一種高效率的四脊喇叭饋源

李 棟，杜 彪，伍 洋

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081)

0 引言

平方公里陣(Square Kilometre Array，SKA)將是世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡天線，由約3 000個(gè)15 m口徑反射面天線組成的陣列將對(duì)SKA科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)發(fā)揮重要的作用[1-2]。SKA反射面天線不僅要求高靈敏度，還需要寬頻帶工作。四脊喇叭和Eleven饋源都具有良好的輻射方向圖和較寬的工作帶寬，但Eleven饋源的饋電方式不易實(shí)現(xiàn)且回波損耗與插入損耗較大，而四脊喇叭使用同軸線饋電，饋電方式易于實(shí)現(xiàn)且插入損耗較小。因此，本文對(duì)四脊喇叭做了一些研究，到目前為止的研究表明:雖然四脊喇叭在寬頻帶內(nèi)具有良好的阻抗和輻射特性，但作為饋源，其波束等化較差、波束寬度隨頻率變化較大[3]，影響了天線的效率。針對(duì)上述缺陷，本文研究了饋源口徑對(duì)輻射特性的影響，并給出了一個(gè)寬頻帶高效率四脊喇叭饋源的設(shè)計(jì)。

針對(duì)SKA反射面天線第5個(gè)工作頻段(4.6 GHz～13.8 GHz)，首先設(shè)計(jì)了兩種具有不同口徑的圓四脊喇叭饋源。由于寬頻帶饋源很難準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其性能優(yōu)劣，為此，本文提出了一種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將饋源輻射方向圖代入天線中計(jì)算天線效率，由天線效率的高低決定饋源性能優(yōu)劣。通過研究上述兩種口徑喇叭的幾何參數(shù)和方向圖的計(jì)算結(jié)果，重新設(shè)計(jì)了一個(gè)具有較低電壓駐波比和良好方向圖的四脊喇叭饋源，并將其代入半照射角為45°的4.5 m標(biāo)準(zhǔn)拋物面天線進(jìn)行效率計(jì)算，天線效率在3∶1頻帶內(nèi)優(yōu)于55%。

1 四脊喇叭的組成

波導(dǎo)的工作帶寬定義為主模截止波長和第一個(gè)高次模截止波長之比。圓波導(dǎo)的主模是TE11模[4]，在圓波導(dǎo)中加入脊片可以降低主模的截止頻率，增加第一個(gè)高次模的截止頻率，這樣就展寬了波導(dǎo)的工作帶寬。四脊喇叭主要由脊片、喇叭壁、脊波導(dǎo)和背腔四部分組成，如圖1所示。

圖1 四脊喇叭饋源結(jié)構(gòu)圖

四脊喇叭采用同軸線饋電，同軸線的阻抗與脊波導(dǎo)的阻抗匹配[5]，以獲得良好的電壓駐波比。

脊片形狀是四脊喇叭方向圖和波束寬度的主要影響因素，它的另一個(gè)作用是阻抗匹配，使阻抗從四脊波導(dǎo)處的阻抗過渡到自由空間的阻抗。脊曲線一般采用指數(shù)曲線的形式[6]。

背腔是影響四脊喇叭電壓駐波比的重要部件，選用臺(tái)階形腔體能有效改善四脊喇叭的電壓駐波比[7]。

2 兩種四脊喇叭饋源

反射面天線的效率[8-9]受多種因素的制約，而饋源的方向圖是直接影響天線效率的主要因素之一。根據(jù)文獻(xiàn)[7]中的研究成果，改變脊曲線形狀可以得到不同的波束形狀。據(jù)此設(shè)計(jì)了兩種4.6 GHz～13.8 GHz的具有不同口徑的四脊喇叭饋源，給出了三個(gè)主平面的波束寬度隨頻率變化的曲線，并將其輻射方向圖帶入4.5 m前饋拋物面天線中計(jì)算天線的口徑效率。

2.1 大口徑四脊喇叭饋源

大口徑喇叭以波束寬度不隨頻率變化為目標(biāo)，喇叭口徑為133 mm，長度為84 mm，脊曲線為直線段和曲線段擬合。

E面和45°面的10 dB波束寬度在整個(gè)頻帶內(nèi)大于105°，H面的10dB波束寬度在4.6 GHz～8 GHz頻帶內(nèi)大于100°，大于8 GHz波束寬度開始變小，最小為62°，如圖2所示。為了驗(yàn)證理論分析的正確性，加工了一個(gè)大口徑四脊喇叭饋源樣機(jī)并對(duì)其性能進(jìn)行了測試，兩端口的電壓駐波比實(shí)測與計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖2 大口徑四脊喇叭10 dB波束寬度對(duì)比

