雙模圓錐喇叭天線的設計?

丁曉磊， 徐 磊

(北京遙測技術研究所 北京 100076)

雙模圓錐喇叭天線的設計?

丁曉磊， 徐 磊

(北京遙測技術研究所 北京 100076)

雙模圓錐喇叭通過TE11模和TM11模的適當綜合，獲取軸對稱的等化波束方向圖和低的交叉極化電平。由于雙模圓錐喇叭具有結(jié)構簡單的突出優(yōu)點，對于窄頻帶的反射面天線系統(tǒng)，它是替代波紋圓錐喇叭的理想饋源方案。

雙模； 圓錐喇叭； 軸對稱方向圖

引 言

主模圓錐喇叭因其口徑場分布的特點決定了輻射方向圖的E面比H面窄且副瓣較高，無法達到等化要求。而波紋喇叭雖然具有頻帶寬、交叉極化低、波束等化性能好的優(yōu)點，但由于其結(jié)構復雜，增大了加工難度和加工成本。雙模圓錐喇叭[1～5]盡管頻帶窄，但具有結(jié)構簡單、口徑效率高的突出優(yōu)點。對于窄頻帶的反射面天線，若要求饋源方向圖具有低副瓣、低交叉極化和軸對稱的等化波束，雙模圓錐喇叭是一種優(yōu)選方案。

1 雙模圓錐喇叭的設計

雙模圓錐喇叭通過引進一個高次模TM11模來改善E面方向圖，使其方向圖具有軸對稱的等化波束特性。由于雙模圓錐喇叭的結(jié)構實現(xiàn)形式不是唯一的，下面結(jié)合設計實例介紹兩種實現(xiàn)方案。圖1是圓波導中主模TE11模和高次模TM11的口徑電場分布及其合成后的口徑場分布示意圖。

為產(chǎn)生圖1所示的口徑場分布，可以采用圖2所示的雙模喇叭結(jié)構形式。圖2(a)是1963年由Potter P D提出的雙模圓錐喇叭，也叫Potter喇叭。圖2(b)是省略圓柱雙模移相段的雙模圓錐喇叭，也稱為Pickett-Potter喇叭。兩種喇叭的工作原理都是通過調(diào)整r2/r1的比值獲得滿足要求的模式幅度比；調(diào)整移相段的長度l和喇叭長度h(對于圖2(b)只調(diào)整喇叭長度h)，使兩種模式到達口徑面的相位相等，最終獲得圖1所示的合成效果。

對于主模傳輸段，為保證傳輸主模TE11的同時抑制其他高次模，r1的取值范圍為1.84＜kr1＜3.83。對于圓柱雙模移相段或省略移相段結(jié)構的臺階突變截面，為保證傳輸主模TE11模和高次模TM11的同時抑制其他高次模，r2的取值范圍為3.83＜kr2＜5.33。由于結(jié)構的軸對稱性，在截面突變處m ＞1的高次模TEmn或TMmn模將無法激勵傳輸。

圖1 圓波導中主模TE11模、高次模TM11的口徑場分布

圖2 雙模圓錐喇叭結(jié)構示意圖

圖3 圓波導截面突變處的模式轉(zhuǎn)換系數(shù)和TM11模相對于TE11模的相位差

1.1 Potter喇叭的設計

圖3是雙模圓波導截面變化處的模式變換因子和TM11模相對于TE11模的相位差。該圖是設計Potter喇叭天線的關鍵依據(jù)。

選定喇叭參數(shù)后，當相位關系滿足式(1)時，即可實現(xiàn)等化波束的設計。

式中，φex是截面突變處TM11模相對于TE11模的相位差，其取值可參考圖3讀??；φph是圓波導雙模移相段的相位差，式(1a)是其計算公式；φfl是喇叭段的相位差，式(1b)是其計算公式。

