Ka波段膜片加载曲线内壁矩形喇叭天线

陈钟荣，张 瑶，张 炎，刘子锐，韩 啸

（南京信息工程大学，江苏南京 210000）

0 引 言

馈源喇叭是反射面天线和多反射面准光系统中的重要部件，具有增益高、驻波低、频带宽等优点。近年来，波纹喇叭天线以其高效率、高斯波束馈源、良好的轴对称性、低副瓣等优点被广泛研究[1-2]。但随着频率的增加，波纹喇叭天线结构复杂，加工难度及成本显著上升[3]，采用介质加载赋形喇叭取代波纹喇叭，通过介质实现喇叭内场与自由空间的过度，改善口径处的相位分布，提高辐射性能[4]。但喇叭天线增益与体积的取舍问题一直没解决，两段曲线组合成的光壁赋形喇叭的方向图同样具有低副瓣且更轻盈[5]，但两段曲线优化参数多，优化效率低，设计难度高。本文采用高斯曲线光壁喇叭天线，高斯曲线沿波导端口平移而成的曲面。通过改变曲线轮廓对波导模进行变换，有效地将输入的主模转换为与自由空间匹配的波束，缩小了天线的体积，在辐射喇叭结构中加载反射膜片，提高波束宽度，有效地降低副瓣。

1 喇叭天线的曲面设计

喇叭天线由一段标准波导传输线和逐渐张开的波导组成，末端不封闭完全张开[6]。喇叭天线内部的场与标准波导的辐射场相似，在两部分连接处，由于导体连接不连续会产生高次模。张角越大，场分布差异就越大[7]。分析喇叭天线的辐射特性得分析喇叭天线的口径场。一般波导内传输的都是主模传输，但是在波导连接段由于口径突然增大会激发产生高次模，前提假如只要喇叭的张角是渐变的，那么高次模都会在喇叭与波导附近衰减，所以默认只有主模在喇叭内传播[8]。到达喇叭口面的场主要变化是沿波导宽边方向的不同点到达的路径不同而不同相[9]。对于馈源喇叭设计者来说，有很多赋形曲线可供选择，如sinp、多项式及双曲线等形式[10]，不同的赋形曲线喇叭辐射性能不同。内壁曲线的不连续性会改变喇叭电压的驻波比，连续的内壁曲线可以获得优良的驻波比，本文设计的天线辐射结构与波导相连，高斯曲线张角与标准角锥喇叭相比渐变平滑，而且其起始端点处导数为零，实现波导与喇叭口径场的平滑过渡。曲线轮廓方程如下：

式中：Yi是矩形波导边长的一半，Ka 波段采用WR42 型矩形波导（波导边长10.886 mm，4.318 mm）；L是喇叭的长度；k是影响口径面的参数。

根据球面波口径面惠更斯原理[7]。通过目标匹配法确定L和k的值，优化后确定k=8，L=23.3 mm。图1 为喇叭天线在中心频率24.5 GHz 方向图，增益为15.8 dB，E 面主瓣3 dB 波束宽度为29°，H 面主瓣3 dB 波束宽度为30.9°，副瓣电平-13.17 dB，图2 显示在整个频率范围内驻波比低于1.2，辐射性能好。

图1 曲面天线E面和H面方向图Fig.1 Directivity diagram of curved antenna at E-plane and H-plane

图2 曲面喇叭天线驻波比Fig.2 Standing wave ratio of curved horn antenna

2 曲面膜片加载喇叭天线的设计与仿真测试

膜片是插放在曲面辐射喇叭的端口与波导面之间，在圆柱形金属膜片上开哑铃型槽，天线结构如图3 所示，通过改变槽的尺寸来改善天线的阻抗匹配特性，采用目标函数优化法，设反射系数低于-20 为目标函数，优化得出膜片尺寸，圆柱形法兰盘半径为16 mm，厚度为1 mm，安装固定天线，槽由两圆柱孔和长方体槽组成，沿矩形膜片长边中心点连线轴对称，两圆孔之间的中心距为3.4 mm，圆孔半径为1.2 mm，连接两圆型孔的矩形槽宽度为0.8 mm，槽结构俯视图如图4 所示。

图3 喇叭结构侧视图Fig.3 Side view of horn antenna structure

图4 加载膜片喇叭天线俯视图Fig.4 Top view of horn antenna with diaphragm loading

利用HFSS 软件对该膜片加载曲线内壁矩形喇叭天线进行仿真，得到该天线的反射系数曲线图如图5 所示。频率范围[11]为22.5～26.5 GHz 内，天线的驻波比VSWR 小于1.8，当频率为24.5 GHz时加载膜片喇叭天线增益为15.3 dB，E 面波束宽度为31.55°，H 面为33.9°，副瓣电平低于-25 dB，相对于曲面喇叭天线，加载膜片增大了波束宽度，降低了副瓣电平，如图6 所示。

图5 膜片加载曲面喇叭反射系数Fig.5 Reflection coefficient of curved horn antenna with diaphragm loading

为证明这种新型馈源的性能，将曲线轮廓喇叭天线与一个同样工作在22.5～26.5 GHz 经过设计优化的标准喇叭馈源进行对比，如图7，表1 所示。

图6 膜片加载曲面喇叭方向图Fig.6 Directivity diagram of curved horn antenna with diaphragm loading

图7 膜片加载曲面喇叭天线与标准增益喇叭天线E面方向图Fig.7 Directivity diagram of curved horn antenna with diaphragm loading and horn antenna with standard gain at E-plane

表1 膜片加载曲面喇叭与标准增益角锥喇叭测试对比Table 1 Test comparison of curved horn antenna with diaphragm loading and pyramid horn antenna with standard gain

由图7和表1 可得出以下结论：

1）膜片加载曲面喇叭比标准增益角锥喇叭长度缩短了25%，口径面比标准增益角锥喇叭小了一半，相对来说体积减小。

2）膜片加载曲面喇叭天线的增益和波束宽度略大于传统喇叭，较宽的波束宽度为后续加载反射面研究提供便利，能够充分利用反射面。

3）膜片加载曲面喇叭的副瓣电平比标准喇叭的副瓣电平低9 dB，低副瓣电平能够有效降低邻近馈源之间的电磁干扰，有利于目标信号的有效获取。

3 结 论

根据项目实际需求，设计了膜片加载曲线内壁矩形喇叭天线，比传统喇叭天线体积小一半，辐射性能好，通过HFSS仿真软件进行了优化设计，仿真对比结果可以看出，天线在整个工作频段内电压驻波比小于1.8，副瓣电平比主瓣低25 dB 以上，体积比传统角锥喇叭天线缩短一半，波束宽度比角锥喇叭宽。该天线具有结构简单、易于加工、质量轻等优点，作为后续研究的偏馈反射面天线的馈源，具有参考意义和较高的工程推广价值。