一種雙頻喇叭饋源的設計

張占春

（甘肅長風電子科技有限責任公司，甘肅 蘭州 730070）

1 概述

饋源是發射和接收電磁波的無源微波器件，處于微波通信和天線系統的最前端，其性能對整個天線系統具有非常重要的影響。隨著電子技術的發展和寬帶通信及探測設備的出現，寬帶天線系統以及天線系統的寬頻技術也在不斷的發展，為擴大系統容量或為了躲避其他頻率的干擾，實際的天線系統往往工作在兩個或兩個以上頻帶內，但在不便安裝兩副天線的情況下，雙頻天線系統應用而生了，這就需要雙頻饋源來接收和發射電磁信號。

所謂雙頻饋源是指在兩個不同的頻帶內各項性能都能滿足天線系統要求的饋源，具體指標包括：駐波比、增益、方向圖和效率等。

2 喇叭饋源的組成及原理

2.1 矩形口徑喇叭

矩形口徑喇叭的優點是功率容量大，邊瓣及后瓣小，交叉極化小，方向圖便于控制（改變喇叭口徑尺寸），阻抗帶寬較寬等等。矩形口徑喇叭是由矩形波導兩壁張開形成的，它的形狀如圖1 所示。

圖1 矩形口徑喇叭結構圖

根據上述兩個公式，當波導寬邊a 取20.1mm,波導窄邊b 取8mm 時可同時滿足X 波段和Ku 波段的微波信號傳輸要求。喇叭口的寬邊W 和窄邊H的尺寸應根據天線系統方向圖的波束寬度以及天線邊緣照射等需求確定。為了形成方位差信號此喇叭饋源需要兩個矩形口徑喇叭。

2.2 E 面折疊雙T 接頭

從結構上來看，E 面折疊雙T 是將魔T 的平分臂在E 平面內折疊而成的，因此它們的工作原理相同。如圖2 所示，從3,4 端口進入2 端口的兩路相位相反的TE10 型波在2 端口內合并為TE20型波后形成方位差信號，在1 端口內合并為TE10型波形成和路信號。根據波導尺寸邊界條件，通常E 面折疊雙T的1 臂和2 臂的橫截面尺寸選擇與主波導的橫截面的尺寸相同，從結構對稱性來考慮，3 臂和4 臂的橫截面尺寸應相同，并且它們的窄邊應與主波導窄邊一樣。從1 臂與2 臂間的隔離來考慮,2 臂的寬邊只允許傳輸TE20模，不允許其它高次模傳輸。所以，在此饋源中選Ku 波段E 面折疊雙T 的寬邊為17mm,窄邊為8mm。X 波段E 面折疊雙T 的寬邊為22.86mm，窄邊為10.16mm。由于喇叭饋源結構的需要此E 面折疊雙T 的3,4 路波導之間形成一定張角。

圖2 E 面折疊雙T 結構圖

2.3 七端口網絡

七端口網絡是一種經典的無源微波器件，如圖3 所示，也是此饋源中比較重要的一個濾波器件。兩個矩形口徑喇叭接收的微波信號輸入到1,2 端口的波導內。其中在靠近3,4 端口的波導腔內放置寬度為7mm，長度為27.1mm，高度與波導內腔高度一樣的金屬塊，在此處形成一個窄波導腔體，這樣從1,2端口波導內輸入的微波信號經過窄波導腔體濾波后只有Ku 波段信號從3，4 端口輸出到Ku 波段E面折疊雙T 中。

圖3 七端口網絡結構圖

在波導窄邊開寬度為1mm，長度為17.5mm 的隙縫，用隙縫耦合的方式把波導內的X 波段信號耦合到5,6 端口波導腔中，為了放大所需微波信號在靠近耦合隙縫處波導腔內形成一個λ/4 波長的諧振腔體，其中諧振腔體長度為8mm，微波信號經諧振放大后從5,6 端口輸出到X 波段E 面折疊雙T 內，這樣七端口網絡就把兩個頻段的信號分開了。

七端口網絡腔體內的每一個尺寸對它本身的電性能影響較大，在調整一個尺寸時會對各個端口的電性能產生影響，所以我們在用HFSS 軟件仿真的時候要兼顧各個端口之間的電性能，對每一個尺寸進行調整時要同時調整其他的尺寸，使它們之間的變化對各端口的電性能的影響降到最低。

2.4 喇叭饋源整體結構

將上面3 種器件連接后就組成喇叭饋源，整體結構如圖4 所示。兩個E 面折疊雙T 的1 端口和2 端口分別輸出各自頻段的和路信號和方位差信號，在兩個矩形喇叭波導端口內寬壁上中間位置開長度為7.45mm，寬度為2.1mm 的耦合隙縫，耦合出兩路Ku 波段信號，此兩路信號在波導內合并后形成俯仰差信號從七端口網絡的7 端口輸出，在耦合隙縫處波導內加金屬塊進行駐波匹配，金屬塊的具體尺寸通過HFSS 軟件仿真確定。其中標準波導端口與饋源的各個非標端口之間用金屬臺階進行過度，金屬臺階的尺寸及個數均由HFSS 軟件仿真得到。在饋源的兩個矩形喇叭口之間加一金屬板可以有效改善天線邊緣照射并增加方位差零深深度，通過HFSS 仿真軟件確定金屬板的長度和厚度。

圖4 喇叭饋源結構圖

在每個端口波導內加金屬銷釘或金屬塊進行駐波匹配。需對每個金屬銷釘和金屬塊的位置、直徑、厚度以及耦合隙縫的長度、寬度等尺寸進行仿真調試，為調試方便在七端口網絡中3,4 端口波導內的金屬塊位置活動可調，待各端口參數調試合格后焊接固定。

3 喇叭饋源電性能仿真結果

此喇叭饋源模型經過Ansoft HFSS 11 仿真軟件計算每個端口的電壓駐波比在帶內小于2，方位差零深和俯仰差零深均小于-30dB,Ku 波段饋源增益在14dB 左右，X 波段饋源增益在10dB 左右，波束寬度、旁瓣、端口隔離度等指標也都符合設計要求，仿真結果如圖5 所示。

圖5 喇叭饋源電性能仿真結果

4 結論

文章設計了一種工作在雙頻段的喇叭饋源，將幾種常見的無源微波器件組合并用合適尺寸的波導進行微波信號傳輸，經過各種調諧塊和端口的匹配就可以達到雙頻段工作的目的，特別是在微波抗干擾工作模式下比較有優勢。由于在該饋源中耦合隙縫、調諧金屬銷釘等的尺寸相互之間的位置對饋源的端口S 參數影響較大，所以這些關鍵尺寸的加工精度要求在0.02mm 內。