一种双频喇叭馈源的设计

张占春

（甘肃长风电子科技有限责任公司，甘肃 兰州 730070）

1 概述

馈源是发射和接收电磁波的无源微波器件，处于微波通信和天线系统的最前端，其性能对整个天线系统具有非常重要的影响。随着电子技术的发展和宽带通信及探测设备的出现，宽带天线系统以及天线系统的宽频技术也在不断的发展，为扩大系统容量或为了躲避其他频率的干扰，实际的天线系统往往工作在两个或两个以上频带内，但在不便安装两副天线的情况下，双频天线系统应用而生了，这就需要双频馈源来接收和发射电磁信号。

所谓双频馈源是指在两个不同的频带内各项性能都能满足天线系统要求的馈源，具体指标包括：驻波比、增益、方向图和效率等。

2 喇叭馈源的组成及原理

2.1 矩形口径喇叭

矩形口径喇叭的优点是功率容量大，边瓣及后瓣小，交叉极化小，方向图便于控制（改变喇叭口径尺寸），阻抗带宽较宽等等。矩形口径喇叭是由矩形波导两壁张开形成的，它的形状如图1 所示。

图1 矩形口径喇叭结构图

根据上述两个公式，当波导宽边a 取20.1mm,波导窄边b 取8mm 时可同时满足X 波段和Ku 波段的微波信号传输要求。喇叭口的宽边W 和窄边H的尺寸应根据天线系统方向图的波束宽度以及天线边缘照射等需求确定。为了形成方位差信号此喇叭馈源需要两个矩形口径喇叭。

2.2 E 面折叠双T 接头

从结构上来看，E 面折叠双T 是将魔T 的平分臂在E 平面内折叠而成的，因此它们的工作原理相同。如图2 所示，从3,4 端口进入2 端口的两路相位相反的TE10 型波在2 端口内合并为TE20型波后形成方位差信号，在1 端口内合并为TE10型波形成和路信号。根据波导尺寸边界条件，通常E 面折叠双T的1 臂和2 臂的横截面尺寸选择与主波导的横截面的尺寸相同，从结构对称性来考虑，3 臂和4 臂的横截面尺寸应相同，并且它们的窄边应与主波导窄边一样。从1 臂与2 臂间的隔离来考虑,2 臂的宽边只允许传输TE20模，不允许其它高次模传输。所以，在此馈源中选Ku 波段E 面折叠双T 的宽边为17mm,窄边为8mm。X 波段E 面折叠双T 的宽边为22.86mm，窄边为10.16mm。由于喇叭馈源结构的需要此E 面折叠双T 的3,4 路波导之间形成一定张角。

图2 E 面折叠双T 结构图

2.3 七端口网络

七端口网络是一种经典的无源微波器件，如图3 所示，也是此馈源中比较重要的一个滤波器件。两个矩形口径喇叭接收的微波信号输入到1,2 端口的波导内。其中在靠近3,4 端口的波导腔内放置宽度为7mm，长度为27.1mm，高度与波导内腔高度一样的金属块，在此处形成一个窄波导腔体，这样从1,2端口波导内输入的微波信号经过窄波导腔体滤波后只有Ku 波段信号从3，4 端口输出到Ku 波段E面折叠双T 中。

图3 七端口网络结构图

在波导窄边开宽度为1mm，长度为17.5mm 的隙缝，用隙缝耦合的方式把波导内的X 波段信号耦合到5,6 端口波导腔中，为了放大所需微波信号在靠近耦合隙缝处波导腔内形成一个λ/4 波长的谐振腔体，其中谐振腔体长度为8mm，微波信号经谐振放大后从5,6 端口输出到X 波段E 面折叠双T 内，这样七端口网络就把两个频段的信号分开了。

七端口网络腔体内的每一个尺寸对它本身的电性能影响较大，在调整一个尺寸时会对各个端口的电性能产生影响，所以我们在用HFSS 软件仿真的时候要兼顾各个端口之间的电性能，对每一个尺寸进行调整时要同时调整其他的尺寸，使它们之间的变化对各端口的电性能的影响降到最低。

2.4 喇叭馈源整体结构

将上面3 种器件连接后就组成喇叭馈源，整体结构如图4 所示。两个E 面折叠双T 的1 端口和2 端口分别输出各自频段的和路信号和方位差信号，在两个矩形喇叭波导端口内宽壁上中间位置开长度为7.45mm，宽度为2.1mm 的耦合隙缝，耦合出两路Ku 波段信号，此两路信号在波导内合并后形成俯仰差信号从七端口网络的7 端口输出，在耦合隙缝处波导内加金属块进行驻波匹配，金属块的具体尺寸通过HFSS 软件仿真确定。其中标准波导端口与馈源的各个非标端口之间用金属台阶进行过度，金属台阶的尺寸及个数均由HFSS 软件仿真得到。在馈源的两个矩形喇叭口之间加一金属板可以有效改善天线边缘照射并增加方位差零深深度，通过HFSS 仿真软件确定金属板的长度和厚度。

图4 喇叭馈源结构图

在每个端口波导内加金属销钉或金属块进行驻波匹配。需对每个金属销钉和金属块的位置、直径、厚度以及耦合隙缝的长度、宽度等尺寸进行仿真调试，为调试方便在七端口网络中3,4 端口波导内的金属块位置活动可调，待各端口参数调试合格后焊接固定。

3 喇叭馈源电性能仿真结果

此喇叭馈源模型经过Ansoft HFSS 11 仿真软件计算每个端口的电压驻波比在带内小于2，方位差零深和俯仰差零深均小于-30dB,Ku 波段馈源增益在14dB 左右，X 波段馈源增益在10dB 左右，波束宽度、旁瓣、端口隔离度等指标也都符合设计要求，仿真结果如图5 所示。

图5 喇叭馈源电性能仿真结果

4 结论

文章设计了一种工作在双频段的喇叭馈源，将几种常见的无源微波器件组合并用合适尺寸的波导进行微波信号传输，经过各种调谐块和端口的匹配就可以达到双频段工作的目的，特别是在微波抗干扰工作模式下比较有优势。由于在该馈源中耦合隙缝、调谐金属销钉等的尺寸相互之间的位置对馈源的端口S 参数影响较大，所以这些关键尺寸的加工精度要求在0.02mm 内。