S/Ka雙頻段饋源新型喇叭罩設計*

(中國電子科技集團公司第三十九研究所，西安 710065)

1 引 言

喇叭罩是用來保護饋源喇叭的一種非金屬材料，可以起到密封隔離的作用，避免使喇叭端口直接暴露于外界環境下，防止雨雪、沙塵等雜物進入饋源系統對其可能造成的結構以及電氣性能的影響和損壞。同時，還可以實現饋源系統的結構密封以便對其進行充氣，從而達到趕潮、加壓的目的，以增大系統的功率容量，滿足大功率發射的需要。

盡管喇叭罩可以起到保護饋源系統的功能，但是它的存在必然會影響到饋源的性能。因為微波信號會在喇叭罩表面產生反射，在介質中產生吸收衰減、折射等現象，導致饋源系統的駐波比惡化，系統的損耗增加。以上對饋源系統的這些影響構成了喇叭罩的電磁特性，通過對喇叭罩的優化設計，使其在饋源工作條件下造成的影響不超過規定的限度，滿足饋源系統要求。

2 S/Ka雙頻段饋源喇叭罩的設計

2.1 喇叭罩設計原則

在喇叭罩設計時采用類似天線罩的設計思想及方法。與天線罩類似，喇叭罩的電磁性能參量也決定于饋源系統和喇叭罩的某些變量，這些變量可分為約束變量和設計變量兩大類。受使用喇叭罩系統所約束的變量稱為約束變量，設計時不能隨意改變，例如饋源系統輻射的頻率、極化和口徑分布等。很明顯，對于較高的工作頻段，喇叭罩的厚度也是受約束的變量。此外，饋源即天線所處的環境條件也會影響到喇叭罩的具體設計。設計變量是指設計中為達到(或接近)所希望的喇叭罩性能而可以自由選擇的一些附加變量，如喇叭罩的厚度、材料的介電常數等。

喇叭罩設計時，一般應當滿足以下的設計規范和要求[1]：

(1)電磁性能：滿足饋源系統所要求的駐波比、插入損耗等指標要求，以保證喇叭罩的引入不會嚴重影響系統的性能；

(2)結構性能：保證具有一定的結構強度，尤其是對一些具有特殊要求如密封、充氣、加壓等的系統而言；

(3)環境要求：能夠抵御外界惡劣環境，如風負荷、溫度、濕度、雨雪、沙塵及昆蟲、霉菌等污染物的侵害。

2.2 喇叭罩設計思想

常用的介質天線罩主要包括單層介質壁結構、A夾層結構、B型夾層結構、C夾層結構、多夾層結構等幾種形式[2]。

電磁波在介質中的傳播可以等效為傳輸線，在多層結構介質板情況下每層界面均存在反射，因而計算多層介質的總反射和傳輸系數的公式很繁瑣。

在多層介質喇叭罩設計時，依據文獻[2，3]運用四端口網絡理論推導的公式計算介質平板的電性能，從而對喇叭罩進行理論設計。

圖1 多層介質平板的傳輸和反射

如圖1所示，與n層介質板等效的n級四端口網絡級聯，網絡的矩陣為

(1)

(2)

對垂直極化有

(3)

罩壁對電波的透過系數和反射系數為

(4)

(5)

2.3 S/Ka雙頻段饋源喇叭罩設計

S/Ka雙頻段饋源為組合饋源，它由外圍4個S頻段喇叭及中間的Ka頻段喇叭組成，其結構形式如圖2所示。因此，S/Ka雙頻段饋源喇叭罩可以分別對S頻段和Ka頻段獨立設計，然后再一體加工而成。

圖2 S/Ka雙頻段饋源結構

Ka頻段由于頻率高，喇叭罩對電氣性能影響大，采用B夾層結構，其原理結構如圖3所示。它由3層組成，最內層介質的介電常數較高，兩個外表層介電常數較低，外表層厚度約為波長的四分之一，與內層匹配。這種結構類似于光學薄膜，它的外表層起著四分之一波長阻抗變換器的作用，使高介電常數的夾芯層與空氣介質良好匹配。

圖3 高介電常數芯層的B夾層結構

為了得到所期望的介電常數以及最終的B型結構，Ka喇叭罩的外層采用介質板打盲孔的形式，通過對孔徑、孔間距等參數的適當選擇，可以實現所期望的優良性能，具體電氣結構如圖4所示。

圖4 Ka喇叭罩的結構形式

S頻段喇叭罩由于頻率較低，可以通過在一定厚度的介質板上打盲孔，實現低介電常數來保證S頻段電氣性能，其結構如圖5所示。

圖5 S喇叭罩的結構形式

應用Ansoft公司的HFSS11.0電磁仿真軟件進行參數優化，電氣指標得到良好的改善：

(1)S頻段喇叭罩在工作頻帶內，反射系數小于等于-28.4 dB,并且在0.5～4.0 GHz的寬頻帶內反射系數小于等于-24.2 dB；

(2)Ka頻段喇叭罩在工作頻帶內，反射系數小于等于-26.3 dB，并且在18.0～33.0 GHz的寬頻帶內反射系數小于等于-20.8 dB。

圖6～9為S、Ka喇叭罩的仿真模型及最終仿真結果。

圖6 S喇叭罩的仿真模型

圖7 Ka喇叭罩的仿真模型

圖8 S喇叭罩的反射系數仿真結果

圖9 Ka喇叭罩的反射系數仿真結果

3 實測結果

為保證喇叭罩的結構完整性， S、Ka喇叭罩采用一塊完整的介質板加工而成， 實現了結構一體化設計，實物如圖10所示。反射系數的測試結果如圖11所示。

針對Ka頻段進行了喇叭及喇叭罩反射系數的測試，測試結果表明：這種6.7 mm厚度的喇叭罩對Ka頻段喇叭性能影響很小，在工作頻帶內整個饋源系統的反射系數小于等于-19.07 dB，Ka喇叭罩的損耗大約為0.05 dB。

圖10 S/Ka一體化喇叭罩實物

(a)19.2～21.2 GHz

(b)29～31 GHz

4 結 論

采用較高介電常數、環境適應性好的厚聚四氟乙烯介質板，通過打孔方式將其等效為低介電常數，降低了喇叭罩在Ka頻段的熱損耗和反射損耗。測試結果表明：S/Ka雙頻段饋源喇叭罩不僅性能優越，且結構強度高，其對Ka頻段而言,喇叭罩的厚度幾乎達到了3/4波長，非常適合作為大功率天饋系統的喇叭罩使用。該喇叭罩已經應用到某工程S/Ka雙頻段天饋系統中，其性能優良。

5 致謝

中國電子科技集團公司第三十九研究所微波與天線室梁蓉工程師完成了喇叭罩的電氣尺寸仿真設計，李世平工程師完成了喇叭罩的結構設計，對他們的工作表示感謝。此外，本文的完成還得到了段玉虎研究員、鄧淑英研究員的指導和幫助，在此也一并表示感謝。

參考文獻：

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