一种X/Ku/Ka三频波纹喇叭的设计

曹国光， 吴建明

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

一种X/Ku/Ka三频波纹喇叭的设计

曹国光， 吴建明

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

介绍了一种应用于X/Ku/Ka三频的波纹喇叭设计，该喇叭分别工作于8.6 GHz-9.5 GHz；15.7 GHz-17.7 GHz；33 GHz-36 GHz。波纹喇叭由输入段、模转换段、变角段和辐射段组成，其中模转换段采用环加载的形式。仿真和实测结果表明，设计的天线电气性能优良，具有良好的实用性。测试结果表明波纹喇叭具良好的辐射特性。

波纹喇叭；X频段；Ku频段；Ka频段

圆锥波纹喇叭由于良好的波束旋转对称性、低交叉极化电平等性能被广泛的用作反射面天线的馈源。 但是一般传统的波纹喇叭带宽一般在2∶1左右。 本文结合某项目需求，设计了一种X/Ku/Ka三频波纹喇叭，整体频带带宽跨度达到4∶1。

并采用商用软件Champ进行了仿真计算和实际加工测试。给出了仿真和实测结果。

1 设计输入

该喇叭工作频率范围：

(1)X频段：8.6 GHz-9.5 GHz；(2)Ku频段：15.7 GHz-17.7 GHz；(3)Ka频段：33 GHz-36 GHz;(4)馈源照射角：17°。

2 参数设计

由于技术要求高，工作频段宽，所以采用四段法设计，也就是波纹段分为输入锥削段、模转换段、过渡段(变频段、变角段)、辐射段。喇叭工作在两个频段上，最高频和最低频相差4倍以上，通过分析，几个频段相对带宽都不宽，而且频率配置比较合适，可以采用单槽波纹方式，利用波纹壁导纳的周期性实现双频共用，同时由于第二周期导纳变化较快，特别注意以高频段性能为主，比如选定平衡混和频率即以高频为主，利用高频导纳为零进行选取，同时兼顾低频性能，尽量减少负导纳。由于频带太宽，模转换器无法工作于单模区，所以需要采取各种措施对高频段喇叭高次模加以抑制，设计的原则是尽量减少高次模的激励，光壁段采用圆弧曲线减少不连续性，模转换器内壁为正弦曲线，入口与光壁段切线连续，出后张角为零，变频段张角为零，变角段为圆弧短，降低高次模的激励，为获得宽频特性，需要喇叭口面相差大于0.75π，需要喇叭口径和张角加大，为获得高照射效率，辐射段张角一般不得大于照射角，综合考虑取15°，取喇叭口半径为75mm，得到口面光程差为9.87mm，相差为：f=8.6GH时0.57π，f=36.00GH时 2.34π，考虑到副面位于近场，基本满足宽频带馈源要求。

首先进行输入锥削段(光壁过渡段)的设计，此段要保证微波网络和波纹喇叭的衔接，主要技术要求是尺寸小，平滑过渡，不激励高次模，微波网络出口尺寸为Φ23mm，设计得光壁过渡段入口为Φ23mm，由于是双频共用，模转换器在保证驻波比情况下尺寸应该尽量小，同时考虑到入口电尺寸太小可能造成驻波比不好，则模转换器入口为24mm，取fi=8.6*1.15=9.89GHz，kia=2.48，为减小过光壁渡段长度同时保证波导内壁曲线导数连续，经过综合考虑采用圆弧过渡，模转换器出口取出口尺寸为Φ33.56，kia=3.38。具体设计参数如下：

(1)光壁过渡段

入口半径：ai=11.5mm;出口半径：a1=12mm；长度：Z0=10mm；

模转换器入口张角：θ=2tg-1((a1-ai)/Z0)=5.72481045°；圆弧半径：R=(a1-ai)/(1-cosθ)=100.25mm。

(2)模变换器

入口半径：a1=12mm；出口半径：a2=16.78mm；长度：Z1=75mm；周期：P=2.5mm；加载槽槽底槽宽：W=1.8mm；内径：a=a1+(a2-a1)*sin(π*z/2/z1)；槽口宽度：bi=0.1+1.7×(i-1)/29；加载槽槽深：d1=6.75+(7.2-6.75)*(i-1)/29；加载槽深：hi=5.76mm。

(3)变频段

初始频率：fi=33GHz；变频频率：f0=35GHz；槽宽：W=1.8mm；内径：a=a3+z*tgθ；入口半径：a3=16.78mm；出口半径：a4=16.78mm；长度：Z2=50mm；周期：P=2.5mm。

(4)变角段

入口半径：a5=16.78mm；出口半径：a6=23.36924mm；平衡混合频率： f0=35GHz；长度：Z3=50mm；周期：P=2.5mm；槽宽：W=1.8mm。

(5)喇叭辐射段

图1 三频喇叭示意图

入口半径：a7=23.37mm；出口半径：ah=75.62mm；长度：Z3=195mm；周期：P=2.5mm；槽宽：W=1.8mm；半张角：θh=15°；槽口半径：ai=a7+P×(i-1)tgθh；平衡混合频率： f0=35GHz；相位中心离口面距离220mm。

三频喇叭示意图如图1所示。

3 仿真计算

分别采用两种商用软件champ对馈源建立模型，进行仿真计算。计算馈源幅度和相位方向图，以及馈源的回波损耗。如图2～图5所示。

图2 馈源方向图仿真结果(X频段)图3 馈源方向图仿真结果(Ku频段)

图4 馈源方向图仿真结果(Ka频段)图5 驻波仿真结果

由仿真分析结果可得：

a) 馈源在X频段内回波损耗≥23dB，即电压驻波比≤1.15；满足设计需求，在Ku和Ka频段内的驻波均在1.05以内，故没有列出仿真结果。

b) 当ψ=17°时，照射电平约为-10dB～-20dB之间，能够保证良好照射。

c) E面与H面的方向图等化较好。

4 测试结果

根据仿真结果，对喇叭进行了加工测试，喇叭外形图如图6所示。

图6 喇叭外形图

加工完成后在微波暗室对该波纹喇叭的辐射特性进行了测试，如图7～图9所示。测试结果表明：该波纹喇叭在三个频段内均具有较好的圆对称的辐射特性，满足项目使用要求。

图7 馈源方向图测试结果(X频段)

图8 馈源方向图测试结果(Ku频段)

图9 馈源方向图测试结果(Ka频段)

5 结束语

通过对三频波纹喇叭需要的分析，在喇叭的各个组成段均给出了合理的设计参数，设计了一种能够同时工作在X/Ku/Ka三个频段的波纹喇叭。仿真结果表明，该波纹喇叭电性能优良，实测结果与仿真计算结果吻合良好。此波纹喇叭已用于某7.3m车载天线中。

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

An design of X/Ku/Ka tri-band corrugated horn

CAO Guo-guang,WU Jian-ming

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

This paper presents a corrugated horn design for X/Ku/Ka triples, which operate at 8.6GHz-9.5GHz; 15.7GHz-17.7GHz; 33GHz-36GHz. The corrugated speaker consists of an input section, a mode conversion section, a variable angle section and a radiation section, wherein the mode conversion section is in the form of a ring loading. Simulation and experimental results show that the design of the antenna electrical performance is excellent, with good practicality. The test results show that the corrugated horn has good radiation characteristics.

Corrugated horn;X-band;Ku-band;Ka-band

2017-01-10

曹国光(1985-)，男，工程师,主要研究方向：天线电气设计.

1001-9383(2017)01-0035-05

TN823

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