對于圖2(a)的喇叭設計，其步驟可歸納為以下幾步。

①根據(jù)增益和波束寬度要求，參考圓錐喇叭的設計公式選擇喇叭口徑半徑b；

②根據(jù)r1、r2的取值范圍和r2/r1的比值約為1.3的原則，選取r1、r2的值；

③根據(jù)圖3讀取截面突變處TM11模相對于TE11模的相位差φex的值；

④取l＝λTE11/4，根據(jù)式(1)計算喇叭長度h，λTE11是移相段中TE11模的波導波長；

⑤采用HFSS電磁仿真軟件，建模仿真喇叭的電性能。由于滿足式(1)的l和h值不是唯一的，具體數(shù)值可根據(jù)增益最大或喇叭長度最短的原則，微調(diào)l和h的值，得到滿足要求的Potter喇叭天線。

圖4是本文設計的Ku頻段Potter喇叭的仿真結(jié)果。喇叭參數(shù)為r1＝0.54λ，r2＝0.72λ，r2/r1＝1.3，l＝λTE11/4，h＝5.2λ，λ是中心頻率對應的工作波長，喇叭總長為5.85λ。

圖4 Ku頻段Potter喇叭仿真結(jié)果

1.2 Pickett-Potter喇叭的設計

Pickett-Potter喇叭是圓柱雙模移相段的長度為零的雙模圓錐喇叭。圖5是文獻[5]給出的Pickett-Potter喇叭的設計圖。在確定r1、r2、b的取值之后，喇叭長度參數(shù)h可以直接從圖中讀取。

文獻[5]還給出了最優(yōu)喇叭參數(shù)對應的增益值、波束寬度及交叉極化性能。

圖6是設計好的Ku頻段Pickett-Potter喇叭的仿真結(jié)果。喇叭參數(shù)為r1＝0.5λ，r2＝0.68λ，h＝5.52λ，λ是中心頻率對應的工作波長，喇叭總長為5.83λ。和Potter喇叭的長度相比可知，兩種喇叭的長度基本相同。

圖5 Pickett-Potter喇叭最優(yōu)參數(shù)

2 結(jié)束語

比較兩種結(jié)構雙模圓錐喇叭的設計方法可知，無移相段的雙模喇叭的設計圖表參數(shù)全面，設計方法簡單，而且該種結(jié)構的喇叭加工也相對簡單一些。在波束寬度相同的情況下，兩種喇叭的長度基本相同。綜合雙模圓錐喇叭的設計方法、加工工藝、天線參數(shù)和天線性能可知，對于窄頻帶的反射面天線饋源，若要求饋源方向圖具有低副瓣、低交叉極化和軸對稱的等化波束，無移相段的雙模圓錐喇叭是一種優(yōu)選方案。

圖6 Ku頻段Pickett-Potter喇叭仿真結(jié)果

[1]Potter PD.A New Horn Antenna with Suppressed Sidelobes and Equal Beamwidths[J].Microwave Journal，6，June 1963：7178.

[2]林昌祿.天線工程手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002：551～558.

[3]Volakis JL.Antenna Engineering Handbook[M].fourth edition.The McGraw.Hiu Companies，2007：469.

[4]秋 實，高紅衛(wèi)，焦永昌，等.E面和H面方向圖等化的雙模圓錐喇叭設計[J].強激光與粒子束，2005，17(8)：1235～1238.

[5]Skobelev S P，Ku Bon-Jun，Shishlovt A V，and Ahn Do-Seob.Optimum Geometry and Performance of a Dual-mode Horn Modification[J].Antennas and Propagation Magazine，IEEE，43(1)：99～93.

Design of Dual M ode Conical Horn

Ding Xiaolei， Xu Lei

A dual-mode horn with the proper combination of the circular TE11and TM11modes has a highly symmetrical radiation pattern and a relatively low cross-polarization level.Because of the advantage of the simple structure，dual-mode horns are thus often used as substitutes for corrugated horns in a narrow frequency for a reflector antenna.

Dualmode； Conical horn； Beam axial symmetry

TL503

A

CN11-1780(2014)06-0013-03

丁曉磊 1971年生，博士，研究員，主要研究方向為天線理論與技術。

總裝預研項目

2014-05-12

徐 磊 1979年生，碩士，高級工程師，主要研究方向為反射面天線。