圖3 兩端口電壓駐波比實(shí)測與計(jì)算結(jié)果

可以看出，測試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本一致，整個(gè)頻帶內(nèi)兩端口的電壓駐波比都小于2，隨著頻率的升高電壓駐波比逐漸減小。

喇叭的端口隔離度的實(shí)測值與計(jì)算值如圖4所示。可以看出，端口隔離度的測試值小于-23 dB。

圖4 兩端口隔離度實(shí)測值與計(jì)算值

圖5給出了喇叭低、中、高三個(gè)頻率的輻射方向圖，可以看出，E面和45°面波束寬度較寬且整個(gè)頻帶內(nèi)波束寬度較為恒定，約為100°，H面波束寬度隨頻率升高由100°減小至60°。輻射方向圖測試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了理論分析與計(jì)算的正確性。

圖5 大口徑四脊喇叭測試與計(jì)算方向圖

2.2 小口徑四脊喇叭饋源

小口徑喇叭以波束等化為目標(biāo)，喇叭口徑為65 mm，長度為90 mm，脊曲線分段擬合，第一段為直線段，第二段為曲線段。圖6給出了小口徑四脊喇叭饋源-10 dB波束寬度隨頻率變化的曲線。

圖6 小口徑四脊喇叭-10 dB波束寬度

隨著頻率的升高三個(gè)面的波束寬度由低頻的125°減小到高頻的80°，變化較大。在7.6 GHz～12 GHz頻帶內(nèi)E面的-10 dB波束寬度小于80°，13.5 GHz～13.8 GHz頻帶內(nèi)H面的波束寬度小于80°，整個(gè)頻帶內(nèi)三個(gè)面的-10 dB波束寬度在100°左右。

兩端口的電壓駐波比如圖7所示。可以看出，兩端口的電壓駐波比都小于2。

圖7 小口徑喇叭電壓駐波比

端口隔離度如圖8所示。可以看出，兩端口隔離度小于-40 dB。

圖8 端口隔離度

低、中、高三個(gè)頻點(diǎn)的輻射方向圖如圖9所示。各頻點(diǎn)的輻射方向圖等化程度優(yōu)于大口徑四脊喇叭方向圖的等化程度，三個(gè)面的10 dB波束寬度相差較小，低頻端三個(gè)面的等化程度優(yōu)于高頻端三個(gè)面的等化程度。

2.3 天線效率對(duì)比

小口徑四脊喇叭饋源的H面和45°面波束寬度較寬，而E面波束寬度較窄，且三個(gè)面的方向圖隨頻率升高而變窄;大口徑四脊喇叭饋源E面和45°面的波束寬度在整個(gè)頻帶內(nèi)變化較小且寬，H面的波束寬度變化較大且窄。為了評(píng)價(jià)這兩種饋源性能的優(yōu)劣，將其代入反射面天線中計(jì)算效率。考慮到實(shí)際反射面天線電尺寸較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了方便分析計(jì)算，將其代入不同焦徑比的4.5 m拋物面天線中，計(jì)算結(jié)果見表1。

圖9 小口徑四脊喇叭饋源輻射方向圖

表1 兩種四脊喇叭作饋源天線效率

3 高效率四脊喇叭饋源

以上兩種四脊喇叭饋源的方向圖各具特點(diǎn)，但其效率均較低。通過比較兩種饋源的方向圖發(fā)現(xiàn)，改變喇叭口徑和相應(yīng)的脊曲線，可以改變E面和H面的波束寬度，因此，有可能設(shè)計(jì)出一種波束等化且波束寬度恒定的饋源。由此設(shè)計(jì)了第三種中口徑的四脊喇叭。

喇叭口徑為88 mm，長度為85 mm，脊曲線仍為直線段和曲線段擬合，直線段長度為12.16 mm，曲線段方程為y=0.61 e0.05%，其駐波和輻射特性的計(jì)算結(jié)果如下。

喇叭兩個(gè)端口的電壓駐波比如圖10所示，整個(gè)頻帶內(nèi)端口1的電壓駐波比小于1.5，端口2的電壓駐波比小于 1.8。

圖10 四脊喇叭電壓駐波比

圖11給出了四脊喇叭E面、H面和45°面三個(gè)主平面-10 dB波束寬度隨頻率的變化曲線。可以看出，在整個(gè)頻帶內(nèi)其波束寬度最大值為99°，最小值為75°，隨頻率變化較小，且每個(gè)頻點(diǎn)三個(gè)面的波束寬度基本相同，即方向圖基本等化。

