕士研究生。研究方向：天线理论分析与设计。