一種寬帶寬波束圓極化喇叭天線設(shè)計(jì)方法

何清明 于偉 李智

摘 ?要：四脊型寬帶寬波束圓極化喇叭天線因其扇形波束和圓極化特性在電子自衛(wèi)干擾設(shè)備中應(yīng)用廣泛。分析表明，采用非等化對脊結(jié)構(gòu)四脊喇叭體與異型介質(zhì)移相片結(jié)合可實(shí)現(xiàn)3：1工作帶寬，新穎的層疊介質(zhì)透鏡在解決波束展寬的同時實(shí)現(xiàn)2.4：1.0軸比帶寬，整體指標(biāo)已接近國外類似產(chǎn)品。研究表明，該設(shè)計(jì)方法可作為解決寬帶寬波束圓極化喇叭天線小型化有效途徑之一。

關(guān)鍵詞：寬帶;寬波束;圓極化;異型介質(zhì)移相片;層疊介質(zhì)透鏡;軸比

中圖分類號：TN828 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）23-0061-04

A Design Method of Broadband and Wide Beam Circular Polarization Horn Antenna

HE Qingming，YU Wei，LI Zhi

（Key Laboratory of Electronic Information Control，Chengdu ?610036，China）

Abstract：Four ridge broadband and wide beam circularly polarized horn antenna is widely used in electronic self-defense jamming equipment because of its sector beam and circular polarization characteristics. The analysis shows that the combination of non-equivalent to the ridge structure four ridge horn body and the heteromorphic medium transfer photo can be achieved 3：1 working bandwidth. The new laminated dielectric lens can achieve 2.4：1.0 axial ratio bandwidth while solving beam broadening. The overall index is close to similar products abroad. Research shows that this design method can be used as one of the effective ways to solve miniaturization of the broadband and wide beam circular polarization horn antenna.

Keywords：broadband;wide beam;circular polarization;heteromorphic medium transfer photo;laminated dielectric lens;axial ratio

0 ?引 ?言

電子干擾設(shè)備的目標(biāo)多種多樣，分布范圍廣，極化隨機(jī)性強(qiáng)，其配置天線通常須滿足瞬時寬帶寬波束和極化多樣性的特征。國內(nèi)外相關(guān)設(shè)備大多采用寬帶寬波束圓極化或斜極化天線。新型四脊型寬帶寬波束圓極化喇叭天線，波束呈扇形，能夠滿足絕大多數(shù)電子干擾設(shè)備的需求，對其開展研究具有較高的工程價值。國外原型公開于20世紀(jì)70年代，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不詳，當(dāng)時國內(nèi)分析與設(shè)計(jì)條件有限，無法進(jìn)行深入研究。20世紀(jì)90年代，國內(nèi)曾以此為藍(lán)本開發(fā)出6.5 GHz～18.0 GHz的類似產(chǎn)品[1]，但其縱向尺寸過長，使用起來十分不便。TECOM（美）、SAAB（瑞典）和M.E.C（美）等公司開發(fā)出一種新型四脊寬帶寬波束圓極化喇叭天線[2，3]，具有結(jié)構(gòu)簡單、縱向尺寸小、波束呈扇形的特點(diǎn)。ITT航空電子設(shè)備公司（美）開發(fā)的AN/ALQ-211綜合射頻對抗組件（SIRFC）所配置的雙圓極化發(fā)射天線，屬于公開資料中四脊型寬帶寬波束圓極化喇叭天線的最新形式。兩種天線在國內(nèi)均未得到實(shí)際應(yīng)用，其設(shè)計(jì)方法也未見諸公開資料。研究表明：四脊型寬帶寬波束圓極化喇叭天線縱向尺寸可以縮短，其軸比受內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)的影響很大，要想實(shí)現(xiàn)3：1軸比帶寬則存在一定困難，然而，大多數(shù)應(yīng)用環(huán)境并不需要軸比帶寬達(dá)到3：1。在軸比較差頻段，極化呈斜橢圓，所以該天線同樣具備極化適應(yīng)能力。

1 ?原理結(jié)構(gòu)及工作原理優(yōu)化

天線由四脊喇叭體、異型介質(zhì)移相片和層疊介質(zhì)透鏡組成，如圖1所示。激勵端口采用相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的雙脊波導(dǎo)。

雙脊波導(dǎo)與四脊喇叭體（內(nèi)含異形介質(zhì)移相片）錯位45°對接實(shí)現(xiàn)圓極化;層疊介質(zhì)透鏡起展寬波束的作用。電磁信號經(jīng)過雙脊波導(dǎo)在四脊喇叭體輸入端分解成等幅同相正交線極化工作主模TE10和TE01。兩個主模信號經(jīng)過四脊喇叭體（內(nèi)含異型介質(zhì)移相片）后在喇叭體口面實(shí)現(xiàn)相差π?2（或-π?2）。兩個主模信號通過層疊介質(zhì)透鏡的展寬作用實(shí)現(xiàn)輻射方向圖的展寬（沿介質(zhì)透鏡方向）。兩個主模信號通過口面輻射，在外部空間進(jìn)行矢量合成，在主波束一定空域內(nèi)形成圓極化電磁波，其極化旋向取決于具體工程產(chǎn)品的激勵模式。我們不妨將電場與異型介質(zhì)移相片寬面平行的傳輸主模定義為TE10，而將另一傳輸主模定義為TE01。圖2為喇叭體內(nèi)坐標(biāo)關(guān)系示意圖。