圖11 三個(gè)面10 dB波束寬度對(duì)比

低、中、高三個(gè)頻率喇叭的輻射方向圖如圖12所示，從圖中可進(jìn)一步看出三個(gè)面的輻射方向圖等化良好。

圖12 中口徑四脊喇叭饋源的輻射方向圖

根據(jù)三個(gè)面的-10 dB波束寬度，將喇叭的輻射方向圖代入半照射角為45°的4.5 m前饋拋物面天線計(jì)算效率，并與前兩種喇叭做饋源的天線效率進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果如圖13所示。

圖13 三種饋源效率對(duì)比

三種四脊喇叭饋源照射的反射面天線效率都隨著頻率的升高呈現(xiàn)下降趨勢。但整個(gè)頻帶內(nèi)，中口徑四脊喇叭饋源的效率變化較平坦，均高于55%，整個(gè)頻帶內(nèi)天線效率最好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了三種四脊喇叭饋源，第一種四脊喇叭以波束隨頻率恒定為目標(biāo)，口徑較大，整個(gè)頻帶內(nèi)E面和45°面-10 dB波束寬度變化較小，但H面的-10 dB波束寬度變化較大，且隨頻率升高逐漸變小，高頻等化較差;第二種四脊喇叭以波束等化為目標(biāo)，口徑較小，在整個(gè)頻帶內(nèi)三個(gè)面-10 dB波束寬度隨頻率升高逐漸變窄，變化較大。結(jié)合兩種饋源方向圖的特點(diǎn)，改變脊曲線和喇叭口徑，設(shè)計(jì)了第三種四脊喇叭饋源，整個(gè)頻帶內(nèi)三個(gè)面-10 dB波束寬度變化較小。通過比較三種四脊喇叭饋源照射天線的效率，得出結(jié)論，選擇合適的喇叭口徑和相應(yīng)的脊曲線，可以在4.6 GHz～13.8 GHz頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)E面、H面和45°面方向圖等化較好，且波束寬度基本恒定不變，從而實(shí)現(xiàn)了較高的天線效率。

[1]彭 勃，金乘進(jìn)，杜 彪，等.持續(xù)參與世界最大綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡SKA國際合作[J].中國科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)，2012，42(12):1292-1307.Peng Bo，Jin Chengjin，Du Biao，et al.China's participation in the SKA-the world's larget synthesis radio telescope[J].Scientia Sinica:Physica，Mechanica ＆ Astronomica，2012，42(12):1292-1307.

[2]Imbriale W A，Medellin G C，Baker L.Update on the SKA offset optics design for the U.S.technology development program[J].IEEE Aerospace Conference.Big Sky，Montana:IEEE Press，2011:1-10.

[3]Ahmed H A.New technologies driving decade-bandwidth radio astronomy:quad-ridged flared horn＆compound-semiconductor LNAs[D].California:California Institute of Technology，2013.

[4]Sun W M，Balanis C A.Analysis and design of quadrupleridged waveguides[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1994，42(12):2201-2207.

[5]Burns C，Leuchtmann P，Vahldieck R.Analysis and simulation of a 1 GHz～18 GHz broadband double-ridged horn antenna[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2003，45(1):55-60.

[6]劉密歌，張麟兮.基于HFSS的雙脊喇叭天線的設(shè)計(jì)與仿真[J].電子測量技術(shù)，2007.30(7):142-144.Liu Mige，Zhang Linxi.Simulation and design of doubleridged horn antenna based on HFSS[J].Electronic Measurement Technology，2007，30(7):142-144.

[7]李 棟，杜 彪.寬頻帶四脊喇叭的研究[J].無線電通信技術(shù)，2015，41(1):56-59.Li Dong，Du Biao.Study on broadband quad-ridged horn[J].Radio Communications Technology，2015，41(1):56-59.

[8]Yin Q H，Zhou J Z.Quick estimate the gain of reflector antenna[J].Radio Communication Technology，2013，39(4):50-52.

[9]葉文娟.寬頻帶雙極化多波束大型射電望遠(yuǎn)鏡天線的研究與設(shè)計(jì)[D].南京:南京理工大學(xué)，2014.Ye Wenjuan.Study and design of wideband dual-polarization multi-beam large radio telescope[D].Nanjing:Nanjing U-niversity of Science and Technology，2014.