一種K波段波紋饋源的結構工藝研究

安徽四創電子股份有限公司 楊邦宏 程海平 李德義 劉晶晶

1.引言

自A J Simons等人于1966年提出波紋喇叭的概念以來，波紋喇叭成為國內外學者研究的熱點，并針對波紋喇叭的低旁瓣和輻射場軸向對稱等開展深入研究[1]。在輻射計等被動遙感設備的天饋系統設計過程中，K波段波紋饋源的帶寬較高，根據工作頻帶比，選定波紋槽為直槽和加載槽相結合的形式，這種饋源結構較為復雜，整體難成型，因此現有的波紋喇叭通常采用電化學腐蝕進行整體成型或者采用兩個半圓形進行組合的結構形式，存在廢品率高、精度誤差大、合格率低和生產成本高等缺點。為實現該饋源的電性能指標，本文提出了一種K波段波紋饋源的結構工藝方案，具有精度誤差小、生產合格率高、制造成本低等特點，同時提高了該饋源的電性能指標。

2.饋源喇叭的設計與分析

2.1 波紋喇叭介紹

K波段饋源的工作頻率為22-32GHZ，為直槽和加載槽相結合的結構形式，主要由變徑段、變模段、變頻段、變角段、輻射段組成，具體如圖1所示。根據口徑大小、喇叭總長度的限制，確定輻射段半張角為10.7°；變模段采用環加載形式，變模段的槽口寬度b逐漸變寬到槽底部寬度W的環加載波紋段。槽深d，周期P，具體如圖2所示。

圖1 波紋喇叭的基本結構

圖2 變模段的結構示意圖

2.2 波紋喇叭的結構

通常情況下，波紋喇叭的加工工藝主要包括整體機械加工、疊片釬焊和疊片膠接等形式。整體機械加工的方法最為直接，而且容易加工成型，但本文的波紋喇叭具有環加載，整體機械加工難度較大，該方法不可行。

疊片焊接的方法相對簡單，也能制作密度較高的齒槽結構，但主要問題在于焊接變形較大，而且焊縫致密不能控制，因此該方法制作的疊片電磁損耗相對較大。

圖3 K波段饋源的結構示意圖

由于這種波紋喇叭內部波紋結構復雜，每個齒片的厚度在3mm左右，因此直接加工難度較大，而且不易成型。基于此，本文采用疊片套裝的方法，通過三個饋源套、兩片端蓋、1個變徑塊、42個齒片，加上合理的裝夾工裝及組裝夾具結構而組裝程完整的饋源。其中，饋源套兩端分別具有定位槽和定位臺，內表面光潔度按照鏡面處理，饋源套之間由相互配合的定位凸臺和定位槽進行準確定位；端蓋用于連接饋源套與齒片，并確保各個齒片之間無間隙；變徑塊采用整體數控加工成型，內表面進行鏡面處理；齒片采用慢走絲線切割加工而成，并對加工后的齒片表面鍍金。具體如圖4所示。

疊片套裝的方法可用于批量生產，可以應用于這種直徑小、難以進行整體加工和尺寸精度要求較高的波紋喇叭的制作，饋源的整體精度誤差小、生產合格率率高，降低了饋源的生產成本，也具有較高的工作性能。

圖4 22GHz頻率饋源的暗室測試結果和仿真結果的對比圖

3.波紋喇叭測試結果和測試分析

針對這種波紋喇叭的結構設計，所加工的齒槽精度能控制在±0.01mm誤差以內。以頻點為22GHz和32GHz為例，頻點22GHz的仿真電平為19.25dB，而頻點22.24GHz暗室測試的電平為21.60GHz，兩者之間的誤差為2.35dB，具體如圖4所示；頻點32GHz的仿真電平為22.50 GHz，頻點31.4GHz的暗室測試電平為18.68GHz，兩者之間的誤差為3.82GHz，具體如圖5所示。考慮暗室測試數據和仿真數據之間的頻點有細微差別，而且裝配誤差和測量誤差，總體結果在可接受的范圍之內，使用該方法設計的K波段波紋饋源滿足各項技術指標要求。

圖5 32GHz頻率饋源的暗室測試結果和仿真結果的對比圖

4.結論

本文給出了K波段饋源的結構工藝方法，并以22GHz-32GHz饋源為例，選擇合適的加工方法對這種饋源進行加工制作。經測量和數據對比分析，這種方法制作的波紋饋源達到設計指標的要求，饋源性能良好，可以滿足使用要求。

[1]陳謙,方正新,陳明,艾加秋.實現收發分離的W 波段波束波導饋電網絡[C].2015年全國微波毫米波會議論文集,2015.

[2]徐江.波紋圓波導特征值的近似解[J].微波學報,2005,21(5):37-40.