以四脊喇叭體的輸入端作為坐標(biāo)原點(diǎn)，兩個主模在喇叭體口面的相差可按式（1）估算：

Δφ=2πdz ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中，f為工作頻率;L為喇叭體總長度;λg1（z，f）為縱向坐標(biāo)z橫截面尺寸條件下模式1波導(dǎo)波長;λg2（z，f）為縱向坐標(biāo)z橫截面尺寸條件下模式2波導(dǎo)波長。

在縱向坐標(biāo)z橫截面尺寸條件下模式1和模式2的波導(dǎo)波長按式（2）和式（3）計(jì)算：

λg1（z，f）= ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

λg2（z，f）= ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

其中，λ0（f）為電磁波在真空中的波長;εre1（z）為縱向坐標(biāo)z位置橫截面尺寸模式1等效介電常數(shù)，可用微擾法或變分法獲得近似值，也可通過電磁仿真工具軟件數(shù)值分析獲得精確值;εre2（z）為縱向坐標(biāo)z位置橫截面尺寸模式2等效介電常數(shù)，可用微擾法或變分法獲得近似值，也可通過電磁仿真軟件數(shù)值分析獲得精確值;λc1（z）為縱向坐標(biāo)z位置橫截面尺寸模式1截止波長，可通過類似雙脊波導(dǎo)橫向諧振法獲得相應(yīng)本征值的解析方程[1，4]，再通過數(shù)值方法求解本征值，由本征值求出模式1截止波長;λc2（z）為縱向坐標(biāo)z位置橫截面尺寸模式2截止波長，可通過類似雙脊波導(dǎo)橫向諧振法獲得相應(yīng)本征值的解析方程[1，4]，再通過數(shù)值方法求出本征值，由本征值求出模式2截止波長。

當(dāng)喇叭體口面Δφ滿足±π/2要求時，天線輻射圓極化電磁波。雙脊波導(dǎo)與四脊喇叭體的相對位置關(guān)系決定了極化旋向。

2 ?設(shè)計(jì)方法

喇叭體口面的參數(shù)以工作頻帶的高端作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，一般在1.35～1.65λmin范圍內(nèi)選取。當(dāng)喇叭體口面尺寸過大時，會使兩個正交主模輻射的電磁波相位方向圖差異過大而導(dǎo)致寬角軸比惡化。喇叭體的長度一般在3.5～5.5λmin范圍內(nèi)選取。喇叭體的兩對脊采用等化設(shè)計(jì)模式。原則上，安裝移相片的脊間距應(yīng)小于另一對脊間距以均衡異型介質(zhì)移相片引入的相移頻率特性。脊間距的過渡采用直線形式，并在脊上增加異型介質(zhì)移相片限位槽。

為便于加工，傳統(tǒng)的介質(zhì)移相片采用平面結(jié)構(gòu)形式，相關(guān)資料中有簡要介紹[5]。從原理上講，電場垂直于介質(zhì)移相片寬面的相移常數(shù)可以視為真空中相移常數(shù)。實(shí)際上由于脊間間距較小，介質(zhì)移相片厚度對該主模相移常數(shù)的影響無法忽略不計(jì)。借助介質(zhì)移相片中間變薄的技術(shù)使等效厚度變小，以保證電場垂直于介質(zhì)移相片的主模TE10相移常數(shù)逼近無介質(zhì)移相片時的近似值（等效介電常數(shù)逼近1），從而解決其引入的反射問題。介質(zhì)材料一般選取介電常數(shù)比較穩(wěn)定的高純度PEEK或高純度聚四氟乙烯。高純度PEEK（非增強(qiáng)型）材料的介電常數(shù)通常取3.20±0.05，其損耗正切在0.001量級;高純度聚四氟乙烯材料的介電常數(shù)通常取2.10±0.05，其損耗正切在0.000 1量級。

特殊的介質(zhì)透鏡結(jié)構(gòu)將會改變傳統(tǒng)喇叭天線的口面場分布，從而實(shí)現(xiàn)頻帶高端的輻射方向圖展寬，有關(guān)波束展寬介質(zhì)透鏡的設(shè)計(jì)方法在相關(guān)資料中有詳細(xì)的介紹[6]，以供參考。

傳統(tǒng)波束展寬介質(zhì)透鏡大多采用實(shí)芯結(jié)構(gòu)，重量較重，天線存在頭重腳輕的弊端。介質(zhì)透鏡的介電常數(shù)和結(jié)構(gòu)形式不僅關(guān)系到波束質(zhì)量的好壞，同時也會對軸比產(chǎn)生一定的影響。工程上可采用層疊結(jié)構(gòu)來消除傳統(tǒng)設(shè)計(jì)弊端和等效介電常數(shù)調(diào)整。層疊介質(zhì)薄片厚度與層間間距比一般在1.1：1.0～1.5：1.0之間選取。層疊介質(zhì)片懸空而產(chǎn)生的變形可導(dǎo)致介質(zhì)透鏡頻率特性惡化，因此需要在疊片之間增加介質(zhì)支撐。層疊介質(zhì)透鏡的物理尺寸與介電常數(shù)相關(guān)度高，材料通常選擇高純度PEEK或聚四氟乙烯。

圓極化喇叭天線的電氣性能和物理特性與具體裝配方式有關(guān)。介質(zhì)移相片移相特性的優(yōu)劣與其在喇叭體內(nèi)的相對位置密切相關(guān)。安裝介質(zhì)移相片的脊間距原則上取負(fù)差，范圍要求控制在±0.1 mm之間。介質(zhì)移相片安裝尺寸取正公差，范圍一般控制在0～0.05 mm之間。介質(zhì)移相片需要由專業(yè)人員安裝。介質(zhì)移相片固定在指定位置后，可以采用PEEK介質(zhì)銷釘將其和四脊喇叭固定在一起。介質(zhì)移相片與介質(zhì)銷釘之間不得有粘膠，避免因空氣密閉其中而使功率容量下降（大功率連續(xù)長時間輻射時，很容易因空氣熱膨脹而使介質(zhì)移相片出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象）。為避免介質(zhì)銷釘脫落，可在介質(zhì)銷釘和喇叭體之間采用環(huán)氧膠進(jìn)行粘結(jié)。介質(zhì)透鏡的裝配要求相對寬松一些。

3 ?實(shí)例仿真

設(shè)計(jì)要求：頻段覆蓋7.5 GHz～18 GHz;駐波系數(shù)優(yōu)于2.5;波束覆蓋（邊沿增益優(yōu)于0 dB）：60°×40°;軸向軸比典型值優(yōu)于3 dB，最大值優(yōu)于4 dB;寬角軸比典型值優(yōu)于3 dB，最大值優(yōu)于5 dB（方位±30°，俯仰±20°）;功率容量不小于200 W（海拔20 000 m，連續(xù)波），降額系數(shù)本文取0.2。

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，建立參數(shù)化模型。初始設(shè)計(jì)參數(shù)：四脊喇叭體口面25.0 mm×25.0 mm（LF6）;四脊喇叭體長度70.0 mm;異型介質(zhì)移相片52.5 mm×2.4 mm（高純度聚四氟乙烯）;層疊介質(zhì)透鏡27.0 mm×25.0 mm×20.0 mm（高純度聚四氟乙烯）;激勵波導(dǎo)選擇WRD650型雙脊波導(dǎo)。電磁仿真模型如圖3所示。利用商業(yè)電磁分析軟件HFSS 20 R1進(jìn)行電磁特性分析與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。電磁特性仿真結(jié)果如圖4-圖8所示，結(jié)果表明：駐波系數(shù)在3.0：1.0帶寬范圍內(nèi)優(yōu)于1.5;波束覆蓋優(yōu)于60°×40°，其邊沿增益優(yōu)于3 dB;軸向軸比在2.4：1.0帶寬范圍內(nèi)優(yōu)于3 dB;寬角軸比在2.4：1.0范圍內(nèi)典型值優(yōu)于3 dB，最大值優(yōu)于4 dB（波束覆蓋范圍內(nèi)）;功率容量：在輸入端采用1 200 W（18 GHz）激勵之后，天線內(nèi)部的最大場強(qiáng)為0.6 MV/m，遠(yuǎn)低于空氣擊穿場強(qiáng)（3 MV/m），按照降額系數(shù)0.2估算，功率容量可達(dá)240 W，優(yōu)于設(shè)計(jì)目標(biāo)?？傮w來看，除軸比帶寬外，整體性能指標(biāo)已經(jīng)與國外類似產(chǎn)品[2]公開指標(biāo)相當(dāng)，而寬角軸比則更優(yōu)。

4 ?結(jié) ?論

由四脊喇叭體、異型介質(zhì)移相片和層疊介質(zhì)透鏡結(jié)構(gòu)形式可解決傳統(tǒng)寬帶寬波束圓極化喇叭天線小型化的難題，波束呈扇形。該類天線不僅可以廣泛地應(yīng)用在常規(guī)小型電子干擾設(shè)備中，也可作為特殊波束反射面饋源應(yīng)用于其他各類電子設(shè)備。如果其內(nèi)部介質(zhì)采用防輻射噪聲材料（如聚酰亞胺類），優(yōu)化相應(yīng)參數(shù)，即可將其應(yīng)用于航天領(lǐng)域。該類天線雖結(jié)構(gòu)簡單，但設(shè)計(jì)參數(shù)之間關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，影響因素多，須根據(jù)實(shí)現(xiàn)形式進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和誤差分析，增加工裝夾具控制公差。

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作者簡介：何清明（1972—），男，漢族，四川人，高級工程師，本科，研究方向：寬帶天線分系統(tǒng)。